НЕСУЩИЙ КАРКАС ПОЛА ФЮЗЕЛЯЖА И ЕГО ОПОРНАЯ БАЛКА
FUSELAGE FLOOR BEARING CARCASS AND ITS SUPPORT BEAM

Изобретения относятся к самолетостроению, а именно к конструкции несущих каркасов пола фюзеляжей самолетов, предназначенных для размещения пассажирских кресел в салоне самолета или иных грузов.
8
Известен каркас пола фюзеляжа в соответствии с техническим решением по патенту США №7191982 (МПК В64С 1/00, заявл. 08.07.2004 г., опубл. 24.01.2007 г.), который включает продольные и поперечные балки, закрепленные на регулярных кольцевых шпангоутах фюзеляжа. Это техническое решение не включает элементов и средств крепления к каркасу пола фюзеляжа грузов или пассажирских кресел. Отсутствие дополнительных силовых элементов крепления поперечных балок каркаса к шпангоутам фюзеляжа, например, подкосов, требует значительного усиления поперечных балок и кольцевых шпангоутов фюзеляжа.
Известен ряд технических решений каркасов пола фюзеляжа, которые включают поперечные балки, на которых размещены панели пола фюзеляжа. В панелях пола проложены опорные рельсы небольшой высоты двутаврового профиля. Характерной чертой этих решений является наличие развитой силовой опорной конструкции, на которых установлены панели пола. Эта опорная конструкция передает основные силовые нагрузки от панелей пола на шпангоуты фюзеляжа, при этом крепление панелей пола к шпангоутам фюзеляжа не предназначено для передачи значительных силовых усилий.
3
В решении по патенту США 4479621 (МПК В64С 1/18, опубл. 30.10.1984 г.), которое рассчитано на пассажирский самолет большой пассажировместимости, каркас пола выполнен из панелей, по которым проложены опорные средства фиксации пассажирских кресел. Панели пола установлены на поперечные балки. В качестве силовой опорной конструкции в этом решении использованы силовые вертикальные подкосы, опертые на шпангоуты. В решении предусмотрено крепление поперечных балок со шпангоутами и подкосами и крепление подкосов к шпангоутам в виде шарнирного соединения. Средства для фиксации пассажирских кресел выполнены в виде балок таврового профиля небольшой высоты.
8
В решении каркаса пола фюзеляжа по заявке Германии DE 102006019123 (МПК В64С 1/18, заявл. 25.04.2006 г., опубл. 31.10.2007 г.) указанная силовая конструкция выполнена в виде двух ферм, протянутых вдоль бортов фюзеляжа и в нижней части закрепленных на кольцевых шпангоутах фюзеляжа. Сверху на форменную конструкцию установлены поперечные балки, не соединенные непосредственно с кольцевыми шпангоутами. На поперечные балки установлены панели пола, в которых проложены опорные рельсы двутаврового профиля небольшой высоты.
В решении каркаса пола по заявке Германии DE 102008007838 (МПК В64С 1/18, заявл. 07.02.2008 г., опубл. 12.11.2009 г.) указанная силовая конструкция выполнена из вертикальных опор, закрепленных в нижней части на шпангоуты фюзеляжа. Вертикальные опоры в соответствии с этим решением могут быть дополнительно соединены друг с другом наклонными стяжками. Поперечные балки и панели пола размещены на силовой конструкции, крепление поперечных балок и панелей пола к кольцевым шпангоутам фюзеляжа не предназначено для передачи значительных усилий. В панелях пола проложены опорные рельсы небольшой высоты для фиксации пассажирских кресел.
В техническом решении каркаса пола фюзеляжа по заявке РСТ 2007/036508 (МПК В64С 1/18, заявл. 25.09.2006 г., опубл. 05.04.2007 г.) для фиксации кресел использованы опорные рельсы двутаврового профиля небольшой высоты, которая примерно равна высоте панелей пола фюзеляжа. Верхняя полка опорного рельса при этом соединена с верхней обшивкой панели пола, а нижняя полка - с нижней обшивкой панели пола. Панели пола закреплены на поперечных опорных балках.
Указанные технические решения, предусматривающие наличие развитой силовой опорной конструкции, воспринимающей основные силовые нагрузки, предназначены в основном для использования в самолетах, предназначенных для перевозки 300-400 пассажиров и более. При проектировании каркасов пола фюзеляжа для самолетов меньшей пассажировместимости использование развитой силовой опорной конструкции становится невыгодным и более предпочтительным становится использование в качестве продольных опорных элементов опорных балок двутаврового профиля с увеличенной высотой по сравнению с опорными рельсами, используемыми в предыдущих аналогах.
Известна конструкция каркаса пола самолета (см. Г.И.Житомирский. Конструкция самолетов, М., изд. «Машиностроение», 2005 г., с.235, 236), содержащая поперечные балки и продольные опорные балки для размещения пассажирских кресел и иных грузов. Поперечные балки этого технического решения закреплены на шпангоуты фюзеляжа. В этом решении поперечные балки выполнены двутаврового профиля. Поперечные балки этого решения подпираются подкосами (стойками). Подкосы в этом решении размещаются вертикально. Первые концы подкосов соединяются с поперечными балками, вторые концы подкосов оперты на шпангоуты фюзеляжа.
Опорные продольные балки каркаса этого решения пропущены вдоль фюзеляжа. Профиль каждой из опорных балок выполнен в форме двутавра. Верхняя полка профиля опорной балки в центральной части снабжена прямоугольным в поперечном сечении выступом, протянутым по всей длине балки и снабженным Т-образным пазом для фиксации пассажирских кресел и иных грузов. Общая концепция построения несущего каркаса пола фюзеляжа этого решения оптимальна для пассажирских самолетов, предназначенных для перевозки 200 пассажиров и более, для которых характерна большая удельная нагрузка на пол.
Известен целый ряд авторских свидетельств СССР и патентов РФ (см., например, охранные документы №1735083, 2071442, 2182102, 2198115), в которых для крепления пассажирских кресел в салоне самолета или иных грузов использован продольный рельс, в поперечном сечении, выполненный в форме швеллера.
7
5
В патентах РФ 2182102 (МПК B64D 11/06, опубл. 10.05.2002) и №2198115 (МПК B64D 11/06, B60N 2/00, B60N 2/07, заявл. 17.10.2000 г., опубл. 10.02.2003) в устройствах для крепления кресел на летательном аппарате использован встроенный в пол рельс с продольным пазом. Продольный рельс этого решения выполнен в форме толстостенного швеллера. Рельс жестко связан с конструкцией пола летательного аппарата. Это решение характеризуется недостаточной несущей способностью продольного рельса при восприятии изгибных нагрузок, что должно компенсироваться усилением конструкции пола самолета.
В устройство для фиксации сиденья на транспортном средстве (см. авторское свидетельство СССР №1735083 (МПК B60N 2/06, заявл. 27.12.1989 г., опубл. 23.05.1992 г.) включена направляющая, выполненная в виде швеллера с боковыми полками, жестко связанная с остовом транспортного средства. Введение дополнительных боковых полок несколько облегчает стыковку направляющей с опорной конструкцией пола транспортного средства, однако, несущая способность направляющей как продольной балки для восприятия значительных изгибных нагрузок небольшая.
3
Близко к указанным решениям и решение направляющей в механизме для продольного перемещения сиденья транспортного средства, известное из авторского свидетельства СССР №994318 (МКИ B60N 1/08, заявл. 01.11.78, опубл. 07.02.1983 г.). Направляющая в этом решении выполнена в виде перевернутого П-образного профиля, горизонтальная полка которого крепится к полу транспортного средства. Вертикальные стенки направляющей имеют отогнутые наружу участки, каждый из которых имеет горизонтальную полку, боковую полку и отогнутый внутрь концевой участок.
В определенной мере указанные недостатки рассмотренных конструкций для размещений кресел в пассажирских салонах самолетов решены в патентах РФ 2071442, 2136548 и патенте Германии 3171869, в которых в качестве опорного элемента использованы Т-образные опорные балки.
В указанных решениях опорный элемент выполняется в поперечном сечении в виде Т-образного профиля, полка которого в поперечном сечении снабжена прямоугольным выступом. Внутри выступа, протянутого по всей длине опорного элемента, проложен Т-образный паз.
6
В решении опорного элемента - профилированного направляющего рельса по патенту РФ 2136548 (МПК B64D 11/06, B60N 2/08, заявл. 14.09.1995 г, опубл. 10.09.1999 г.) прямоугольный выступ размещен по всей длине полки профиля, что может сопровождаться определенными трудностями в интеграции опорного такого элемента в несущую конструкцию пола фюзеляжа. Решение опорного продольного элемента - рельса пола по патенту РФ №2071442 (МКИ B64D 11/06, заявл. 24.06.1991, опубл. 10.01.1997 г.) предусматривает размещение выступа в центральной части полки Т-образного профиля, при этом толщина полки профиля в периферийной его части вне выступа меньше толщины полки в центральной части профиля.
3
Конструктивные особенности опорного элемента для размещения пассажирских кресел на самолетах, которые в поперечном сечении выполнены в форме Т-образного профиля, известного из патента Германии 3171869 (МПК В67С 1/18, заявл. 22.10.1981 г., дата выдачи 11.05.1983 г.), нацелены на его использование в комбинации с элементами конструкции пола, выполненными из неметаллических материалов.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения несущего каркаса пола фюзеляжа является решение, известное из патента США 6554225 (МПК В64С 1/18, опубл. 29.04.2003 г.). Это решение содержит поперечные балки, подкосы и опорные продольные балки.
Поперечные балки этого решения выполнены в форме двутавра. Стенки поперечных балок снабжены в этом решении ребрами жесткости, пропущенными от верхней полки профиля к его нижней полке. Кроме того, поперечные балки этого решения снабжены в верхней части U-образными вырезами, по бокам и снизу подкрепленными ребрами жесткости. U-образные вырезы в этом решении разрезают верхнюю полку поперечной балки. Поперечные балки располагаются практически перпендикулярно к плоскости симметрии самолета с шагом, соответствующим шагу размещения кольцевых регулярных шпангоутов фюзеляжа, и закреплены на них.
Опорные балки пропущены вдоль фюзеляжа. Профиль каждой из опорных балок в поперечном сечении выполнен в форме двутавра, верхняя полка которого в центральной части снабжена прямоугольным в поперечном сечении выступом, протянутым по всей длине балки. Кроме того, в указанном выступе выполнен Т-образный паз.
Опорные балки этого решения пропущены сквозь U-образные вырезы поперечных балок. При этом периферийные концы верхних полок опорной балки вне выступа помещены на верхней полке поперечной балки. Периферийные концы верхних полок опорной балки и верхние полки поперечной балки механически соединены между собой заклепочным или иным соединением. Центральная часть опорной балки размещена в этом решении над выступом и не соединена с поперечной балкой, таким образом, опорная балка «свободно висит» в вырезе поперечной балки.
Снизу поперечные балки дополнительно оперты на вертикальные подкосы, первые концы которых подсоединены снизу к нижним полкам поперечных балок, а вторые соединены со шпангоутами фюзеляжа. Узлы крепления при этом первых концов подкосов к поперечным балкам в этом решении размещены на удалении от узлов соединения поперечных и опорных балок.
Особенностью этого решения, кроме использования опорных балок двутаврового профиля увеличенной высоты, является наличие вырезов в поперечных балках и размещение в этих вырезах опорных балок. За счет крепления периферийных концов верхних полок опорных балок к поперечным балкам опорные балки «свободно висят» в вырезах поперечных балок. Это, а также крепление подкосов к поперечным балкам на удалении от узлов соединения опорных и поперечных балок вызывает необходимость введения на поперечной балке многочисленных ребер жесткости и усилений конструкции поперечных балок, что утяжеляет конструкцию. Кроме того, значительны технологические трудности изготовления каркаса из-за большого объема фрезерных работ по изготовлению поперечных балок. Как и приведенное выше описание решения (см. Г.И.Житомирский, Конструкция самолетов, М., изд. «Машиностроение», 2005 г., с.235, 236), это решение рассчитано для проектирования конструкций самолетов большой пассажировместимости свыше 200 человек и более. Так ориентировочные размеры основных элементов в наиболее предпочтительном варианте использования технического решения ближайшего аналога в 1,5…2,5 раза превышают допускаемые размеры элементов каркаса для самолетов, рассчитанных на перевозку 100-130 пассажиров, что делает практически "невозможным использование этого решения в конструкции каркаса пола фюзеляжа самолета, рассчитанного на перевозку 100…130 пассажиров.
Наиболее близким аналогом заявляемой опорной балки является балка, известная из патента США 6554225 (НКИ 244/117R, МКИ В64С 1/18, заявл. 14.06.2002 г., опубл. 29.04.2003 г.), в соответствии с которым опорная балка (см. поз.40 на фиг.4, 6 описания к патенту США 6554225) выполнена в поперечном сечении в форме двутавра, включающего верхнюю и нижнюю полки и стенку. Рассматриваемое решение опорной балки характеризуется развитой верхней частью профиля опорной балки: так габаритный размер верхней полки профиля по ширине превышает габаритный размер профиля по высоте в 2,5…3,5 раза, а габаритный размер нижней полки профиля по ширине в 7…9 раз.
Верхняя полка профиля рассматриваемого решения опорной балки в центральной части снабжена прямоугольным в поперечном сечении выступом, протянутым по всей длине балки. Внутри выступа размещен Т-образный паз, образованный плоским основанием, параллельным верхней полке профиля, боковыми стенками, верхним перекрытием и продольной прорезью, проходящей по центральной части выступа.
В рассматриваемом решении боковые стенки паза и его перекрытие выполнены плоскими, боковые стенки и основание соединены друг с другом по фаске, наклоненной к основанию паза под углом, близким 45 градусов, верхнее перекрытие выполнено параллельным основанию паза.
В рассматриваемом решении толщина верхней полки вне выступа составляет примерно 4…5 мм, при этом глубина паза превышает ее в 2…3 раза, а высота паза - в 3…3,5 раз. Кроме того, отношение ширины прорези продольного паза и ширины продольного паза к ширине выступа близко величинам 0,2 и 0,57 соответственно.
Конструктивное выполнение опорной балки в соответствии с этим решением, оправданное в самолетах пассажировместимостью 300-400 человек и более, при использовании в самолетах меньшей размерности, например, рассчитанных на перевозку 100…120 пассажиров, приводит к заметному увеличению массы конструкции. Геометрия опорной балки этого технического решения, которая, как было отмечено выше, характеризуется развитой верхней частью ее профиля, имеет недостаточную несущую способность по восприятию изгибающего момента при использовании ее в самолетах меньшей размерности, конструкция которых имеет жесткие ограничения на высоту опорной балки, например, при ограничении на высоту менее 70…100 мм. Использование этого решения опорной балки при этом не позволяет достичь оптимальных значений сопротивления изгибу опорной балки при ограниченных размерах ее высоты. Кроме того, выполнение верхней части паза опорной балки одинаковой по толщине обуславливает его постоянную жесткость при переходе от прорези паза к боковым стенкам паза. При этом изгибающий момент, действующий на верхнюю часть паза, возрастает. Это ведет к увеличению массы опорной балки.
Технической задачей заявляемых решений несущего каркаса пола фюзеляжа и его опорной балки является разработка каркаса и опорной балки, оптимизированных по массе и габаритам для использования в самолетах, рассчитанных на перевозку 100…130 пассажиров. При этом при проектировании несущего каркаса должно быть учтено то обстоятельство, что оптимальные геометрические конструкции фюзеляжа таких самолетов предполагают размещение вдоль одного из бортов двух рядов пассажирских кресел, а вдоль другого - трех рядов при диаметре фюзеляжа 3,3…4 м.
Техническим результатом заявляемых технических решений несущего каркаса пола фюзеляжа и его опорной балки является разработка конструкции каркаса и его опорной балки небольших габаритов и массы при использовании в конструкции фюзеляжа самолета диаметром 3,3…4 м, рассчитанного на перевозку 100-130 пассажиров.
Технический результат заявляемым решением каркаса пола фюзеляжа достигается следующим образом.
Известен несущий каркас пола фюзеляжа, который содержит закрепленные на шпангоутах фюзеляжа поперечные балки, подкосы и опорные балки. Первые концы подкосов соединены с поперечными балками, а их вторые оперты на шпангоуты фюзеляжа.
В известном решении опорные балки пропущены вдоль фюзеляжа, профиль каждой из которых в поперечном сечении выполнен в форме двутавра. Верхняя полка профиля опорной балки в центральной части снабжена прямоугольным в поперечном сечении выступом, протянутым по всей длине балки. Этот прямоугольный выступ снабжен Т-образным пазом. Концы верхних полок опорных балок соединены с верхними полками поперечных балок.
В заявляемом решении несущего каркаса новым является то, что поперечные балки выполнены в форме Т-образного профиля, снабженного в нижней части односторонней полкой. Опорные балки снабжены вырезами, сквозь которые пропущены поперечные балки. Несущий каркас пола фюзеляжа в заявляемом решении снабжен кронштейнами, выполненными из основания и соединенной с ним стенкой. Каждая из опорных балок дополнительно соединена с каждой поперечной балкой парой кронштейнов, размещенных по разные стороны от стенки поперечной балки. При этом основания кронштейнов скреплены со стенкой поперечной балки, а стенки кронштейнов соединены со стенкой опорной балки. Кроме того, в заявляемом решении новым является то, что каждая из опорных балок дополнительно соединена с каждой из поперечных балок элементами крепления, размещенными в пазу опорной балки и пропущенными сквозь верхние полки опорной и поперечной балок.
В заявляемом решении подкосы размещены под углом к плоскости симметрии самолета. Первые концы подкосов, расположенных вдоль первого борта фюзеляжа, заведены в вырезы опорных балок между основанием одного из кронштейнов и стенкой поперечной балки.
Заявленные конструктивные особенности несущего каркаса пола фюзеляжа позволяют снизить массу и габариты конструкции каркаса пола фюзеляжа и решить задачу по разработке конструкции каркаса пола для самолетов, рассчитанных на перевозку от 100 до 130 пассажиров.
Выполнение узла крепления опорных балок, характеризующееся наличием вырезов в опорных балках в сочетании с дополнительным креплением опорных балок к поперечным балкам парой кронштейнов и элементами крепления, размещенными в пазах опорной балки, позволяет уменьшить прочностные требования к верхним полкам как опорных, так и поперечных балок. Включение в каждый узел соединения опорной и поперечной балок пары кронштейнов и их симметричное расположение относительно стенки поперечной балки позволяет оптимальным образом передать силовую нагрузку от опорной балки к поперечной балке, что упрощает конструкцию поперечных балок. Выполнение поперечных балок в виде Т-образного профиля, снабженного в нижней части односторонней полкой, дает возможность соединить подкос со стенкой поперечной балки, что упрощает ее конструкцию. Совмещение в едином узле крепления опорной и поперечной балок и крепления подкоса к поперечной балке вдоль первого из бортов фюзеляжа также существенно снижает массу каркаса.
Размещение подкосов под углом к плоскости симметрии самолета не только снижает массу каркаса, но и существенно улучшает восприятие силовых нагрузок регулярными шпангоутами фюзеляжа, причем для самолетов, рассчитанных на перевозку 100-130 пассажиров, угол наклона подкосов к плоскости симметрии самолета целесообразно выбрать из диапазона 10…25 градусов. Это, кроме того, позволяет увеличить полезные объемы отсеков самолета, размещенных под каркасом пола.
В заявляемом решении вдоль каждого из бортов фюзеляжа наиболее целесообразно протянуть по паре опорных балок. При этом первые концы подкосов, расположенных вдоль второго борта фюзеляжа, целесообразно соединить со стенками поперечных балок вблизи точки деления расстояния между смежными опорными балками в отношении 1:К, а параметр К целесообразно выбрать из диапазона 1,5…2, что наиболее оптимально для самолетов, рассчитанных на перевозку от 100 до 130 пассажиров при размещении двух рядов пассажирских кресел вдоль одного из бортов и трех рядов вдоль другого борта.
Наиболее предпочтительно соединить стенки кронштейнов каркаса с основаниями кронштейнов вблизи середины оснований и скрепить основания кронштейнов со стенкой поперечной балки крепежными элементами, размещенными по разные стороны от стенки опорной балки, что улучшает передачу силовой нагрузки от опорной балки на поперечную балку.
Кроме того, элементы крепления, размещенные в пазу опорной балки, наиболее целесообразно поместить в ряд вдоль опорной балки, что повышает технологичность сборки каркаса.
Конструкторские проработки показывают, что использование заявляемого решения несущего каркаса пола фюзеляжа в самолетах, рассчитанных на перевозку 100…130 пассажиров, позволяет снизить массу каркаса на 4…7% по сравнению с известными аналогами. Высота каркаса, определяемая высотами поперечных и опорных балок, позволяют при диаметре фюзеляжа самолета 3,3…4 м выполнить требования как по высоте пассажирского салона, обеспечивающей комфортное размещение пассажиров, так и требования по высоте грузовых и багажных отделений, размещаемых под каркасом пола фюзеляжа.
Технический результат заявляемой опорной балкой достигается следующим образом.
Известна опорная балка, профиль которой в поперечном сечении выполнен в форме двутавра. В известной опорной балке верхняя полка в центральной части снабжена прямоугольным в поперечном сечении выступом, который протянут по всей длине балки. Выступ снабжен Т-образным пазом. Паз образован плоским основанием, параллельным верхней полке профиля, боковыми стенками, верхним перекрытием и продольной прорезью.
В заявляемом техническом решении опорной балки новым является то, что ширина верхней полки профиля опорной балки не более, чем в 4 раза превышает ширину нижней полки, а отношение габаритного поперечного размера верхней полки к габаритному размеру профиля по высоте заключено в пределах от 1,1 до 1,35.
Кроме того, боковые стенки паза заявляемого решения выполнены в форме цилиндрических секторов, плавно сопряженных с основанием паза и его верхним перекрытием. Верхнее перекрытие паза в заявляемом решении наклонено к полкам балки под углом 12…16 градусов. Высота выступа и глубина паза превышают толщину верхней полки опорной балки вне выступа в 5,8…6,5 и 4…5 раза соответственно, а отношение ширины прорези продольного паза и ширины продольного паза к ширине выступа выбрано из диапазонов 0,3…0,39 и 0,6…0,7 соответственно.
Опорная балка при работе в конструкции каркаса пола фюзеляжа воспринимает сосредоточенные нагрузки от элементов крепления кресел и нагрузку от настила пола.
Элементы крепления кресел, как правило (см., например, фиг.3 в патенте РФ 2198115 или фиг.3 в патенте РФ 2136548), выполняются в форме «грибков», включающих ножку, пропущенную сквозь продольную прорезь паза опорной балки, с боковыми выступами, прижатыми к верхнему перекрытию паза. Верхняя часть выступа воспринимает при этом изгибающий момент от элементов крепления кресел, значение которого плавно увеличивается при переходе от прорези паза к периферийной части выступа.
Выполнение боковых стенок паза в форме цилиндрических секторов, плавно сопряженных с основанием паза и его верхним перекрытием, наклоном перекрытия паза к полкам балки под углом 12…16 градусов, выбор указанных соотношений между высотой выступа и глубиной паза по сравнению с толщиной верхней полки опорной балки вне выступа и соотношений между шириной прорези и шириной паза к ширине выступа позволяют плавно увеличить жесткость верхней части выступа, с минимальными затратами массы воспринять изгибающий момент от элементов крепления кресел и плавно передать нагрузку на верхнюю полку опорной балки.
Эквивалентное напряжение в сечениях опорной балки
определяется напряжением от изгиба:
и касательными напряжениями:
,
max
сеч
где М - значение изгибающего момента, y - расстояние от центра тяжести сечения до наиболее удаленной точки сечения, J - момент инерции сечения, Q - значение перерезывающей силы, F - площадь сечения.
Выбор геометрии профиля опорной балки в соответствии с указанными соотношениями между шириной верхней полки, нижней полки профиля и высотой балки позволяет получить оптимальное сочетание между моментом инерции сечения, расположением его центра тяжести, его площадью и расстоянием от центра тяжести до наиболее удаленной точки сечения в условиях ограничений на высоту опорной балки, которая для самолетов с диаметром фюзеляжа 3,3…4 м составляет 70…10 мм.
Использование предлагаемой опорной балки позволяет уменьшить массу опорной балки на 1,5…3% по сравнению с аналогами при общей высоте опорной балки, не превышающей 70 мм.
Кроме того, толщина верхней полки балки вне выступа может быть выбрана из диапазона 1,3…1,9 мм, что достаточно как для восприятия нагрузок от настила пола фюзеляжа самолетов, рассчитанных на перевозку от 100 до 130 пассажиров, так и для передачи нагрузок на поперечные балки фюзеляжа.
Кроме того, в заявляемом решении высота профиля опорной балки может превышать толщину его верхней полки вне выступа в 30…40 раз, а ширина выступа верхней полки опорной балки может быть выбрана превышающей толщину его верхней полки вне выступа в 15…20 раз. Это дополнительно оптимизирует значение момента сопротивления профиля опорной балки и снижает ее массу.
Кроме того, кривизна одной из боковых стенок продольного паза на 30…35% может превышать кривизну другой боковой стенки паза, что улучшает технологичность установки кресел с их элементами крепления в пазу опорной балки.
Заявляемые решения каркаса пола фюзеляжа и его опорной балки поясняется следующими материалами:
фиг.1 - поперечный разрез фюзеляжа самолета;
фиг.2 - каркас пола фюзеляжа в плане (разрез В-В с фиг.2, шпангоуты фюзеляжа не показаны);
фиг.3 - узел крепления поперечной и опорной балки (вид I с фиг.2);
фиг.4 - узел соединения опорной балки, поперечной балки и подкоса со стороны обшивки фюзеляжа в изометрии;
фиг.5 - узел соединения опорной балки, поперечной балки и подкоса со срединной части фюзеляжа в изометрии;
фиг.6 - узел соединения опорной балки, поперечной балки и подкоса в разрезе (разрез А-А с фиг.2);
фиг.7 - узел соединения опорной балки и поперечной балки (разрез Б-Б с фиг.2);
фиг.8, 9 - узел соединения верхних полок опорной и поперечной балки элементами крепления, размещенными в пазе опорной балки (сечение Г-Г и сечение Д-Д с фиг.2 соответственно);
фиг.10 - профиль опорной балки.
Заявляемый каркас пола фюзеляжа самолета устроен следующим образом.
Несущий каркас пола фюзеляжа содержит (см. фиг.1, 2) поперечные балки 1, подкосы 2 и опорные балки 3.
Поперечные балки 1 закреплены на регулярных кольцевых шпангоутах 4 фюзеляжа самолета и расположены вдоль фюзеляжа практически перпендикулярно плоскости симметрии самолета. Поперечные балки 1 выполнены в форме Т-образного профиля, как показано на фиг.7, снабженного в нижней части односторонней полкой 7.
Опорные балки 3 протянуты по всей длине пассажирского салона фюзеляжа практически параллельно плоскости симметрии самолета. Профиль каждой из опорных балок 3 (см. фиг.6, 10) в поперечном сечении выполнен в форме двутавра. Верхняя полка профиля каждой из опорных балок 3 в центральной части снабжена прямоугольным в поперечном сечении выступом 14, протянутым по всей длине балки и снабженным Т-образным пазом 8. Для установки на опорной балке пассажирских кресел 13 или иных грузов в паз 8 выступа он может снабжаться округлыми вырезами 19, как показано на фиг.2, 3, 4. К периферийным концам верхних полок 21 опорных балок крепятся панели 28 пола (см. фиг.6, 8).
Опорные балки 3 снабжены П-образными вырезами 9, как показано на фиг.7, 9. Вырезы 9 начинаются от нижней полки опорной балки 3 и по высоте охватывают всю стенку 23 опорной балки до нижней поверхности ее верхней полки 21. Частота вырезов в опорной балке соответствует частоте установки поперечных балок каркаса.
В наиболее предпочтительном варианте использования заявляемого решения каркаса в региональном пассажирском самолете при размещении в салоне двух кресел по вдоль одного из бортов и трех кресел вдоль другого борта вдоль каждого из бортов фюзеляжа целесообразно пропустить по паре опорных балок 3, как показано на фиг.1.
Сквозь вырезы 9 опорных балок 3 пропущены поперечные балки 1, как показано на фиг.4, 5, 7, 9.
Периферийные концы верхних полок 21 опорных балок (вне выступа 14 опорной балки) крепятся к верхней полке 15 поперечной балки 1 (см. фиг.6, 8) элементами крепления 20. Крепление при этом может быть осуществлено заклепочным соединением.
Кроме того, дополнительно элементами крепления 16 (см. фиг.7, 8. 9) верхняя полка 21 опорной балки 3 в центральной ее части крепится к верхней полке 15 поперечной балки. При этом элементы крепления 16 размещены в пазу 8 опорной балки и пропущены сквозь верхнюю полку 21 опорной и верхнюю полку 15 поперечной балок. Элементы крепления 16 целесообразно разместить в пазу опорной балки в ряд вдоль нее, как показано на фиг.3, 9. При этом может быть использовано болтовое соединение. Для обеспечения дополнительного крепления опорной балки к поперечной балке элементами 16 опорная балка снабжена отверстиями для размещения элементов крепления 16, расположенных внутри паза 8 в его основании 24. При этом верхняя полка 15 поперечной балки снабжается соосными отверстиями. В наиболее предпочтительном выполнении заявляемого решения в пазу опорной балки в каждом узле крепления опорной балки к поперечной балке достаточно разместить два элемента крепления 16, поместив их вдоль опорной балки.
Кроме того, несущий каркас пола фюзеляжа снабжен кронштейнами 10 (см. фиг.4), каждый из которых выполнен из основания 11 и стенки 12 (см. фиг.5). Стенку 12 кронштейна целесообразно соединить при этом с основанием кронштейна вблизи середины основания (см. фиг.6).
В заявляемом решении каждая из опорных балок дополнительно соединена с каждой поперечной балкой парой указанных кронштейнов, как показано на фиг.7. Кронштейны при этом размещаются по разные стороны от стенки поперечной балки 1. Стенки 12 кронштейнов соединяются со стенкой опорной балки 3, например, резьбовым соединением. Также резьбовым соединением основания 11 кронштейнов соединяются со стенкой поперечной балки 1.
Кронштейны 10 целесообразно выполнить с размещением стенки кронштейна 12 вблизи середины его основания 11 (см. фиг.6). Это дает возможность разместить крепежные элементы 17 оснований кронштейнов к стенке поперечной балки 1 по разные стороны от стенки кронштейна и стенки опорной балки (см. фиг.6), что улучшает передачу нагрузок от опорной балки к поперечной балке.
Подкосы 2 каркаса могут быть выполнены, как показано на фиг.4, 5, 7, в форме П-образного профиля. Подкосы размещены под углом β к плоскости симметрии 18 самолета (см. фиг.1), причем в наиболее предпочтительном варианте использования заявляемого решения их целесообразно разместить под углом от 10 до 25 градусов к плоскости симметрии самолета 18. Первые 5 концы подкосов 2 соединены с поперечными балками 1, а их вторые концы 6 оперты на шпангоуты, как показано на фиг.1.
Первые концы 5 подкосов 2, расположенных вдоль первого борта фюзеляжа, в соответствии с заявляемым решением заведены в вырезы 9 опорных балок между основанием 11 одного из кронштейнов и стенкой поперечной балки 1 (см. фиг.6, 7). При этом крепежными элементами 17, соединяющими основания 11 кронштейнов и стенку поперечной балки 1, к стенке поперечной балки крепятся и подкосы.
Первые концы 5 подкосов 2, расположенных вдоль второго борта фюзеляжа, крепежными элементами присоединяются непосредственно к стенкам поперечных балок. При этом в наиболее предпочтительном варианте использования заявляемого решения каркаса в фюзеляже регионального пассажирского самолета при размещении вдоль каждого из бортов пары опорных балок, узел крепления первых концов подкосов вдоль второго борта фюзеляжа к стенке поперечной балки целесообразно разместить вблизи точки деления расстояния между смежными опорными балками в отношении 1:К, а параметр К выбрать из диапазона от 1,5 до 2 (см. фиг.1), а именно:
,
где - m - расстояние от опорной балки, ближайшей к шпангоуту 4 фюзеляжа, до узла крепления подкоса к поперечной балке, a n - расстояние от узла крепления подкоса к поперечной балке до следующей (более удаленной от шпангоута) опорной балки.
В качестве опорной балки заявляемого каркаса пола фюзеляжа наиболее предпочтительно использовать техническое решение опорной балки, раскрытой в настоящей заявке в составе группы изобретений, хотя при проектировании каркаса пола могут быть использованы и иные решения опорной балки.
Заявляемая опорная балка устроена следующим образом.
нп
Опорная балка 3 в соответствии с заявляемым решением в поперечном сечении (см. фиг.6, 10) имеет профиль, выполненный в форме двутавра. Профиль включает верхнюю полку 21, нижнюю полку 22 и стенку 23. Ширина верхней полки S (см. фиг.10) профиля опорной балки не более чем в 4 раза превышает ширину S нижней полки, а отношение ширины S верхней полки к высоте Н балки заключено в пределах от 1,1 до 1,35.
Верхняя полка 21 профиля балки снабжена выступом 14. Выступ 14 в поперечном сечении выполнен в форме прямоугольника и протянут по всей длине балки. Внутри выступа 14 размещен Т-образный паз 8. Паз образован плоским основанием 24, боковыми стенками 25, верхним перекрытием 26 и продольной прорезью 27. Основание паза 24 параллельно верхней полке 21 профиля. Боковые стенки 25 паза выполнены в форме цилиндрических секторов, плавно сопряженных с основанием 24 паза и его верхним перекрытием 26. Верхнее перекрытие наклонено к верхней полке профиля балки под углом α, значение которого целесообразно выбрать из диапазона 12…16 градусов. Продольная прорезь 27 протянута по всей длине выступа.
выст
паза
вп
пр
паза
выст
Отношение высоты Н выступа 14 и глубины Н паза 8 к толщине δ верхней полки 21 опорной балки в ее периферийной части вне выступа целесообразно выбирать из диапазонов 5,8…6,5 и 4…5 соответственно, а отношение ширины S прорези 27 паза и ширины S паза к ширине S выступа целесообразно выбирать из диапазонов 0,3…0,39 и 0,6…0,7 соответственно.
вп
вп
выст
Для самолетов, рассчитанных на пассажировместимость от 75 до 110 пассажиров, наиболее предпочтительно толщину δ верхней полки 21 балки вне выступа выбрать из диапазона 1,3…1,9 мм. При этом величину высоты Н профиля опорной балки целесообразно выбрать превышающей величину толщины δ его верхней полки в 30…40 раз. Ширину S выступа 14 верхней полки опорной балки наиболее предпочтительно выбирать при этом превышающей толщину его верхней полки вне выступа в 15…20 раз.
1
2
Как указано выше, боковые стенки 25 паза в заявляемом решении выполнены в виде цилиндрических секторов. Наиболее предпочтительно выполнить цилиндрические поверхности этих секторов с различной кривизной, а именно кривизну одной из боковых стенок паза выбрать на 30…35% превышающей кривизну другой боковой стенки паза, что может быть достигнуто назначением различных значений для радиусов r и r, например, задав их величинами в 1,5 и 2 мм.
Заявляемый каркас пола фюзеляжа работает следующим образом.
В процессе изготовления каркаса пола фюзеляжа опорные и поперечные балками снабжаются соосными отверстиями на их верхних полках для установки элементов крепления, при этом опорные балки снабжаются отверстиями как на периферийных концах верхних полок, так и в центральной части верхней полки - внутри Т-образного паза. Кроме того, стенки опорных и поперечных балок снабжаются отверстиями для соединения их с кронштейнами. После установки поперечных балок на кольцевые регулярные шпангоуты фюзеляжа монтируются опорные балки, при этом поперечные балки пропускаются через вырезы опорных балок и верхние полки опорных балок соединяются с верхними полками поперечных балок элементами крепления, размещаемыми как на периферийной части верхних полок опорных балок, так и в центральной части верхней полки опорной балки внутри Т-образного выступа. После этого поперечные балки с использованием кронштейнов дополнительно соединяются с поперечными балками.
Подкосы каркаса пола монтируются под углом к плоскости симметрии самолета, причем подкосы, размещенные вдоль одного из бортов самолета, закрепляются на поперечных балкам в том же узле, в котором опорные балки кронштейнами соединяются с поперечными балками.
После монтажа каркаса на него монтируются панели пола и в округлых прорезях опорных балок закрепляются пассажирские кресла.
В полете нагрузка от пассажиров и кресел передается на опорные балки, а от опорных балок на поперечные балки. Поперечные балки через их узлы крепления к кольцевым регулярным шпангоутам фюзеляжа и через подкосы передают нагрузку на шпангоуты.
Заявляемая опорная балка работает следующим образом.
Сосредоточенная нагрузка от элементов крепления пассажирских кресел - изгибающий момент и перерезывающая сила - передаются на верхнее перекрытие паза и воспринимается верхней частью выступа. Выступ передает нагрузку на верхнюю полку опорной балки. Кроме того, верхняя полка опорной балки воспринимает нагрузку от панелей пола, которые, как правило, закрепляются на верхней полке опорной балки. Суммарная нагрузка воспринимается опорной балкой.
Заявляемые решения каркаса пола фюзеляжа и его опорной балки могут быть изготовлены на предприятиях авиационной промышленности.