直八主槳葉后段件與大梁膠接早期失效分析

王國才

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

2008年某日，海軍航空兵某團(tuán)直八直升機(jī)X機(jī)在飛行訓(xùn)練時，空中出現(xiàn)較大振動。直升機(jī)返航后地面檢查發(fā)現(xiàn)，一片主槳葉在飛行中第13塊后段件(從尖部往根部方向)脫落，故障發(fā)生時飛行時間為716小時06分。得知情況后，工廠對在役的36片主槳葉進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)18片主槳葉的后段件與大梁膠接區(qū)存在不同程度的局部開膠現(xiàn)象(如0083 號主槳葉:第4、7、8、9、11、15、16 共7 塊后段件尖角與大梁膠接處局部開膠，第13塊后段件脫落)。

1 主槳葉的功能及結(jié)構(gòu)

空氣中高速轉(zhuǎn)動的主槳葉與氣體形成相對運(yùn)動，使得槳葉上表面產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，槳葉下表面產(chǎn)生正壓區(qū)，壓力的差值提供槳葉向上的氣動力。在自動傾斜器的操縱下，旋翼產(chǎn)生一個合力，為直升機(jī)提供升力和各類運(yùn)動狀態(tài)下的操縱力。

主槳葉由大梁、接頭、后段件以及翼尖等部件組成，其中后段件共23塊均勻分布在6980mm范圍內(nèi)，每塊后段件的寬度為301mm，后段件之間的間隙2.5 mm(均布)。后段件的組成包括蒙皮、翼肋和腹板，采用自力－2膠高溫固化膠接。后段件與大梁的三個面連接采用J－40中溫固化膠進(jìn)行膠接，其中上、下面是后段件蒙皮與大梁膠接，后段件腹板是與大梁后壁膠接。第1～8號后段弦長318mm，膠接區(qū) 26mm;第 8～14號后段弦長315mm，膠接區(qū) 29mm;第 14～23號后段弦長312mm，膠接區(qū)32mm。見圖1～圖3。

圖1 主槳葉示意圖

圖2 主槳葉后段件

圖3 后段件與大梁連接示意圖

2 失效原因

2.1 故障現(xiàn)象

工廠對返廠的7片主槳葉進(jìn)行了檢查(0083～0085，0100)，并進(jìn)行了后段件的剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，破壞形式為后段件蒙皮與膠粘劑之間的界面破壞，蒙皮上殘留的膠瘤較少，且膠層光滑平整(J－40膠大部分殘留在大梁上)，說明了后段件蒙皮與J－40中溫固化膠的結(jié)合力小，且膠接的剝離強(qiáng)度明顯降低，部分低于設(shè)計(jì)值30N/cm(設(shè)計(jì)要求:主槳葉大梁與后段件蒙皮之間的 90°剝離強(qiáng)度≧ 30N/cm)，詳見表1。

表1 主槳葉的膠接剝離強(qiáng)度(N/cm)

2.2 原因分析

在直升機(jī)飛行過程中，主槳葉后段件主要承受彎矩及升力、離心力的作用。主槳葉運(yùn)動過程中，后段件承受著交變載荷，力由后段件與大梁膠接面的J－40中溫固化膠承擔(dān)，此時J－40中溫固化膠膠接面受剪切疲勞。J－40中溫固化膠膠接面在剪切疲勞載荷作用下，結(jié)合力慢慢下降，從而導(dǎo)致膠接面失效。由于后段件與大梁膠接區(qū)域的兩端為應(yīng)力集中部位，開膠現(xiàn)象一般是蒙皮兩端的尖角處開始出現(xiàn)并擴(kuò)展。膠接邊緣開膠后，在氣流作用下后段容易出現(xiàn)撕裂和飛掉。經(jīng)分析，造成后段件與大梁之間膠接強(qiáng)度下降的主要原因如下:

一是主槳葉膠接體系在大梁和蒙皮鉻酸陽極化后沒有配套的底膠保護(hù)，鋁合金氧化膜微孔被污染，導(dǎo)致膠接耐久性差。按航標(biāo)(HB5339)金屬結(jié)構(gòu)膠接質(zhì)量控制要求，用于結(jié)構(gòu)膠接的鋁合金零件鉻酸陽極化表面處理后，一般應(yīng)在8小時內(nèi)涂底膠保護(hù)鋁合金膠接面，有效保證膠接質(zhì)量。主槳葉的生產(chǎn)沿用了研制階段的二次膠接加溫固化生產(chǎn)工藝，先成型后段件(后段件蒙皮、翼肋、腹板之間采用自力－2膠高溫固化膠接)，然后后段件與大梁之間采用J－40中溫固化膠膠接裝配。從裝配好的后段件和大梁工藝流程可以看出，經(jīng)過很多工序，生產(chǎn)周期長。特別是后段件膠接質(zhì)量的檢查采用超聲波探傷儀，檢測的介質(zhì)為紅油;裝配好的大梁在接頭與大梁組合鉆孔時用油液進(jìn)行冷卻。從上述工藝流程看出，鋁合金膠接面的氧化膜微孔被油污和人工搬運(yùn)污染，表面清潔度達(dá)不到一般膠粘規(guī)程要求(表面處理后8小時內(nèi)膠接裝配的要求)。在大梁與后段件膠接裝配前只能采用脫脂棉或白綢布蘸取汽油、丙酮等溶劑進(jìn)行表面清洗，氧化膜微孔被污染后很難用一般方法擦洗干凈。由于膠接面有污染存在，膠接不牢靠，在長期的飛行過程中，膠接面在剪切疲勞載荷作用下膠接力逐漸下降，導(dǎo)致開膠。

二是后段件蒙皮在與大梁膠接裝配前表面清洗質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致后段件與大梁的膠接強(qiáng)度不高。從槳葉的膠接質(zhì)量檢查統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看(返廠修理的主槳葉)，槳葉局部開膠，基本上是在飛行400小時左右出現(xiàn)。也有時間較長的，如0083飛行時間為716小時06分;有的時間短，如0188號主槳葉2005年11月出廠，只飛行了156小時44分就出現(xiàn)了大面積開膠。

3 改進(jìn)措施

為了提高主槳葉膠接耐久性能，主要對主槳葉的膠接體系進(jìn)行更改，增加鋁合金鉻酸陽極化后表面采用噴涂底膠保護(hù)。其次改進(jìn)清洗方法，調(diào)整無損檢測等工序，降低污染。

3.1 采用噴涂底膠工藝

按HB5339金屬結(jié)構(gòu)膠接質(zhì)量控制要求，用于結(jié)構(gòu)膠接的鋁合金零件表面處理后一般應(yīng)在8小時內(nèi)涂底膠保護(hù)膠接面，使蒙皮表面氧化膜微孔不受污染。關(guān)鍵是如何找到一種合適的底膠，能提高后段件與大梁的膠接耐久性能。目前主槳葉總裝時，后段件與大梁之間使用J－40膠進(jìn)行膠接，必須解決一種底膠，能與后段件上的自力－2膠和大梁上的J－40膠有良好的相容性。為驗(yàn)證噴涂底膠工藝的可行性，進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)。從各種試驗(yàn)中選取了主槳大梁上噴涂J－96底膠后貼J－40膠膜，后段件蒙皮鉻酸陽極化表面處理后8小時內(nèi)噴涂J－96底膠，用自力－2進(jìn)行膠接裝配，并加大固化壓力到12Nm(弓形夾擰緊力矩)的工藝方案。經(jīng)工藝試驗(yàn)表明J－96膠與自力－2膠、J－40膠的相容性較好，膠接破壞形式為膠粘劑內(nèi)聚破壞，是膠接的理想破壞形式，采用噴涂底膠工藝的膠接性能明顯改善，膠接剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值(90°剝離強(qiáng)度30N/cm)，有效解決了后段件與大梁的膠接耐久性。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 J－96膠與自力－2膠、J－40膠的膠接性能試驗(yàn)

3.2 改進(jìn)翼肋清洗方法

后段件與大梁膠接前的表面清洗原工藝為采用汽油、丙酮進(jìn)行清洗，這種工藝無法保證表面完全清洗干凈。改用除油溶液及水清洗后段件翼肋膠接面，用水膜法檢查清洗質(zhì)量，保證膠接面在常溫下30S內(nèi)水膜連續(xù)。

3.3 調(diào)整工序，盡量避免對膠接面的污染

確保主槳大梁和后段件的表面清潔。一是大梁鉆孔后進(jìn)行大梁鉻酸陽極化表面處理(與槳葉接頭連接的20個孔)，對表面處理后的主槳大梁進(jìn)行保護(hù)，避免對膠接面的人為污染;二是后段件蒙皮、翼肋、腹板鉻酸陽極化表面處理后8小時內(nèi)噴涂J－96底膠，底膠干燥后用自力－2進(jìn)行膠接裝配。主槳葉裝配時，后段件膠接面噴涂J－96底膠，同時大梁膠接面也涂J－96底膠后貼J－40膠膜，并加大固化壓力到12Nm。三是超聲波檢測工序安排在主槳葉總裝后進(jìn)行，后段件膠接質(zhì)量檢查和后段件與大梁膠接檢查一并進(jìn)行，避免紅油對后段件膠接面的污染。

4 結(jié)論

改進(jìn)后的直八主槳葉交付使用，到目前為止已飛行900飛行小時，后段件沒有出現(xiàn)過大面積的開膠現(xiàn)象，說明采用噴涂J－96底膠工藝，改進(jìn)翼肋清洗方法，調(diào)整裝配工序解決了后段件與大梁的膠接耐久性。

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