基于某直升機(jī)主槳葉受壓異響問(wèn)題的研究

賴勇暉，鄭坤，賴蕭憶，帥京

（昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中的主槳葉是直升機(jī)升力的主要來(lái)源。直升機(jī)飛行時(shí)，槳葉在交變載荷作用下產(chǎn)生持續(xù)的氣彈響應(yīng)，由此帶來(lái)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和疲勞問(wèn)題直接影響著直升機(jī)的安全性[1]，無(wú)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(lái)分析，槳葉的性能都至關(guān)重要[2]。

國(guó)產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，在現(xiàn)有的環(huán)境條件下，中國(guó)復(fù)合材料槳葉生產(chǎn)制造已達(dá)到了一定的水平，故障率明顯降低，對(duì)于發(fā)現(xiàn)故障后的修理和維護(hù)也積累了一些經(jīng)驗(yàn)；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(wèn)題基本都能夠快速響應(yīng)、及時(shí)地處理；但對(duì)于深層次的問(wèn)題，比如槳葉原材料和槳葉結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，現(xiàn)有的定位和處理能力還有待進(jìn)一步提高。下面以某直升機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)的“異常聲響”現(xiàn)象為例，列舉PMI泡沫復(fù)材槳葉的故障樹，并運(yùn)用故障樹，定位“異響”的來(lái)源。

1 故障現(xiàn)象

某直升機(jī)在地面檢查主槳葉盤槳操作時(shí)，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(duì)比其他槳葉多數(shù)無(wú)此現(xiàn)象，因此判斷該槳葉可能存在異常情況。仔細(xì)觀察按壓槳葉發(fā)現(xiàn)，槳葉外觀無(wú)明顯的凹陷、形變，槳葉后緣位置復(fù)合材料表面也未出現(xiàn)分層、脫粘、開裂等情況，且上一個(gè)飛行架次該架機(jī)旋翼系統(tǒng)工作正常。通過(guò)分析該架機(jī)飛行參數(shù)未發(fā)現(xiàn)上一架次該直升機(jī)旋翼、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)存在異常，飛行機(jī)組反饋飛行中體感無(wú)異常振動(dòng)。

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(duì)已裝機(jī)使用的同一生產(chǎn)線、同種生產(chǎn)工藝制造的同型號(hào)其他主槳葉逐一進(jìn)行了針對(duì)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(duì)該問(wèn)題小組成員通過(guò)激烈的“頭腦風(fēng)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(shí)間等，并對(duì)這些可能的原因進(jìn)行分析、逐一排除影響，最后得出結(jié)論。

該型機(jī)槳葉使用復(fù)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(qiáng)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(shí)，通過(guò)對(duì)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(duì)槳葉的影響。蒙皮由玻璃布和碳布混合鋪設(shè)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(qiáng)肋由碳布鋪成，主要為蒙皮提供支撐，提高蒙皮的剝離強(qiáng)度。大梁采用玻璃粗紗預(yù)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(guò)程中給蒙皮提供壓力支撐，保證槳葉翼型。后緣條由無(wú)緯帶構(gòu)成，提供主槳葉的部分?jǐn)[振剛度，也提高后緣上下蒙皮的粘接強(qiáng)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(zhǎng)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(huì)存在縫隙，需要用粘接劑對(duì)縫隙進(jìn)行填充。粘接劑固化后邊緣有可能不光滑，導(dǎo)致粘接劑與泡沫間發(fā)生摩擦，造成“異響”。針對(duì)這一猜測(cè)，將有“異響”的槳葉進(jìn)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(dǎo)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(wèn)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(dǎo)致蒙皮脫粘，泡沫芯與蒙皮發(fā)生剮蹭；復(fù)合材料蒙皮本身出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致異響。蒙皮內(nèi)部的故障判斷多通過(guò)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(guò)目視檢查，并結(jié)合激光散斑檢查。

對(duì)有異響的槳葉進(jìn)行敲擊檢查，未發(fā)現(xiàn)異?；芈暎虼伺懦善っ撜车目赡苄?。目視檢查蒙皮無(wú)碰傷、劃痕、龜裂，進(jìn)一步對(duì)槳葉進(jìn)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(dǎo)致異響的可能性。綜上，蒙皮缺陷導(dǎo)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(wèn)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(yuǎn)。且槳葉大梁采用玻璃粗紗預(yù)浸單向帶成型，大梁纖維均為延槳葉展向的長(zhǎng)纖維，成型固化后不易出現(xiàn)斷裂，故排除大梁缺陷導(dǎo)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(guò)程中對(duì)槳葉蒙皮、大梁及加強(qiáng)肋提供反向支撐力，以保證蒙皮、大梁及加強(qiáng)肋固化成型，因此泡沫芯存在一定的過(guò)盈量[5]。泡沫芯缺陷主要考慮泡沫孔存在破損，受到外力時(shí)泡沫間發(fā)生相對(duì)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(yàn)樣段，在不同位置人為制造泡沫孔缺陷進(jìn)行故障驗(yàn)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(yàn)可以推斷出：模壓過(guò)程中，為保證復(fù)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(guò)程中其本身也會(huì)受壓。此外因?yàn)榕菽驹趬嚎s過(guò)程中存在一定的過(guò)盈量，模壓完成后泡沫芯材料的體積會(huì)受到壓縮。加之泡沫芯本身材料內(nèi)部孔隙率及強(qiáng)度本身存在微小差異，導(dǎo)致部分泡沫氣孔受壓后產(chǎn)生界面甚至壓潰。當(dāng)受到外力的擠壓時(shí)，界面和細(xì)碎的泡沫孔壁就會(huì)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(guò)激光散斑、槳葉敲擊、X光等方式進(jìn)行檢查，但均未發(fā)現(xiàn)槳葉異常，原因如下：①X 光的檢測(cè)原理是當(dāng)X 射線穿過(guò)不同密度的物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)對(duì)于X 射線吸收能力有所不同，對(duì)顯像處理后的影像明暗分布進(jìn)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(dǎo)致拍攝X 光后二者顯像區(qū)分度較低，無(wú)法有效對(duì)缺陷情況進(jìn)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(dǎo)致聲音散射衰減較大，因此無(wú)法通過(guò)槳葉敲擊確認(rèn)缺陷情況。此現(xiàn)象在槳葉樣段驗(yàn)證過(guò)程中得到證實(shí)，當(dāng)損傷位置距離泡沫芯蒙皮較遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)法通過(guò)敲擊檢查發(fā)現(xiàn)泡沫芯損傷；當(dāng)損傷位置逐漸向蒙皮表面靠近時(shí)，槳葉敲擊異響逐漸明顯。因此當(dāng)損傷的泡沫芯距離蒙皮較遠(yuǎn)時(shí)，無(wú)法通過(guò)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(shí)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(dāng)激光照射在粗糙的物體表面時(shí)，物體表面的散射粒子會(huì)使入射光發(fā)生背向散射，由于不同散射光達(dá)到相機(jī)成像面的光程度不同，不同散射光之間會(huì)在像面上形成隨機(jī)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(guò)激光照射物體表面得到成像，也無(wú)法有效檢測(cè)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(jìn)行分析，因?yàn)樵跇~疲勞試驗(yàn)計(jì)算過(guò)程中將泡沫芯視為空腔，未將泡沫芯強(qiáng)度計(jì)算在內(nèi)，且目前該槳葉各項(xiàng)指標(biāo)均符合該型主槳葉生產(chǎn)及檢驗(yàn)技術(shù)要求，所以從安全性的角度來(lái)看，具有該現(xiàn)象的槳葉均滿足安全性要求，不會(huì)對(duì)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(diǎn)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(dǎo)槳葉上下翼面的受力。由于主槳轂的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)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(shí)間的增加，缺陷位置存在延槳葉展向擴(kuò)展的可能，需監(jiān)控使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

PMI泡沫因具有很好的力學(xué)性能、耐熱性及化學(xué)性，使它在航空槳葉制造方面得到越來(lái)越多的應(yīng)用，人們對(duì)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(guò)分析該現(xiàn)象的過(guò)程，對(duì)類似問(wèn)題的解決思路進(jìn)行初步探討；目前筆者還缺乏針對(duì)性檢測(cè)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(xì)影響，只能在后續(xù)的使用過(guò)程中加強(qiáng)檢查力度，及時(shí)排查故障。

為了進(jìn)一步提高直升機(jī)旋翼系統(tǒng)可靠性、為今后發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)，今后在無(wú)損檢測(cè)方面，可借鑒PMI泡沫在其他領(lǐng)域應(yīng)用中的檢測(cè)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(fù)材槳葉的高效可靠的無(wú)損檢測(cè)方法；日常維護(hù)方面，需加強(qiáng)對(duì)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。