直升機(jī)復(fù)合材料槳葉使用的主要問題及對策

李志峰，王正峰

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.海軍駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

直升機(jī)旋翼為直升機(jī)提供主要的升力和操縱力，尾槳用于平衡旋翼反扭矩，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)航向操縱和增加航行穩(wěn)定性。隨著材料技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，槳葉材料已從早期的木質(zhì)、金屬逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料，而且估計(jì)在較長的一段時(shí)間內(nèi)這種狀態(tài)不會(huì)改變。本文在總結(jié)復(fù)合材料槳葉使用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對復(fù)合材料槳葉使用中出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了原因分析，給出了相應(yīng)的應(yīng)對措施，最后提出了供探討的建議。

1 使用情況

隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理性能和力學(xué)性能的不斷提高，復(fù)合材料槳葉的使用環(huán)境也逐漸擴(kuò)寬，從廣闊平原到皚皚雪山，從沙漠腹地到遠(yuǎn)海孤島，從簡單自然條件到復(fù)雜氣象環(huán)境，經(jīng)受住了南極、赤道和北極等各種惡劣地理環(huán)境和極端氣候的嚴(yán)酷挑戰(zhàn)，覆蓋了人類世界的各個(gè)角落，充分體現(xiàn)了直升機(jī)“萬能”的特點(diǎn)。復(fù)合材料使槳葉的疲勞性能實(shí)現(xiàn)跨越式增長，其安全使用壽命已達(dá)到20000飛行小時(shí)以上，民機(jī)甚至達(dá)到無限壽命，充分體現(xiàn)了直升機(jī)“萬歲”的特點(diǎn)。另外，由復(fù)合材料槳葉主導(dǎo)的1Ω振動(dòng)水平已由0.3IPS以上降至0.2IPS以下，民機(jī)甚至降至0.05IPS，直升機(jī)乘員舒適性大幅度提升。

復(fù)合材料槳葉維護(hù)內(nèi)容主要包括視情清洗、定期檢查和故障修理，維護(hù)工作是確保復(fù)合材料槳葉正常使用的必要條件。視情清洗主要是用中性清洗液清潔槳葉表面的油污、灰塵、昆蟲尸體和表面銹蝕；定期檢查的重點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)腐蝕、分層和裂紋等缺陷；故障修理的內(nèi)容主要是現(xiàn)場快速修復(fù)。復(fù)合材料槳葉維護(hù)手冊針對上述內(nèi)容，分門別類地給出了詳細(xì)而具體的要求和處理措施，用戶嚴(yán)格按要求和程序完成相關(guān)工作后，一般都可快速恢復(fù)使用。針對出現(xiàn)超出用戶手冊規(guī)定的故障，用戶需征求生產(chǎn)或設(shè)計(jì)部門的意見，必要時(shí)返回生產(chǎn)廠處理。

2 主要問題及對策

復(fù)合材料槳葉性能優(yōu)異、維護(hù)方便，但仍有各方面問題導(dǎo)致槳葉出現(xiàn)了一些非正常的維修，影響了用戶的正常使用。這些問題，除了來自機(jī)體其他結(jié)構(gòu)和維護(hù)人員操作不當(dāng)之外，還有一些來自槳葉自身結(jié)構(gòu)的防護(hù)措施。

2.1 槳葉增重問題

2.1.1 問題及原因

產(chǎn)品服務(wù)部門反映，復(fù)合材料槳葉修理時(shí)，在稱重工序出現(xiàn)了重量增加的現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料槳葉普遍存在著使用后增重的現(xiàn)象。工程師經(jīng)綜合分析，給出了部分復(fù)合材料槳葉增重的當(dāng)量情況(見圖1)，平均增重當(dāng)量指數(shù)在0.2左右，部分槳葉達(dá)0.4。

圖1 復(fù)合材料槳葉增重當(dāng)量指數(shù)情況

質(zhì)量工程師復(fù)查了全部增重槳葉的履歷文件，并未發(fā)現(xiàn)此前進(jìn)行過修理，排除了外場快速修理增重的可能性。質(zhì)量調(diào)查組任意選取了1片槳葉，對其展向重心、弦向重心、靜矩、自重狀態(tài)下的撓度、扭角和油漆重量等參數(shù)等進(jìn)行了檢查，并與該槳葉出廠前檢查結(jié)果進(jìn)行了對比，得出了槳葉使用中吸濕的結(jié)論，并通過另外若干片相同使用狀態(tài)的槳葉低溫烘干除濕對比試驗(yàn)確認(rèn)了吸濕的結(jié)論。

2.1.2 主要對策

對于復(fù)合材料槳葉吸濕問題，應(yīng)在確保用戶使用安全的前提下，根據(jù)用戶的不同情況采取相應(yīng)對策，同時(shí)考慮研制新的防護(hù)涂層。

安全性方面，槳葉外場使用中被涂層覆蓋的復(fù)合材料吸濕量有限，達(dá)不到復(fù)合材料吸濕平衡時(shí)的飽和吸濕量，對復(fù)合材料自身的模量和強(qiáng)度性能影響不大，因此不會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度問題。但應(yīng)對典型使用環(huán)境的槳葉重量增加情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)估槳葉最大吸濕增重量，分析對槳葉弦向重心和動(dòng)力學(xué)特性的影響，評估槳葉安全使用邊界是否發(fā)生變化；同時(shí)，還需關(guān)注槳葉重量、重心參數(shù)變化引起的槳轂動(dòng)載荷變化對槳轂典型疲勞結(jié)構(gòu)件壽命的影響。

維護(hù)性方面，對于單機(jī)或小批量槳葉用戶，后續(xù)若出現(xiàn)返廠修理情況，仍應(yīng)按單機(jī)狀態(tài)控制，確保修理前、后應(yīng)槳葉靜矩基本一致，以減少用戶旋翼錐體和動(dòng)平衡調(diào)整的工作量；對于大批量槳葉用戶，后續(xù)若出現(xiàn)返廠修理情況，應(yīng)按新產(chǎn)品出廠狀態(tài)控制每片槳葉的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)外場單片互換。另外，對于吸濕增重后的復(fù)合材料槳葉，在使用中還應(yīng)關(guān)注其內(nèi)部填充材料吸濕后受熱變形引起的槳葉氣動(dòng)外形變化情況。

防護(hù)涂層方面，現(xiàn)有涂層的耐水性指標(biāo)不能完全表征其防潮性能，需在不降低耐紫外老化等性能指標(biāo)的前提下，研發(fā)滿足防潮或隔潮性能指標(biāo)的復(fù)合型多功能涂層，并陸續(xù)取代現(xiàn)有涂層。

2.2 槳葉密封問題

2.2.1 問題及原因

多個(gè)用戶反映，在運(yùn)營的一款輕型直升機(jī)[1]，尾槳葉在使用中需頻繁調(diào)整動(dòng)平衡，尤其是雨天飛行后，基本都需重新調(diào)整。

后續(xù)調(diào)查注意到，該直升機(jī)尾槳采用了多路傳力新構(gòu)型，槳葉的扭轉(zhuǎn)載荷通過橢圓筒狀袖套傳遞，揮舞和擺振載荷通過矩形截面柔性梁傳遞，橢圓截面袖套與矩形柔性梁之間采用橡膠元件連接。為方便進(jìn)行袖套內(nèi)矩形梁和橡膠元件的檢查，該尾槳葉采用了敞口結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。工程師在袖套空腔的最遠(yuǎn)端布置了排水孔(如圖3所示)，以排出雨天飛行中進(jìn)入的雨水。

圖2 尾槳葉敞口示意 圖3 尾槳葉排水孔

通過對尾槳葉構(gòu)型的分析，結(jié)合尾槳葉袖套內(nèi)部積聚的砂塵和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣油灰等異物，確認(rèn)問題出現(xiàn)在槳葉密封設(shè)計(jì)上。天氣晴好時(shí)，砂塵和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣油灰等異物通過敞口區(qū)域進(jìn)入袖套內(nèi)部，并不均勻積聚，破壞了尾槳的平衡特性，需進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。雨中飛行后，袖套內(nèi)部的砂塵和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣油灰隨雨水不均勻排出，尾槳平衡特性更加惡化，亦需進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。

2.2.2 主要對策

該尾槳結(jié)構(gòu)比較緊湊，尤其是尾槳葉與尾槳轂連接區(qū)，可用空間更加有限。但對于已經(jīng)交付用戶的尾槳葉，唯一有效的補(bǔ)救措施只能是將敞口區(qū)域封閉，徹底防止雨水、砂塵和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣油灰進(jìn)入槳葉內(nèi)部。

總體上，新增密封構(gòu)件應(yīng)能與原尾槳矩形梁的揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)保持同步，確保在直升機(jī)整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)，密封構(gòu)件既不影響尾槳葉正常變距操縱，又不與尾槳變距搖臂等周邊結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。

結(jié)構(gòu)上，密封構(gòu)件可以分成三部分：支撐件、防護(hù)罩和橡膠套。支撐件和防護(hù)罩應(yīng)確保與矩形梁和袖套連接可靠，并能承受尾槳的高頻振動(dòng)；橡膠套可以通過金屬卡箍固定在支撐件和防護(hù)罩上，并滿足各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)變形的要求。另外，橡膠套屬于軟體空心薄壁結(jié)構(gòu)，還要考慮旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力對它的影響。

選材上，應(yīng)選擇復(fù)合材料或內(nèi)置骨架的橡膠等低密度材料，以盡可能控制尾槳增重。除此之外，支撐件還應(yīng)盡可能選用彈性模量較低的材料，防止造成矩形梁局部剛度和載荷突變，以最大程度地降低對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)壽命和可靠性的影響；橡膠件還應(yīng)選擇合適的彈性恢復(fù)系數(shù)，既滿足安裝前的大變形要求，又滿足安裝到位后的貼合性要求。

維護(hù)性上，應(yīng)考慮將支撐件和防護(hù)罩設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)，以便于安裝、拆卸及故障后的更換；橡膠套應(yīng)優(yōu)先考慮整體構(gòu)型，以滿足完全密封的要求；同時(shí)還需開發(fā)與尾槳結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的安裝工具或地面保障設(shè)備，使維護(hù)工作標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，盡可能地縮短維護(hù)時(shí)間，以降低對尾槳維修性指標(biāo)的影響。

2.3 槳葉包鐵脫粘和裂紋問題

2.3.1 問題及原因

槳葉包鐵是復(fù)合材料槳葉的關(guān)鍵防護(hù)部件，為槳葉在砂塵、雷電和結(jié)冰等惡劣自然環(huán)境中正常使用提供重要的防護(hù)作用[2]。槳葉包鐵一般布置在槳葉前緣，沿展向覆蓋了槳葉翼型段和槳尖區(qū)域，一般分成4-6段，段與段之間互相搭接，脫粘主要出現(xiàn)在包鐵搭接區(qū)域，并隨使用時(shí)間增加而逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展。槳葉包鐵還會(huì)出現(xiàn)裂紋(如圖4所示)，裂紋從包鐵與槳葉粘接的邊緣萌生，沿槳葉弦向向槳葉前緣延伸，而且擴(kuò)展速度很快。

槳葉包鐵搭接區(qū)域邊緣脫粘后一般會(huì)出現(xiàn)翹起(如圖5所示)，翹起改變了所在區(qū)域槳葉的氣動(dòng)外形，使故障槳葉氣動(dòng)力與其他槳葉氣動(dòng)力產(chǎn)生差異，導(dǎo)致旋翼1Ω垂向振動(dòng)增大，直升機(jī)舒適性下降；包鐵脫粘后，濕氣和雨水會(huì)從故障區(qū)域逐漸滲入槳葉內(nèi)部，伴以高溫會(huì)加速復(fù)合材料老化，降低槳葉壽命。槳葉包鐵裂紋擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致故障區(qū)域的包鐵形成獨(dú)立的小塊，這種小塊包鐵四周更易發(fā)生脫粘現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)小塊包鐵會(huì)脫落，帶來安全問題。

2.3.2 主要對策

包鐵搭接區(qū)域脫粘的直接原因是粘接質(zhì)量問題。設(shè)計(jì)方面，首先在確定包鐵沿槳葉展向的搭接位置時(shí)，應(yīng)根據(jù)槳葉揮舞振型圖選擇振幅絕對值較小的剖面，同時(shí)兼顧槳葉幾何扭轉(zhuǎn)角的突變；其次，應(yīng)考慮將包鐵搭接區(qū)域的小圓角改為大圓角或大斜角，使包鐵搭接區(qū)域邊緣遠(yuǎn)離高應(yīng)力點(diǎn)；最后，探索將包鐵間的搭接方式調(diào)整為對接方式的可行性。工藝上，加強(qiáng)包鐵粘接質(zhì)量控制，重點(diǎn)關(guān)注包鐵搭接區(qū)域型面與理論外形的符合性和表面處理后工序流轉(zhuǎn)過程中的防護(hù)措施。

包鐵萌生裂紋的直接原因是承受的應(yīng)力較大。包鐵裂紋萌生的時(shí)間段主要集中在槳葉壽命的中后期，此時(shí)復(fù)合材料逐漸老化，槳葉剛度降低，在直升機(jī)相同使用工況下，包鐵承受的載荷變大導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮復(fù)合材料老化導(dǎo)致的載荷分布變化，為金屬包鐵預(yù)留足夠的強(qiáng)度裕度；探索類方波信號(hào)的包鐵邊緣形狀，通過改變包鐵邊緣形狀降低包鐵邊緣應(yīng)力集中；工藝上，去除包鐵弦向加工余量時(shí)，優(yōu)先采用機(jī)械切邊，以避免人力手工切割產(chǎn)生的初始缺陷；維護(hù)上，原本涂覆在包鐵邊緣5mm區(qū)域的涂層脫落后應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充涂覆，以避免因海洋環(huán)境腐蝕產(chǎn)生疲勞源。

2.4 槳根襯套腐蝕

2.4.1 問題及原因

原歐直公司研發(fā)了許多不同構(gòu)型的復(fù)合材料槳葉，雙銷構(gòu)型是其典型代表。該構(gòu)型的特點(diǎn)是在槳葉根部布置兩個(gè)突出槳葉本體的金屬襯套，并通過兩根金屬槳葉銷與槳轂相連。用戶反映，雙銷構(gòu)型槳葉在海洋環(huán)境中使用一段時(shí)間后，襯套端面位置(如圖6所示)會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

雙銷構(gòu)型槳葉的特點(diǎn)之一是槳根襯套上下端面與槳轂夾板動(dòng)態(tài)接觸，槳根襯套內(nèi)表面與槳葉銷動(dòng)態(tài)接觸并傳遞較大載荷，不適合進(jìn)行表面防腐處理。而且，槳根襯套的最終尺寸是通過對其內(nèi)表面鏜孔和端面銑切實(shí)現(xiàn)的，后續(xù)已不具備表面防腐處理的條件。設(shè)計(jì)與工藝經(jīng)分析確認(rèn)，鹽霧和酸性大氣是導(dǎo)致裸露的金屬襯套端面腐蝕的直接原因。

圖6 槳葉根部襯套示意圖

2.4.2 主要對策

針對槳根襯套腐蝕問題，應(yīng)關(guān)注腐蝕導(dǎo)致的尺寸變化對載荷傳遞路線的影響，并從根本上解決腐蝕問題，還應(yīng)明確已交付槳葉的使用限制。

設(shè)計(jì)上，在建立雙銷構(gòu)型槳葉揮舞彎矩、擺振彎矩、扭轉(zhuǎn)彎矩和離心力從槳葉到槳轂的完整傳遞路線時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注槳根襯套和與其配合的槳轂的高度尺寸及公差范圍、槳根襯套內(nèi)徑和與其配合的槳葉銷的外徑及公差范圍，并充分考慮上述尺寸及公差對槳葉揮舞彎矩傳遞線路的影響，尤其是對槳葉銷承載的影響。

對于已交付槳葉，應(yīng)通過計(jì)算分析確定襯套高度的最小限制尺寸。襯套端面腐蝕后，首先計(jì)量其高度，當(dāng)襯套高度大于最小限制尺寸時(shí)，可以允許用戶按相關(guān)要求采用指定目數(shù)的砂紙對腐蝕區(qū)域進(jìn)行打磨處理，但需保證打磨后襯套高度尺寸仍大于該限制尺寸。需注意，即使是襯套的一個(gè)端面出現(xiàn)腐蝕，另外一個(gè)襯套的相同端面也需打磨，并保證高度一致，保持均勻。當(dāng)襯套高度接近最小限制尺寸時(shí)，需返廠按新生產(chǎn)槳葉增加防護(hù)措施。

對于新生產(chǎn)槳葉，建議出廠交付前在每個(gè)襯套的端頭區(qū)域各增加一個(gè)非金屬材料墊圈(如圖6所示)。該墊圈通過膠黏劑與復(fù)合材料槳葉本體粘接，上下墊圈高度仍按原襯套尺寸控制；在增加非金屬墊圈的同時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)降低原金屬襯套高度，并在金屬襯套表面粘接非金屬耐磨防護(hù)膜以隔離鹽霧和酸性大氣。

另外，在復(fù)合材料槳葉全壽命周期內(nèi)，維護(hù)人員需關(guān)注槳根襯套內(nèi)表面的油脂情況，應(yīng)按用戶手冊要求及時(shí)補(bǔ)充以盡可能降低鹽霧和酸性大氣對槳根襯套內(nèi)表面的腐蝕。

3 建議

復(fù)合材料槳葉使用中出現(xiàn)的問題主要集中在槳葉防護(hù)措施上，而非槳葉自身疲勞壽命。工程師在致力于提高復(fù)合材料槳葉壽命的同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注槳葉平均故障間隔時(shí)間這一指標(biāo)，力爭為用戶提供壽命更高、維護(hù)性更好的產(chǎn)品。

工程師可以適時(shí)開展如下幾方面工作：針對用戶手冊，對于不影響使用安全的防護(hù)措施(如槳葉根部和尖部非金屬保護(hù)帶、搭鐵片保護(hù)布等)，及時(shí)增加允許的故障模式并視情放寬修理的時(shí)間限制；針對產(chǎn)品故障信息系統(tǒng)中與防護(hù)相關(guān)的問題，在新產(chǎn)品的研發(fā)中一定要有針對性地提出具體改進(jìn)措施；針對防護(hù)涂層，要開展綜合防護(hù)性能更加優(yōu)異的復(fù)合型多功能新涂層的研究；前緣包鐵輔助槳葉防除冰作用方面，需開展超疏水材料表面制備技術(shù)應(yīng)用于槳葉前緣包鐵的探索性研究。