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        基于某直升機主槳葉受壓異響問題的研究

        2023-09-17 12:26:16賴勇暉鄭坤賴蕭憶帥京
        科技與創(chuàng)新 2023年17期
        關(guān)鍵詞:故障

        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。

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