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新型自支撑航空坐垫设计与疲劳性能研究

2024-12-11 98 上传者：管理员

摘要：针对当前航空坐垫普遍存在的质量、成本、安全性、寿命预测及维护周期方面的问题，研制了一款新型自支撑航空坐垫，并对其疲劳性能进行了试验研究。研究结果表明：自支撑航空坐垫可有效减轻航空座椅质量，降低航空燃油成本、航空座椅材料成本及售后维护成本，减少飞机应急着陆时乘员乘坐安全隐患。该项目研究可为航空坐垫寿命预测及维护计划的制定提供依据。

关键词：
疲劳性能
疲劳试验
自支撑坐垫
航空
航空坐垫
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1、航空坐垫概述

1.1 航空坐垫功能

航空坐垫安装于航空座椅上，是飞机舱内十分重要的机载设备，它不仅可以提高乘员乘坐舒适性，缓解旅途疲劳，还可以在飞机水上迫降及应急着陆等紧急情况下起到救生的作用。

航空坐垫需满足一系列适航规章要求：①满足CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》的阻燃性能要求[1];②满足CTSO-C72c《单独漂浮装置》的漂浮性能要求[2],在飞机水上迫降时航空坐垫可作救生衣使用；③满足CCAR-25-R4 《运输类飞机适航标准》、CTSO-C127b 《旋翼航空器、运输类飞机和小飞机座椅系统》[3]及SAE AS8049B “Performance Standard for Seats in Civil Rotorcraft, Transport Aircraft, and General Aviation Aircraft”[4]中飞机应急着陆14g垂直冲击性能要求。航空坐垫可吸收冲击能量，减小飞机应急着陆时乘员腰椎载荷，保护乘员免受伤害。

1.2 航空坐垫研究现状

国内外学者对航空坐垫进行了相关研究，Paten等[5]建立了非线性坐垫的振动模型，研究了坐垫垂直方向振动的符合性，验证了振动模型的响应数据和试验结果的一致性；李秉海等[6]研究了航空坐垫海绵材料的发展现状及适航标准；Mehta等[7]研究了9种航空坐垫材料在动态冲击条件下的阻尼机理，得出使用高密度聚亚氨酯泡沫作为航空坐垫材料可有效传递阻尼振动；何斌意[8]从适航的动态性能要求出发，提出了一种满足适航要求的替换航空坐垫的动态试验方法，得出泡沫垫密度变化对腰椎载荷有重要影响，选择适当密度的泡沫垫可以达到最佳吸能效果，同时满足被替换件的性能要求；杨欢等[9]建立了基于刚性座椅的航空可替代座椅垫动态冲击试验方法，应用该刚性座椅进行了14g垂直冲击试验，测试了试验假人的腰椎载荷，验证了两型航空坐垫的动态冲击力学特性满足适航要求。

上述研究均基于底部需通过椅盆提供支撑的航空坐垫，这种航空坐垫额外增加了椅盆质量、航空燃油成本及航空座椅材料成本。另外，在飞机运营过程中，椅盆在疲劳载荷下极易产生疲劳裂纹甚至断裂故障，严重时会危及飞机应急着陆情况下乘员乘坐安全，且额外增加了航空座椅售后维护成本。上述关于航空坐垫性能的研究主要集中在动态冲击、振动方面，关于航空坐垫疲劳性能的研究较少，而航空坐垫的疲劳性能直接影响坐垫使用寿命及飞机维护计划。为了解决航空坐垫的质量、成本及乘坐安全性问题，精确预测航空坐垫使用寿命，合理规划航空坐垫维护周期，本文研制了一款新型自支撑航空坐垫，并对该航空坐垫的疲劳性能进行了试验研究。

2、新型自支撑航空坐垫研制

2.1 自支撑航空坐垫结构设计

自支撑航空坐垫由坐垫芯和坐垫套两部分组成。坐垫芯由海绵、支撑块、挡火布和尼龙搭扣等部分组成，海绵和支撑块粘接成型后包覆挡火布，支撑块底部前、后各设计一个半圆槽，半圆槽处及支撑块底部周边粘接尼龙搭扣，用以与航空座椅横梁及坐垫套连接。自支撑航空坐垫芯模型如图1所示。

图1自支撑航空坐垫芯模型

选用的支撑块材料刚性较好，且底部设计成拱形，进一步提高了其结构刚度。因此，自支撑航空坐垫无需椅盆支撑，可直接与航空座椅前、后横梁通过尼龙搭扣安装，如图2所示。该设计可有效减轻航空座椅质量，降低航空燃油成本、航空座椅材料成本及售后维护成本，减少飞机应急着陆时乘员乘坐安全隐患。

图2自支撑航空坐垫安装原理

2.2 自支撑航空坐垫材料选用

自支撑航空坐垫海绵材料选用软质阻燃聚氨酯泡沫，参考密度为55 g/cm3;支撑块材料选用硬质阻燃EPP,其具有闭孔式独立泡孔结构，吸水率低，可满足航空坐垫漂浮性能要求，还具有优良的缓冲性能与吸能性能，可满足飞机应急着陆14g垂直冲击吸能要求。

2.3 自支撑航空坐垫试制

海绵及支撑块由相应毛坯料分别机加成型，然后粘接装配，外包覆挡火布，粘接尼龙搭扣，形成坐垫芯，最后将坐垫芯装入坐垫套中。自支撑航空坐垫试制件如图3所示。

图3自支撑航空坐垫试制件

3、自支撑航空坐垫疲劳试验研究

3.1 航空坐垫疲劳试验判据

SAE ARP5526C “Aircraft Seat Design Guidance and Clarifications”及《主机座椅设计和安装规范》均对航空坐垫疲劳强度提出了要求[10],本文疲劳试验判据选取二者较严酷试验工况，如表1所示。

表1航空坐垫疲劳试验判据

3.2 航空坐垫疲劳试验方法

航空坐垫疲劳试验步骤及方法如下：

(1) 将试验坐垫按要求安装于航空座椅前、后横梁上。

(2) 用3D扫描仪对坐垫进行3D扫描，并记录坐垫试验前的外形数据。

(3) 对坐垫的局部细节进行拍照。

(4) 在坐垫上表面向下均匀施加载荷900 N,并循环至50 000次。

(5) 用3D扫描仪对坐垫进行3D扫描，并记录坐垫的外形数据。

(6) 在坐垫上表面向下均匀施加载荷900 N,并循环至80 000次。

(7) 用3D扫描仪对坐垫进行3D扫描，并记录坐垫的外形数据。

(8) 试验过程中如有任何失效或异常，立即终止试验，对失效或异常部位进行拍照。

3.3 航空坐垫疲劳试验设备

航空坐垫疲劳试验需要使用的设备有：试验坐垫、气动耐久试验机、坐模、配重、某型三联航空座椅及其试验工装等。三联航空座椅包含走廊侧位、中位、舱壁侧位，其中舱壁侧位刚性最弱，选择此位置作为最严酷试验工况进行试验，同时选取刚性最强的中位进行对比试验。为了提高软质航空坐垫的测量精度和效率，本试验采用无接触测量设备3D扫描仪测量坐垫压陷量。航空坐垫疲劳试验设备如图4所示，航空坐垫压陷量测量设备如图5所示。

图4 航空坐垫疲劳试验设备

图5 航空坐垫压陷量测量设备

3.4 自支撑航空坐垫疲劳试验结果

3.4.1 50 000次循环载荷疲劳试验结果

对自支撑航空坐垫施加50 000次循环载荷后未出现疲劳破坏现象，用3D扫描仪测量坐垫的压陷量，得到的坐垫顶面、侧面压陷量云图分别如图6、图7所示。

图6施加50 000次循环载荷后坐垫顶面压陷量云图

图7施加50 000次循环载荷后坐垫侧面压陷量云图

3.4.2 80 000次循环载荷疲劳试验结果

对自支撑航空坐垫施加80 000次循环载荷后未出现疲劳破坏现象，用3D扫描仪测量坐垫的压陷量，得到的坐垫顶面、侧面压陷量云图分别如图8、图9所示。

3.4.3 自支撑航空坐垫疲劳试验结果分析

由自支撑航空坐垫压陷量云图可知：

(1) 疲劳试验后，航空坐垫未出现疲劳破坏现象，最大压陷量为8.89 mm, 位于舱壁侧位坐垫边沿处。

(2) 航空坐垫顶面压陷量均为负值，侧面压陷量基本为正值。可见，航空坐垫顶面均为压缩变形，侧面基本为延伸变形。

(3) 疲劳试验后，舱壁侧位坐垫的最大压陷量为8.89 mm, 大于中位坐垫的最大压陷量6.10 mm。原因是：舱壁侧位座椅横梁悬臂较长，刚性较差，故舱壁侧位坐垫的最大压陷量大于中位坐垫。

(4) 对同一航空坐垫而言，因前、后端分别由航空座椅前、后横梁支撑，故航空坐垫前、后端的压陷量较小，中间部位的压陷量较大。

图8施加80 000次循环载荷后坐垫顶面压陷量云图

图9施加80 000次循环载荷后坐垫侧面压陷量云图

4、结语

针对当前航空坐垫普遍存在质量、成本、安全性、寿命预测及维护周期方面的问题，开展了新型航空坐垫的研制与疲劳性能研究工作，结论如下：

(1) 研制了一款新型自支撑航空坐垫，与传统航空坐垫相比，自支撑航空坐垫无需椅盆支撑，减轻了航空座椅的质量，降低了航空燃油成本、航空座椅材料成本及售后维护成本，也可避免因椅盆疲劳破坏而危及应急着陆时乘员的乘坐安全。

(2) 疲劳试验结果表明，施加80 000次循环载荷后，自支撑航空坐垫未出现疲劳破坏现象，最大压陷量为8.89 mm, 满足SAE ARP5526C “Aircraft Seat Design Guidance and Clarifications”及主机座椅设计和安装规范中关于航空坐垫疲劳性能的要求。

(3) 试验采用无接触测量设备3D扫描仪测量软质航空坐垫压陷量，与接触式测量方法相比，大大提高了测量精度和效率。该疲劳性能研究为航空坐垫寿命预测及维护计划制定提供了依据。

参考文献:

[1]中国民用航空局政策法规司.CCAR-25-R4运输类飞机适航标准[S].北京:中国民用航空局,2016:108.

[2]中国民用航空局航空器适航审定司.CTSO-C72c单独漂浮装置[S].北京:中国民用航空局,2003:61.

[3]中国民用航空局航空器适航审定司.CTSO-C127b旋翼航空器､运输类飞机和小飞机座椅系统[S].北京:中国民用航空局,2016:2.

[6]李秉海,欧育湘.飞机座椅垫用聚氨酯软质泡沫发展现状及适航标准[J].聚氨酯工业,2007,22(4):5-7.

[8]何斌意.16g座椅垫的维修更换[J].航空维修与工程,2014(4):86-88.

[9]杨欢,牟让科,王亚锋,等.基于刚性座椅的航空可替代座椅垫动态冲击试验方法研究[J].科学技术与工程,2017,17(19):290-294.

基金资助:2023年度湖北省职业技术教育学会科学研究课题(ZJGB2023084);

文章来源:赵德斌,余云,陈铁友,等.新型自支撑航空坐垫设计与疲劳性能研究[J].机械工程与自动化,2024,(06):45-47.