民机盥洗盆堵塞开启机构优化设计

马 岩



民机盥洗盆堵塞开启机构优化设计

马 岩

本文 通过研究一种民用飞机盥洗盆堵塞开启机构的工作原理，提出降低盥洗盆堵塞开启难度的优化方案。

民航飞机的巡航高度和最佳飞行高度大多集中在9～12.5km之内，而旅客机舒适的座舱高度（座舱高度指气密座舱内空气绝对压力在标准大气中所对应的海拔高度）为0～2400 m，因此在飞行过程中，客舱与机外大气环境存在较大压差。

系统工作原理

根据排放方式不同，民用飞机灰水系统分为直接排放式灰水系统和间接排放式灰水系统。该机型采用直接排放式灰水系统。

直接排放式灰水系统是利用重力和机内外压差将盥洗室盥洗灰水及厨房工作灰水通过排放软管、空气截止阀及机外排放杆等直接排放到机外大气环境中。直接排放式灰水系统原理图如图1所示。厨房洗涤槽采用常开式排水设计，因此在洗涤槽下方灰水排放管路中设置空气截止阀以防止飞行过程中客舱空气通过灰水管路泄漏，造成客舱压力损失。盥洗盆采用常闭式堵塞设计，因此未设置空气截止阀。

排放盥洗盆灰水时，按压水龙头后侧排放按钮，盥洗盆底端堵塞顶起，盆内灰水通过灰水排放管路，经机外排放杆直接排放至机外。堵塞开启机构的原理图如图2所示。

由图2可知，堵塞开启按钮下端为一连杆，连杆通过杠杆机构与堵塞连接。当按压堵塞开启按钮时，力通过连杆传递到杠杆机构的另一端，撬动堵塞开启。

堵塞灰水排放管路经机外排放杆直接连通外界大气，当飞机处于高空飞行时，机舱内外压差大，堵塞上下两侧压差也相应较大，因此开启堵塞需要较大的力，而飞机盥洗盆堵塞的连杆刚度较低，无法承受并传递该开启压力。因此，高空飞行时，堵塞不易开启，易造成盥洗盆灰水排放不畅。

连杆失效模式分析

图1　直接排放式灰水系统原理图

图2　堵塞开启机构原理图

盥洗盆灰水排放不畅的初步原因分析为堵塞开启机构压缩稳定性不足，为研究盥洗盆堵塞开启机构连杆的失效模式，利用有限元软件ABAQUS进行仿真计算，建立模型如图3所示。

按照实际结构，约束A点平动自由度，模拟杠杆的支点；B点固支，模拟按压；C点约束面外位移，模拟管壁对活塞的约束；单位载荷施加在C点沿管道轴线垂直向下，模拟空气压差载荷。选取压杆半径2mm，弹性模量70Gpa。

计算所得失稳模式如图4所示，计算结果显示失稳模式为图中红圈区域面外方向失稳。即当客舱内外压差比较大时，连杆出现侧向失稳，无法传递堵塞开启所需的载荷。

图3　仿真计算模型

图4　连杆失效模式仿真结果

图5　特征值随半径及材料弹性模量的变化

图6　约束D点后连杆失效模式

优化设计方案

由前文分析可知，提升连杆的传载能力可降低盥洗盆堵塞的开启难度。

计算不同半径、不同弹性模量材料连杆的屈曲特征值。结果表明，压杆半径变化、材料弹性模量变化不会影响该连杆的失稳模式，特征值随半径及材料弹性模量的变化如图5所示。

由图5可知，随着连杆半径和连杆材料弹性模量的增加，连杆屈曲特征值增加，连杆传载能力增强。

由于失效方式为危险位置处面外方向屈曲，因此可采用约束危险位置处面外位移的方式进行改进，即在图3中，D点处增加支架，约束D点面外平移自由度。设置压杆半径2mm，模量70Gpa，增加D点约束后，特征值由117.77升高至342.2，连杆传递及承受载荷能力增强。此时连杆传载薄弱环节下移，在D点一下，如图6红圈处所示。

降低盥洗盆堵塞内外压差同样可以减小堵塞开启难度。仿效厨房洗涤槽，在灰水排放管路中安装空气截止阀，阀门处于常闭状态，可有效隔离阀门上游灰水管路与机外环境的连通，使盥洗盆堵塞内外的压差减小，盥洗盆堵塞开启难度降低。同时，阀门设置有压力感应装置，当阀门上游管路内积水到达一定高度时，阀门开启，灰水沿灰水排放管路排到机外。该方案可有效降低盥洗盆堵塞开启难度。

结语

本文介绍了一种民机盥洗盆堵塞开启机构的设计优化过程，通过研究盥洗盆堵塞开启机构，从提高机构连杆刚度与降低堵塞两侧压差两方面出发，提供多种优化方案，可有效降低航线运营时盥洗盆堵塞的开启难度。

马 岩

上海飞机设计研究院

马岩，女，助理工程师，上海飞机设计研究院，主要负责民机水废水系统设计。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.017