某型飛機復合槳葉維修技術研究與應用

樊占鵬，李 夢，陳世章，孫 一，常 川，楊 梅

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

前言

目前，隨著航空航天技術的不斷發(fā)展進步，因復合材料與金屬材料存在物理與力學性能差異，以兩者組成的疊層構件具備輕質、高強等性能優(yōu)勢，而成為該領域的重要應用材料，尤其槳葉作為飛機的核心構件，其材料構成及加工工藝直接影響飛機的機動性，為此，研究該內容具有重要的現(xiàn)實意義。而玻璃纖維復合材料以連續(xù)玻璃纖維及其織物和短切保利纖維增強高聚物為增強體，通過復合工藝制備而成，其融合了玻璃纖維增強材料耐高溫、抗腐、絕緣、機械性等優(yōu)勢，并通過與不同材料組分的復合效應，達到性能互補及協(xié)同，是目前航空飛行器領域中最常用的材料[1]。目前復合材料在航空螺旋槳上面應用廣泛，采用了復合材料槳葉的螺旋槳在提高推重比及降低風噪等方面優(yōu)勢明顯。由于通用航空器通常面臨著作業(yè)環(huán)境惡劣等問題，使得槳葉損傷不可避免，這就涉及到損傷槳葉的維修問題了。目前全球的通用航空器絕大部分安裝的是金屬槳葉的螺旋槳，現(xiàn)有的槳葉維修方法也都是針對金屬槳葉的，這就使得損傷復合材料槳葉在面臨著修復方法無從參考的難點。項目組所在單位運營著國內最大的通航機隊，其中某中教機安裝有兩副復合材料槳葉的螺旋槳。為解決損傷復合材料螺旋槳造成的機隊停場難題，項目組進行課題攻關，通過深入分析槳葉結構，結合實際維修經驗，研究出了一套復合材料槳葉維修技術。

1 結構分析

復合材料槳葉的內部結構對螺旋槳槳葉的關鍵指標影響較大，如槳葉的強度、剛度、疲勞性能、可靠性、重量等。螺旋槳復合材料槳葉結構優(yōu)化的難題有復材槳葉內部結構布局和組成、槳根的可靠性設計方案、槳葉復材鋪層、槳葉重量控制[2]。我院某型中級教練機安裝有兩副螺旋槳，其螺旋槳的槳葉為復合材質，該復合材質槳葉由一個金屬的槳葉根部（即槳柄）及復合槳葉葉身組成。該槳葉葉身中心區(qū)域填充有低密度泡沫，以減輕重量。槳葉內腔的填充物主要對蒙皮起到支撐作用，同時也提供很小一部分的扭轉剛度[3]。其葉身外部由多層壓制而成的復合材料外殼覆蓋，以保證氣動外形，同時也提供了一個氣動載荷傳遞路徑，該路徑直接傳遞到槳柄上，最終作用在槳轂上，來實現(xiàn)對槳葉的固定。另外為了使槳葉重心在規(guī)定范圍內，同時也為了提高強度，槳葉前緣和后緣分別填充有硬質材料，見圖1 和圖2。

另外該復合槳葉在槳柄的中心安裝有一個平衡管，該平衡管一直深入到低密度泡沫的中心區(qū)域。這樣的設計便于在后續(xù)的維修工作中，通過在平衡管中增減配重來實現(xiàn)一副螺旋槳組件中的所有槳葉的重量保持一致。最后該槳葉的表面涂有聚氨酯面漆，可以保護復合材質的表面不受侵蝕和紫外線傷害。

2 復合槳葉典型的損傷及修復方法

在螺旋槳飛機結構的特點以及作業(yè)環(huán)境的因素的影響下，使得螺旋槳槳葉時常遭受到外來物的撞擊。撞擊的外來物有多種，小到跑道砂石，大到工具設備，不同的外來物撞擊所產生的槳葉損傷也不同。另外復合材質槳葉在使用過程中，往往會產生不同部位的脫膠和分層，也會影響結構強度。作為飛機上重要的動力裝置及氣動構件，保障螺旋槳槳葉足夠的結構強度和良好的氣動外形是十分重要的。項目組基于以上兩點原則，結合該型復合材質槳葉的結構特點、過往的維修經驗和槳葉生產廠家的檢查標準，形成了一套針對復合材質槳葉典型損傷的維修方法。

2.1 葉身與槳柄結合處開裂

在槳葉葉身部分與槳柄的結合處，由于兩種部件分屬不同的材質，再加上槳葉根部受力較大，因此時常會遇到葉身與槳柄結合層開裂的情況。這種開裂往往是從表面開始的，因此只要對表面開裂的區(qū)域及時進行修復，就可以避免開裂進一步向內部擴張。根據(jù)槳葉生產廠家的檢查標準，在開裂深度不超過5 mm 的情況下，可以進行修復，具體修復方法如下。

a. 使用氣動打磨工具和60 號的砂帶，打磨掉因裂紋損壞的材料，并在裂紋周圍25 mm 的未開裂區(qū)域內進行光滑過渡處理，見圖3。

b.用丙酮溶劑清潔打磨區(qū)域，并使其晾干。

c. 使用環(huán)氧樹脂對打磨區(qū)域粘貼兩層玻璃纖維，要確保該兩層玻璃纖維的走向相互交叉，并進行烘干。

d.待槳葉完全干燥后，對粘接區(qū)域進行打磨。打磨時盡量少去掉槳葉原始材料。

e.用200 號至400 號砂紙逐級磨砂，直至打磨恢復至槳葉原始外形。

f.目測檢查修復區(qū)域。修復區(qū)域必須光滑，無褶皺、空洞或環(huán)氧樹脂溢出的情況。

g.最后可以參考“硬幣敲擊法”對修復區(qū)域進行檢查。不允許有脫膠或分層。

2.2 葉身表面的分層

由于該復合槳葉的葉身表面由多層的復材粘接壓制而成的，在粘接劑老化失效、紫外線作用或者生產過程中的缺陷等因素影響下，都會造成葉身表面的復合材料的分層。據(jù)槳葉生產廠家的檢查標準，在低密度泡沫沒有明顯損傷，且在分層區(qū)域直徑不超過50 mm 的情況下，可以進行修復，項目組研究出以下修復方法。

a.使用氣動打磨工具和60 號的砂帶，打磨掉因裂紋損壞的材料，在打磨材料時，每打磨0.25 mm 深的損傷材料，就要向下形成一個臺階，見圖4。在打磨的同時也要確保砂布上的磨料不要進入低密度泡沫中。

b.然后用壓縮空氣清潔打磨區(qū)域，以確定損傷完全去除。

c.當損傷已經完全去掉后，或者直至低密度泡沫已經露出來時，就要停止打磨，見圖4。如果泡沫已經露出來了，則觀察泡沫是否有損傷，例如，裂縫、壓碎或凹痕等。如果泡沫損傷了，以下方法就不適用了，只能將槳葉送到原廠家進行修理。如果泡沫狀況正常，且暴露泡沫區(qū)域的直徑不超過40 mm，就可以進行下一步工作。

d.使用丙酮清潔打磨區(qū)域，并使其自然干燥。

e.使用玻璃纖維以90 度交替排列粘貼打磨區(qū)域，并將玻璃纖維一層一層地切剪切成與之前的打磨旋轉區(qū)域相匹配的形狀，按照階梯狀來粘貼見圖4。在粘貼過程中要確保每一層的玻璃纖維的粘接劑的涂抹量要完全飽和，然后再涂下一層。如有必要，可附加涂抹粘合劑，以防止以后出現(xiàn)脫膠或內部空洞現(xiàn)象。

f.最后再額外剪切兩大片玻璃纖維，同樣以90°交替的角度，粘貼修補區(qū)域的最上方。這樣在最終打磨修整之后，會形成一個光滑的修復區(qū)域。

g.使用丙酮清潔修復區(qū)域，并進行烘干。

h.待修復區(qū)域完全干燥后，再次通過硬幣敲擊法進行檢查，以確保無分層。

i.最后對整個修復區(qū)域進行拋光，使修復區(qū)域與周圍區(qū)域光滑過渡。

2.3 槳葉前緣防護套脫膠。

槳葉前緣由于處于迎風面，而且其靠近葉尖距離地面較近，時常會產生由外來物撞擊而形成的損傷，因此槳葉前緣護套就可以對前緣起到很好的保護作用。由于槳葉前緣是粘接到槳葉前緣上的，因此也會存在與葉身表面復合材料相同的脫膠情況。根據(jù)槳葉生產廠家的檢查標準，護套脫膠區(qū)域直徑不超過40 mm 的情況下，可以進行修復，該缺陷的檢查及修復方法如下。

a.使用硬幣敲擊法進行檢查，確定出脫膠的范圍，并用筆劃出輪廓。

b.使用小鏟子輕輕地撬起防護套，并用丙酮清潔該區(qū)域。

c.待該區(qū)域完全干燥后，再次使用小鏟子輕輕地撬起防護套，并將粘接劑塞入防護套的縫隙，并晾干固化。

d.如果脫膠縫隙較大或防護套物理變形較大而翹起時，可使用玻璃纖維來填補脫膠處。將玻璃纖維進行剪切，使其與接縫大小一致。然后使用粘接劑涂抹該玻璃纖維直至飽和。再將其塞入縫隙中。由于防護套變形較大，在固化階段就需要使用工具夾進行固定，同時配以真空袋的使用，以確?？p隙填充徹底。

e.待修復區(qū)域完全固化后，再次使用硬幣敲擊法檢查，以確保無脫膠區(qū)域。

f.最后使用60 號的砂紙，將修復區(qū)域打磨光滑。

2.4 槳葉前緣防護套穿孔

槳葉前緣護套時常會產生由外來物撞擊而形成的損傷，有些輕微損傷，可能會造成護套腐蝕穿孔，或者在遇到質地較硬或者外形尖銳的外來物撞擊時，也可能造成護套擊穿的情況，見圖5。如果不及時處理該擊穿區(qū)域，雨水和灰塵就會進入該區(qū)域，導致?lián)舸﹨^(qū)域進一步加深和擴大，影響結構強度。根據(jù)槳葉生產廠家的檢查標準，穿孔區(qū)域直徑不超過5 mm，且深度不超過8 mm 的情況下，可以進行修復，該缺陷的修復方法如下。

a.使用壓縮空氣對擊穿孔內的雜質進行清除。

b.使用環(huán)氧樹脂對擊穿區(qū)域進行填充，并使其晾干。

c.對復合材料槳葉的待膠接表面，可用細砂紙輕輕打磨槳葉前緣位置，使其粗糙度均勻[4]。使用60 號砂紙，對填充區(qū)域進行砂磨，同時砂磨掉該區(qū)域金屬護套表面的油漆，盡量避免對金屬基體的砂磨。

d.使用丙酮清潔該區(qū)域，并晾干。

e. 使用粘接劑將玻璃纖維粘貼到打磨區(qū)域上，并確保粘接劑涂抹至飽和狀態(tài)。

f.待粘接劑完全固化后，使用80 號砂紙進行打磨光滑，直至與周邊區(qū)域外形一致。

3 總結

在航空航天領域，現(xiàn)已廣泛使用復合材料螺旋槳作為推進系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的金屬螺旋槳相比，復合材料螺旋槳結構需要考慮鋪層數(shù)量與鋪層順序，其設計變量數(shù)目巨大、結構復雜程度更高，相應的其可設計性也更強[5]。目前我國的通用航空市場處于快速增長階段，每年新增的運營的機型中，有相當數(shù)量的飛機是安裝有復合材料螺旋槳。

隨著復合材料螺旋槳的使用時間增加，就不可避免的面臨著損傷槳葉的維修問題。項目組以我院的某中級教練機上安裝的復合材料螺旋槳為例，以該復合槳葉生產廠家的檢查標準為基礎，結合長期復合材料的維修經驗，總結形成了一套針對復合材料槳葉典型損傷的維修方法。項目組目前已經將該方法成功應用在了我院的機隊上，完成了數(shù)片損傷復合材料槳葉的維修工作，使用情況良好。

下一步，項目組計劃對超出槳葉生產廠家檢查標準的損傷槳葉的損傷進行評估，對修復技術進行研究，擬制定一套深度損傷復合材料槳葉維修方案，并進行相關試驗，最終形成一套深度損傷復合材料槳葉維修體系。