李 鑫,楊廣勇,胡小玉

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)憑借著靈活特性,在很多領(lǐng)域都得到了廣泛運(yùn)用。各領(lǐng)域的功能需求不同,對(duì)直升機(jī)結(jié)構(gòu)的要求也有很大不同。例如槳轂結(jié)構(gòu),槳轂構(gòu)型技術(shù)發(fā)展大體可分為四代:第一代槳轂采用金屬鉸接式和半鉸接式構(gòu)型;第二代槳轂采用金屬無鉸式和復(fù)合材料星形柔性構(gòu)型;第三代采用復(fù)合材料無鉸式和球柔性構(gòu)型;第四代采用復(fù)合材料無軸承構(gòu)型[1]。這四代槳轂構(gòu)型并不是完全的取代關(guān)系,很多構(gòu)型對(duì)應(yīng)的直升機(jī)正在并將會(huì)長期使用;而直升機(jī)的設(shè)計(jì)研制不僅僅是完成它的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造,還需要提供有效的后期維修保障[2]。因此,了解所有槳轂的構(gòu)型,定期檢查維護(hù),在出現(xiàn)故障后能夠有效排查故障原因并提供解決方案是很有必要的。

某外場(chǎng)在對(duì)一星形柔性結(jié)構(gòu)式槳轂的槳葉進(jìn)行拆卸時(shí),發(fā)現(xiàn)了其中一支臂(藍(lán)色支臂)的槳葉銷存在插拔困難的問題。發(fā)現(xiàn)問題后,對(duì)該支臂進(jìn)行了多次重新組裝,但槳葉銷插拔困難問題并未得到改善。該問題已經(jīng)嚴(yán)重影響外場(chǎng)的正常工作,因此必須盡快開展故障定位分析的工作并及時(shí)處理。

1 故障定位

該星形柔性槳轂結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)由星形件,上、下夾板,頂蓋以及槳葉銷等組成。上、下夾板組件組成的框架結(jié)構(gòu)是主槳轂的重要承力構(gòu)件,起傳遞和平衡來自槳葉的離心力載荷,傳遞升力、操縱力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的重要作用。上、下夾板兩側(cè)分別有兩凸肩襯套,小端一側(cè)通過螺栓穿過上、下夾板凸肩襯套與彈性軸承相連,實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞與擺振運(yùn)動(dòng);同理,大端一側(cè)上、下夾板凸肩襯套也是同軸布置,通過槳葉銷與槳葉連接件固定。

圖1 槳轂結(jié)構(gòu)示意圖

其中夾板組件為復(fù)合材料模壓成型結(jié)構(gòu);兩側(cè)凸肩襯套通過粗砂束帶纏繞;四周采用樹脂填塊以及泡沫填充。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和槳葉銷襯套孔相關(guān)尺寸要求如圖2所示。

圖2 夾板模壓件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

為確定槳葉銷插拔困難的原因,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀目視檢查和尺寸檢測(cè)。檢查結(jié)果如下:①上、下夾板組件外觀無機(jī)械損傷和其他缺陷;②夾板組件的槳葉銷襯套尺寸、形位公差良好,無局部變形和脫粘等現(xiàn)象;③夾板組件的槳葉銷襯套在夾板中的安裝位置發(fā)生了偏移,偏移方向和大小如圖3所示;④下夾板組件的槳葉銷襯套軸線有歪斜現(xiàn)象(設(shè)計(jì)要求:87°27′±1′,兩孔實(shí)測(cè)值為:87°4′和87°14′),上夾板組件的槳葉銷襯套軸線正常;⑤頻率匹配器的測(cè)量尺寸基本合格,無異常。

圖3 上、下夾板大端凸肩襯套偏移情況

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果,可以判定該槳轂槳葉銷插拔困難故障的直接原因?yàn)樯?、下夾板組件的槳葉銷襯套安裝位置發(fā)生了偏移,且偏移量不一致,導(dǎo)致上、下夾板組件的槳葉銷安裝孔軸線不同軸。但是這并不是故障產(chǎn)生的根本原因,還需要進(jìn)一步分析凸肩襯套偏移的原因。

1.2 故障機(jī)理分析

凸肩襯套的偏移與夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必然關(guān)系密切,因此,需要對(duì)故障夾板進(jìn)行X光檢測(cè)和CT檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn):①上、下夾板組件的X光檢測(cè)結(jié)果均合格,無異常缺陷;②上、下夾板組件CT檢測(cè)照片上顯示,上、下夾板模壓件粗砂束帶與兩槳葉銷襯套中間的樹脂填塊之間存在較明顯的異常間隙,具體如圖4所示。

圖4 故障夾板組件CT照片

為進(jìn)行對(duì)比分析,抽取另外兩副夾板做同樣的CT檢測(cè)。抽取的夾板組件分別為新交付的合格夾板和外場(chǎng)使用正常到壽的夾板組件,兩副夾板的CT檢測(cè)照片如圖5所示。

根據(jù)CT檢測(cè)分析結(jié)果,新交付合格的夾板和外場(chǎng)使用正常到壽的夾板槳葉銷襯套與粗砂帶之間不存在明顯的間隙。因此,可以初步判定故障夾板發(fā)生槳葉銷襯套偏移的原因應(yīng)為粗砂束帶與樹脂填塊之間存在明顯間隙。

1.3 夾板切割情況

為了更加詳細(xì)地了解故障夾板內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行切割觀察。在圖6中凸肩襯套中間矩形框內(nèi)區(qū)域通過銑加工的方法把表面的蒙皮除去。銑去蒙皮厚度1.2 mm后,檢查發(fā)現(xiàn)蒙皮和大梁帶之間沒有間隙。

按照切割方案要求,去蒙皮后沒有檢查到間隙。根據(jù)圖6標(biāo)記位置,在夾板組件大端襯套中間進(jìn)行切割,使用寬3.5 mm片銑刀在普通銑床上進(jìn)行。夾板切割后大端剖面如圖7所示,一側(cè)凸肩襯套粗砂帶和填塊之間有一道長約5 mm,深度約為5 mm的間隙。

圖7 夾板大端切割剖面

因此,為了探究粗砂束帶與中間樹脂填塊間隙的位置對(duì)槳葉銷襯套偏移的具體影響,需要借助有限元軟件,針對(duì)夾板結(jié)構(gòu)在不同間隙狀況下,計(jì)算分析其整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

2 有限元分析

根據(jù)夾板結(jié)構(gòu)建立有限元模型,借助Abaqus有限元分析軟件,依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)夾板各零部件賦材料屬性。其中粗砂帶、蒙皮、布?jí)|組等均為進(jìn)口復(fù)合材料,材料性能數(shù)據(jù)不全,所以采用性能相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)復(fù)合材料數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。夾板的邊界條件和加載情況如圖8所示。

圖8 夾板有限元模型

結(jié)合實(shí)際裝機(jī)情況和計(jì)算模型的收斂特性,在彈性軸承螺栓孔處施加全約束邊界條件,在槳葉銷襯套孔和阻尼器螺栓孔附近創(chuàng)建耦合加載點(diǎn),并在加載點(diǎn)上施加載荷,選取最大載荷工況“超扭+螺旋轉(zhuǎn)彎”狀態(tài)的載荷進(jìn)行計(jì)算,具體載荷施加情況如表1所示。

表1 夾板施加載荷情況

為說明各種缺陷對(duì)夾板靜強(qiáng)度的影響,計(jì)算共包含以下5部分:①不帶缺陷狀態(tài);②環(huán)氧樹脂與襯套粘接不牢固,存在間隙狀態(tài);③兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙狀態(tài);④中間環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙狀態(tài);⑤粗砂帶模壓質(zhì)量較差,孔隙率高的狀態(tài)。

2.1 不帶缺陷狀態(tài)

假定夾板結(jié)構(gòu)內(nèi)部完好,不帶任何缺陷,其靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

可見,最大應(yīng)力出現(xiàn)在粗砂帶中間段上,數(shù)值為297.3 MPa,具體應(yīng)力分布見圖10。

圖10 無缺陷粗砂帶應(yīng)力分布圖

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,小端襯套孔附近的最大應(yīng)力為160 MPa左右,槳葉銷襯套孔附近的最大應(yīng)力為130 MPa左右。這與理論計(jì)算結(jié)果(彈性軸承連接螺栓孔處約112 MPa,槳葉銷襯套保守計(jì)算約114 MPa)基本相當(dāng)。因此,可以認(rèn)為仿真計(jì)算結(jié)果基本可靠,具有重要的參考價(jià)值。

2.2 環(huán)氧樹脂與襯套存在間隙狀態(tài)

為了模擬環(huán)氧樹脂與襯套之間存在間隙的缺陷情況,在兩個(gè)大端襯套與環(huán)氧填塊之間設(shè)置接觸,具體位置如圖11所示,標(biāo)粗部分代表間隙所處位置。

圖11 環(huán)氧樹脂與襯套間隙模擬

根據(jù)分析計(jì)算,在環(huán)氧樹脂與襯套之間存在間隙的情況下,整個(gè)夾板應(yīng)力結(jié)果如圖12所示。

圖12 環(huán)氧樹脂與襯套之間存在間隙下的夾板應(yīng)力分布

根據(jù)仿真結(jié)果,最大應(yīng)力出現(xiàn)在粗砂帶靠近大端襯套切入的位置,數(shù)值為580.7 MPa;小端襯套附近應(yīng)力較小,但粗砂帶上的整體應(yīng)力水平比預(yù)制缺陷之前要普遍增大,見圖13。

圖13 環(huán)氧樹脂與襯套之間存在間隙下的粗砂帶應(yīng)力分布

2.3 兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙狀態(tài)

環(huán)氧樹脂除了與襯套相鄰?fù)?還填充在粗砂帶中間,其兩側(cè)與粗砂帶相連。通過在大端兩側(cè)環(huán)氧填塊與粗砂之間設(shè)置接觸,可以模擬兩者之間出現(xiàn)間隙的缺陷。具體位置如圖14所示。

最終夾板整體的應(yīng)力計(jì)算分布結(jié)果見圖15。

圖15 兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙下夾板的應(yīng)力分布

在該缺陷下,夾板最大應(yīng)力也出現(xiàn)在粗砂大端襯套邊緣切入的位置,數(shù)值為606.2 MPa;小端襯套附近應(yīng)力較小,但粗砂帶上的整體應(yīng)力水平比預(yù)制缺陷之前要普遍增大,跟環(huán)氧樹脂與襯套之間存在間隙情況下預(yù)制的應(yīng)力水平相當(dāng),見圖16。

圖16 兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙下的粗砂帶應(yīng)力分布

2.4 中間環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙狀態(tài)

同理,在大端中間環(huán)氧填塊與粗砂之間設(shè)置接觸,模擬兩者之間出現(xiàn)間隙的缺陷。具體位置如圖17所示。

圖17 中間環(huán)氧樹脂與粗砂間隙模擬

在該種缺陷模擬下,夾板的應(yīng)力計(jì)算分布結(jié)果如圖18所示。

圖18 中間環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙下的夾板應(yīng)力分布

最大應(yīng)力為297.5 MPa,出現(xiàn)在粗砂帶中間段上(如圖19),與不預(yù)制這個(gè)缺陷的應(yīng)力水平和應(yīng)力分布情況基本一致。

圖19 中間環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙下的粗砂帶應(yīng)力分布

2.5 粗砂帶孔隙率高的狀態(tài)

為模擬粗砂模壓質(zhì)量差,孔隙率高的缺陷,將粗砂帶和蒙皮的材料剛度降低30%,應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖20所示。

圖20 粗砂帶孔隙率較高狀態(tài)下夾板應(yīng)力分布

粗砂帶孔隙率較高狀態(tài)下最大應(yīng)力所處位置與前幾種不同,不再位于粗砂帶處,而是位于上蒙皮中間段,為275.8 MPa,見圖21。

圖21 粗砂帶孔隙率較高狀態(tài)下蒙皮應(yīng)力分布

但是該缺陷狀態(tài)下,粗砂帶上的應(yīng)力水平和應(yīng)力分布與沒有預(yù)制該缺陷的情況相差不大,見圖22。

圖22 砂帶孔隙率較高狀態(tài)下粗砂帶應(yīng)力分布

2.6 小結(jié)

總而言之,以上五種狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及其所處位置結(jié)果如表2所示。

表2 不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及其所處位置

根據(jù)以上幾種不同狀態(tài)下夾板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果,我們不難看出,對(duì)夾板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響最大的有兩種情況:①環(huán)氧樹脂與襯套粘接不牢固,存在間隙;②兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶存在間隙。其最大應(yīng)力相比于無缺陷的狀態(tài)下翻了一倍,同時(shí),最大應(yīng)力都分布在粗砂帶靠近大端襯套切入處。這也為襯套在應(yīng)力作用下不斷變形最終產(chǎn)生偏移,導(dǎo)致槳葉銷插拔困難創(chuàng)造了可能性。其余兩種間隙缺陷情況的應(yīng)力分布變化與無缺陷基本一致,對(duì)夾板結(jié)構(gòu)影響不大。

再考慮到夾板結(jié)構(gòu)切割狀況,環(huán)氧樹脂與襯套之間接合比較緊密,而一側(cè)凸肩襯套粗砂帶和填塊之間存在一道長約5 mm,深度約為5 mm的間隙,因此可以認(rèn)定槳轂夾板槳葉銷插拔困難是兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶之間存在間隙導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

本文針對(duì)外場(chǎng)某直升機(jī)出現(xiàn)的槳轂夾板槳葉銷插拔困難問題,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障出現(xiàn)的直接原因是凸肩襯套偏移,上下夾板襯套孔不同軸;隨后,為探究凸肩襯套偏移原因,結(jié)合夾板CT照,并對(duì)夾板進(jìn)行橫向切割,將故障根本原因鎖定在夾板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的間隙上;最后,通過Abaqus建立夾板有限元模型,分析不同位置的間隙對(duì)夾板的影響,最終發(fā)現(xiàn)槳葉銷插拔困難是由兩側(cè)環(huán)氧樹脂與粗砂帶之間存在間隙導(dǎo)致的。

因此,為避免此類故障重復(fù)發(fā)生,對(duì)夾板生產(chǎn)廠家提出以下兩點(diǎn)建議:

第一,在對(duì)夾板組件生產(chǎn)質(zhì)量控制方面,需加強(qiáng)夾板模壓件的模壓質(zhì)量控制,提高夾板可靠性;

第二,在出廠前增加對(duì)夾板的間隙檢測(cè),完善夾板驗(yàn)收條件。