一种通用型机载担架支架的研制

费 伊，李法林，陈立雄，周海亮

0 引言

机载通用型飞机担架支架装置在不改变飞机结构的前提下，能快速、方便地加装在多种型号的飞机上，用于批量运送卧位担架伤病员，并可利用其配装的医疗救护设备在空运中对伤病员实施监护、医疗护理及紧急救治，为卧位担架伤病员提供规范的、高质量的生命支持，满足伤病员后送途中连续监护及持续性急救的要求，是遂行伤病员空运后送必需的骨干装备。

1 设计思路

飞行器的飞行过载和防止意外迫降时产生的极限过载要求机载的所有装置都能够符合严格的适航规范。CCAR-25《运输机类飞机适航标准》中第25.561条“关于载人装置强度的适航性要求”，要求承受向前过载 9.0 g、向下过载 4.5 g、向上过载 2.0 g、侧向过载 1.5 g[1]。GJB 67.3A—2008《军用飞机结构强度规范第3部 其他载荷的相关强度要求》中规定，机载设备需承受2.0 g的加速度巡航过载[2]。在这些过载作用下不允许发生导致人员二次损伤的结构破坏，所以，载人装置必须要与飞机的固定部位可靠地刚性固定连接。

民航客机受舱壁内饰的影响，仅留地板、地轨用于固定座椅；运输机则在地板、侧舱壁、舱顶（视机型不同位置、数量有差异）都可能有不同类型的固定系留点位；直升机系留点位主要在地板和机舱顶部，因此，通用型机载担架支架的设计只能利用机舱地板的系留结构实施面固定。为充分利用极有限的机舱内部空间提高伤病员运力，往往在担架支架上放置2～3层叠式担架[3]，该结构形式大大增加了前冲过载产生的力矩。要满足适航性规范的严格要求，与地板的可靠固定连接结构的设计是本装置的技术关键。

同时，要考虑方便双人抬担架伤病员的安放和拆卸，担架与支架间的紧固，空中负过载担架限位[4]，担架伤病员的病情变化快速移动担架处置，担架安放层间高度，伤病员体位及固定，配套的医疗设备挂放以及增强担架耐受向下过载（受力点跨度）能力等因素，均需在结构方案设计中体现。

2 装备的组成与结构

通用型飞机担架支架主要由担架支架（包括担架支撑立柱、担架支撑悬臂、地轨连接附属装置、支架加固杆、担架固定锁紧机构）、加挂的医疗设备（包括微量泵、输液泵、简易便携型呼吸机等）、移动供氧器（包括减压阀、压力及流量调节装置、氧气湿化装置以及快速接口等）以及附属设备（治疗柱、医疗设备固定支架、医疗设备系固减振装置[5]、视频监控器、应急照明灯、军用通用担架、单人水上救生设备浮囊和伤病员安全带）等组成，能够满足重症以下担架伤病员的安放、固定和安全后送要求[6]，其结构如图1、图2所示。

图1 通用型飞机担架支架的主视工程图

图2 通用型飞机担架支架的三维图

本装置的主材选用航空铝合金型材，能在保证足够强度的前提下减少机载的质量，同时便于附属各种气、电数据管线的内藏式布设。

支架的底部用可更换的模块化结构设计，以适应不同机型结构的转接件与地轨的刚性连接，并用斜拉杆加强；在底层支臂远端有站立在地板上的地脚，以增加装置的稳定性和抗压性。

支臂末端的负过载锁能可靠地锁紧担架并有一定的宽度调节量，以满足不同种类担架的需要。

每个支架可安放1～3层担架（视情自选），也可将底层的担架抬高用作座位。最上层的担架不能过高，以免造成装卸和观察困难，所以，每层担架的间距有限。为减少担架支臂使下一层伤员产生的压迫感，各层担架的安放采用了前后错位的设计。

伤病员安全带是担架自有安全带的增强。采用双肩十字单点交叉及腰部调节快卸锁结构，用来可靠地固定担架伤病员，防止迫降前冲大过载导致的伤病员掉落损伤。

3 结构强度的计算

在设计过程中，针对机械结构部分的腐蚀疲劳和应力腐蚀产生的开裂、破坏以及功能失效，分别进行了腐蚀应力+静载荷和腐蚀应力+疲劳载荷谱环境强度分析，对关键部位的结构强度计算简述如下：

担架支架装置的主要结构立柱为铝合金7075-T73材料，其主要力学性能为：强度极限[σb]≥200 MPa=2 040 kgf/cm2（1 kgf/cm2=9.8×104Pa），许用剪应力[τ]=0.6[σb]=1 224 kgf/cm2。其余均为铝合金 2024 材料，强度极限[σb]≥4 000 kgf/cm2，许用剪应力[τ]=0.6[σb]=2 400 kgf/cm2。

3.1 向下过载

当担架支架受到向下过载4.5 g作用时，支臂根最大 M下=n下（PAl+PBl）=4.5×（24×59.6＋24×7.84）=7 284 kgf·cm（1 kgf·cm=9.8×10-2N·m）；支臂 C 处剖面尺寸 H=112 mm，B=62 mm，δ1=6 mm（1 kgf·cm=9.8×10-2N·m），y=H/2=56 mm；抗弯截面模量 WX=2δ1H2/6=2 × 0.6 × 11.22/6=25 cm3；σ =M下/WX=7 284/25=291 kgf/cm2。支臂根部的剪应力 τ=n下Q/F=4.5×（2×24）/（2×11.2×0.6）=16 kgf/cm2，用强度能量理论推算该支臂的应力为：

支臂与立柱的连接为4个M10螺栓对称布置，上下距离90 mm，左右距离40 mm。左上支臂连接螺栓所受的剪力最大，除支臂的质量外，再加上医疗设备的质量G医（包括医疗柱横梁914 mm，质量约为2.6 kg、呼吸机质量为10 kg、麻醉输液管理系统质量为10 kg、流量调节器与湿化器、监护仪等，取G医=30 kg）的一半，因此，作用在每一个螺栓上的剪力Q1=n下（PA+PB+G医/2）/4=4.5×（24+24+15）/4=71 kgf（1 kgf=9.8 N）；

弯矩引起的一个螺栓上的剪力Q2=（M下/9）/2=405 kgf；

剪力最大的一个螺栓所受的剪力Qmax=Q1+Q2=71+405=476 kgf。

3.2 向前过载

当担架支架受到向前过载9 g作用时，仅前面一个支臂受力。在1 g过载作用下，作用在前支臂上的载荷为：

3.3 支臂受力计算

支臂C处向前的弯曲应力如图3所示。

图3 支臂承受的向前过载力作用及引起的弯矩

3.4 拉杆及其接头和接头座的受力计算

当受到向前过载9 g作用时，仅前面一个支臂受力（最严重的情况），此时，前立柱由3层支臂和医疗设备质量引起的向前总弯矩为：

式中，设医疗设备组件的质心距离地面120 cm。设该弯矩仅由前斜拉杆的拉力平衡，斜拉杆与前立柱地面连接的中心点距离为h=58.15 cm，则斜拉杆的拉力P拉max=M柱/h=223 398/58.15=3 842 kgf。拉杆为 30×4 的铝管，两端螺纹 M24×1.5 mm，有效面积为 F=2.545 cm2，拉应力 σb=P拉max/F=3 842/2.545=1 510 kgf/cm2＜[σb]。

3.5 立柱承受扭矩计算

如前述，立柱材料为 7075-T73，强度极限[σb]≥200 MPa=2 040 kgf/cm2，许 用 剪 应 力 [τ]=0.6[σb]=1 224 kgf/cm2。

当向前过载n前作用时，不考虑医疗设备质量引起的平衡，1个支臂造成的最大扭应力为前立柱的扭应力（仅考虑由其单独承受），即：

前立柱根部承受的最大扭矩M根n=3M前=3×9 104=27 312 kgf·cm；

立柱根部的连接螺栓承受拉力P根螺栓=27 312/（2×4.0）=3 414 kgf；

前立柱与地轨连接螺钉所受的剪力为：

式中，a=14.46 cm，为前立柱与地轨上的2个连接螺钉间的距离。

实际上，对于有双地轨支撑的支架，下层支臂前端有脚撑与地轨连接，使下层支臂作用在立柱上的扭力大为减小。对于双地轨支撑的支架，有拉杆将下层的前后支臂连接在一起，使后支臂也能分担向前的过载，从而减轻前支臂和前立柱的受力。

3.6 受力变形及模态分析

在担架支架的结构设计过程中，通过Proe建立担架支架装置的机械部分的虚拟样机，然后利用Ansys分析软件对其各关键部件进行整体力学仿真，得到其最大变形和应力分布情况，从而对设计结果不断迭代优化，最终得到满意的方案。担架支架装置的网格划分、变形、应力分布以及前三阶振型的情况如图4～图9所示。

图4 担架支架装置的网格划分图

图5 担架支架装置的变形分析图

图6 担架支架装置的应力分析图

图7 担架支架装置的一阶振型图

担架支架系统在最恶劣的受力情况下，内部应力低于材料许用应力，满足巡航过载和极限过载的强度要求。

图8 担架支架装置的二阶振型图

图9 设备卡固装置的三阶振型图

4 试验及应用

本装置已应用于正在研制的两型卫生飞机设计中，与机上的其他专用设备共同构成专业化的卫生飞机设备模块。装备的初样经过在模拟机舱内安装及操作试用和与其他系统交连配套试验等均符合设计要求。本研究还对承受最大向前和向下过载的部位进行了强度试验摸底：在与飞机地轨相同的试验安装架上，由液压作动筒同时对样件的支架前支腿（前冲过载受力最严酷的部位）和水平支臂（向下过载受力最严酷的部位）以各自的最大要求过载值协调加载，在相应部位贴应力贴片以10 Hz采样率跟踪测量的应变情况。结果显示，在加载至100%试验载荷下试验件结构完好。

5 结语

本次设计的通用型飞机担架支架装置可适用于在多种民航客机、运输机和直升机上安装，对不同机型只需调整与不同地轨连接的转接件；符合适航性规范要求和伤病员空运后送的医监医护需求；易于安装拆卸；能适应不同担架的安放；可根据各型飞机的机舱空间和伤员量选择加装不同数量的装置单元，遂行不同规模的空运后送任务。

[1]CCAR－25AA－R2—1995 运输类飞机适航标准[S].

[2]GJB 67.3A—2008 军用飞机结构强度规范其他载荷[S].

[3]Clyde Deschamp.Introduction to air medicine[M].Michigan：Pearson/Prentice Hall，2005.

[4]Joshua M，Via D K，Carter C T.Tactical evacuation extending critical care on rotary wing platforms to forward surgical facilities[J].Military Medicine January，2011，176（1）：4-6.

[5]孙景工，高万玉，张彦军，等.新型担架支架参数优化设计与数值仿真[J].医疗卫生装备，2010，31（9）：27-30.

[6]高万玉，杜振杰，田丰，等.组合滑撬式担架的研制[J].医疗卫生装备，2009，30（11）：30-32.