賴勇暉，鄭坤，賴蕭憶，帥京

（昌河飛機工業(yè)集團有限責任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

直升機旋翼系統(tǒng)中的主槳葉是直升機升力的主要來源。直升機飛行時，槳葉在交變載荷作用下產(chǎn)生持續(xù)的氣彈響應，由此帶來的結(jié)構(gòu)振動和疲勞問題直接影響著直升機的安全性[1]，無論是從滿足飛行品質(zhì)的角度，還是從提高飛行安全方面來分析，槳葉的性能都至關(guān)重要[2]。

國產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，在現(xiàn)有的環(huán)境條件下，中國復合材料槳葉生產(chǎn)制造已達到了一定的水平，故障率明顯降低，對于發(fā)現(xiàn)故障后的修理和維護也積累了一些經(jīng)驗；在生產(chǎn)中出現(xiàn)的較小的淺表故障，比如脫粘、掉漆、輕微劃傷等這類容易在例行檢查中發(fā)現(xiàn)的問題基本都能夠快速響應、及時地處理；但對于深層次的問題，比如槳葉原材料和槳葉結(jié)構(gòu)制造過程中出現(xiàn)的缺陷，現(xiàn)有的定位和處理能力還有待進一步提高。下面以某直升機生產(chǎn)制造過程中偶然發(fā)現(xiàn)的“異常聲響”現(xiàn)象為例，列舉PMI泡沫復材槳葉的故障樹，并運用故障樹，定位“異響”的來源。

1 故障現(xiàn)象

某直升機在地面檢查主槳葉盤槳操作時，按壓某片主槳葉后緣位置，可清晰聽見槳葉內(nèi)部發(fā)出的類似于剮蹭泡沫而產(chǎn)生的“沙沙”聲，對比其他槳葉多數(shù)無此現(xiàn)象，因此判斷該槳葉可能存在異常情況。仔細觀察按壓槳葉發(fā)現(xiàn)，槳葉外觀無明顯的凹陷、形變，槳葉后緣位置復合材料表面也未出現(xiàn)分層、脫粘、開裂等情況，且上一個飛行架次該架機旋翼系統(tǒng)工作正常。通過分析該架機飛行參數(shù)未發(fā)現(xiàn)上一架次該直升機旋翼、傳動系統(tǒng)振動數(shù)據(jù)存在異常，飛行機組反饋飛行中體感無異常振動。

2 原因排查

發(fā)現(xiàn)該片槳葉的“異響”現(xiàn)象后，制造方組織工人對已裝機使用的同一生產(chǎn)線、同種生產(chǎn)工藝制造的同型號其他主槳葉逐一進行了針對性檢查，發(fā)現(xiàn)部分槳葉也存在同樣的“異響”現(xiàn)象，占總數(shù)的7.0%左右。針對該問題小組成員通過激烈的“頭腦風暴分析法”列舉出了一些可能造成槳葉“異響”的原因，如主槳葉的制造工藝、槳葉結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)時間等，并對這些可能的原因進行分析、逐一排除影響，最后得出結(jié)論。

該型機槳葉使用復合材料“C”形梁多閉腔結(jié)構(gòu)，主要由大梁、加熱組件、蒙皮、加強肋、泡沫芯、后緣條等部分組成，主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。槳葉翼型段前緣安裝加熱組件，在結(jié)冰條件下飛行時，通過對主槳葉加熱組件供電，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，除去槳葉前緣包片上的積冰，消除結(jié)冰對槳葉的影響。蒙皮由玻璃布和碳布混合鋪設而成，是主槳葉的主要承力構(gòu)件，提供了主槳葉的主要彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。加強肋由碳布鋪成，主要為蒙皮提供支撐，提高蒙皮的剝離強度。大梁采用玻璃粗紗預浸單向帶成型，也是槳葉的主要承力結(jié)構(gòu)。泡沫芯作為槳葉內(nèi)填充物，主要作用是在生產(chǎn)及使用過程中給蒙皮提供壓力支撐，保證槳葉翼型。后緣條由無緯帶構(gòu)成，提供主槳葉的部分擺振剛度，也提高后緣上下蒙皮的粘接強度。

圖1 主槳葉典型剖面圖

由槳葉的結(jié)構(gòu)、受力分析可知，可能引起槳葉異響的原因主要有粘接劑剮蹭、大梁缺陷、蒙皮缺陷、泡沫芯缺陷，如圖2 所示，具體分析如下。

圖2 槳葉異響的主要原因

2.1 粘接劑剮蹭

槳葉內(nèi)部泡沫芯為分段填充，由于泡沫芯段原料長度有限，在泡沫芯段與泡沫芯段、泡沫芯段與其余各結(jié)構(gòu)之間會存在縫隙，需要用粘接劑對縫隙進行填充。粘接劑固化后邊緣有可能不光滑，導致粘接劑與泡沫間發(fā)生摩擦，造成“異響”。針對這一猜測，將有“異響”的槳葉進行X 光檢查，未見粘接劑邊緣異常突起及銳邊（如圖3 所示），排除粘接劑剮蹭導致異響的可能。

圖3 槳葉粘接位置X 光片

2.2 蒙皮缺陷

槳葉問題中蒙皮缺陷主要存在2 方面的影響：泡沫芯與蒙皮粘接失效導致蒙皮脫粘，泡沫芯與蒙皮發(fā)生剮蹭；復合材料蒙皮本身出現(xiàn)缺陷導致異響。蒙皮內(nèi)部的故障判斷多通過敲擊檢查，利用敲擊棒撞擊槳葉產(chǎn)生的回聲音色判斷是否存在缺陷。蒙皮表面的缺陷多通過目視檢查，并結(jié)合激光散斑檢查。

對有異響的槳葉進行敲擊檢查，未發(fā)現(xiàn)異?；芈?，因此排除蒙皮脫粘的可能性。目視檢查蒙皮無碰傷、劃痕、龜裂，進一步對槳葉進行激光散斑成像檢查，均未見異常，因此排除蒙皮本身出現(xiàn)缺陷導致異響的可能性。綜上，蒙皮缺陷導致異響的可能性被排除。

2.3 大梁缺陷

主槳葉剖面區(qū)域圖如圖4 所示。檢查發(fā)現(xiàn)，所有“問題”槳葉產(chǎn)生異響的區(qū)域均在弦向距后緣1～15 cm范圍內(nèi)（圖4 中G 區(qū)域）。這一區(qū)域距大梁較遠。且槳葉大梁采用玻璃粗紗預浸單向帶成型，大梁纖維均為延槳葉展向的長纖維，成型固化后不易出現(xiàn)斷裂，故排除大梁缺陷導致異響的可能。主槳葉平面圖如圖5 所示。

圖4 主槳葉剖面區(qū)域圖

圖5 主槳葉平面圖

2.4 泡沫芯缺陷

從生產(chǎn)工藝的角度分析，泡沫芯的材質(zhì)為PMI泡沫，是聚甲基丙烯酰亞胺形成的閉孔剛性泡沫（泡沫微觀結(jié)構(gòu)如圖6 所示[4]）作為槳葉內(nèi)腔的填充物，其主要作用是在槳葉模壓與固化成型過程中對槳葉蒙皮、大梁及加強肋提供反向支撐力，以保證蒙皮、大梁及加強肋固化成型，因此泡沫芯存在一定的過盈量[5]。泡沫芯缺陷主要考慮泡沫孔存在破損，受到外力時泡沫間發(fā)生相對摩擦產(chǎn)生異響。

圖6 PMI 泡沫微觀結(jié)構(gòu)圖

使用槳葉試驗樣段，在不同位置人為制造泡沫孔缺陷進行故障驗證，在表面施加擠壓力，試樣均出現(xiàn)與異響槳葉相似的“沙沙”聲。槳葉樣段缺陷圖如圖7所示。

圖7 槳葉樣段缺陷圖

3 前期檢查方法及故障產(chǎn)生原因分析

從槳葉的制造工藝和槳葉結(jié)構(gòu)方面分析，結(jié)合槳葉樣段的試驗可以推斷出：模壓過程中，為保證復合材料部分固化成型，泡沫芯在為蒙皮、大梁提供反向壓力的過程中其本身也會受壓。此外因為泡沫芯在壓縮過程中存在一定的過盈量，模壓完成后泡沫芯材料的體積會受到壓縮。加之泡沫芯本身材料內(nèi)部孔隙率及強度本身存在微小差異，導致部分泡沫氣孔受壓后產(chǎn)生界面甚至壓潰。當受到外力的擠壓時，界面和細碎的泡沫孔壁就會因相互接觸而發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生“沙沙”聲。

在前期檢查中主要通過激光散斑、槳葉敲擊、X光等方式進行檢查，但均未發(fā)現(xiàn)槳葉異常，原因如下：①X 光的檢測原理是當X 射線穿過不同密度的物質(zhì)時，物質(zhì)對于X 射線吸收能力有所不同，對顯像處理后的影像明暗分布進行分析判別故障。由于PMI泡沫密度較低，正常位置與缺陷位置密度相差小，導致拍攝X 光后二者顯像區(qū)分度較低，無法有效對缺陷情況進行判斷。②由PMI泡沫材料特性可知它還具有較大的聲阻抗，導致聲音散射衰減較大，因此無法通過槳葉敲擊確認缺陷情況。此現(xiàn)象在槳葉樣段驗證過程中得到證實，當損傷位置距離泡沫芯蒙皮較遠時，無法通過敲擊檢查發(fā)現(xiàn)泡沫芯損傷；當損傷位置逐漸向蒙皮表面靠近時，槳葉敲擊異響逐漸明顯。因此當損傷的泡沫芯距離蒙皮較遠時，無法通過敲擊檢查發(fā)現(xiàn)泡沫芯的損傷，這也是在前期敲擊檢查蒙皮時未發(fā)現(xiàn)槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)有異常的原因。③激光散斑成像原理是利用激光照射在物體表面，當激光照射在粗糙的物體表面時，物體表面的散射粒子會使入射光發(fā)生背向散射，由于不同散射光達到相機成像面的光程度不同，不同散射光之間會在像面上形成隨機干涉現(xiàn)象，在空間分布上表現(xiàn)為明暗變化的顆粒圖樣，即散斑。因此激光散斑僅能通過激光照射物體表面得到成像，也無法有效檢測槳葉內(nèi)部泡沫芯損傷。綜上所述，判定槳葉異響是由于泡沫芯缺陷引起的。

4 影響分析

從安全性角度進行分析，因為在槳葉疲勞試驗計算過程中將泡沫芯視為空腔，未將泡沫芯強度計算在內(nèi)，且目前該槳葉各項指標均符合該型主槳葉生產(chǎn)及檢驗技術(shù)要求，所以從安全性的角度來看，具有該現(xiàn)象的槳葉均滿足安全性要求，不會對飛行安全和舒適性造成影響。

分析模壓槳葉的結(jié)構(gòu)特點發(fā)現(xiàn)，泡沫芯的主要作用是給蒙皮提供支撐力保證翼型穩(wěn)定及在內(nèi)部傳導槳葉上下翼面的受力。由于主槳轂的轉(zhuǎn)動會承受極大的交變載荷，如果泡沫芯本身存在缺陷，后續(xù)隨著使用時間的增加，缺陷位置存在延槳葉展向擴展的可能，需監(jiān)控使用。

5 結(jié)束語

PMI泡沫因具有很好的力學性能、耐熱性及化學性，使它在航空槳葉制造方面得到越來越多的應用，人們對該類材料的研究分析需要更加深入。本文所述的現(xiàn)象不是很普遍，可分析案例尚不足，尚且不夠支撐建立一套完善的故障分析方法，只能通過分析該現(xiàn)象的過程，對類似問題的解決思路進行初步探討；目前筆者還缺乏針對性檢測該種材料成品的手段，所以目前還難以總結(jié)出該現(xiàn)象后續(xù)的詳細影響，只能在后續(xù)的使用過程中加強檢查力度，及時排查故障。

為了進一步提高直升機旋翼系統(tǒng)可靠性、為今后發(fā)展積累經(jīng)驗，今后在無損檢測方面，可借鑒PMI泡沫在其他領(lǐng)域應用中的檢測手段，如“空氣耦合超聲法”“超聲脈沖回波法”等[4]，尋找出一種適用于復材槳葉的高效可靠的無損檢測方法；日常維護方面，需加強對此“異響”現(xiàn)象的監(jiān)控，收集總結(jié)該現(xiàn)象的出現(xiàn)及發(fā)展規(guī)律，期待以后列舉出一套經(jīng)典全面的槳葉故障分析方法。