直升機(jī)槳葉加熱組件可靠性試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

孟 雷，陳沛君，古應(yīng)運(yùn)，洪海華

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

現(xiàn)代直升機(jī)要求能夠全天候飛行，在面對(duì)結(jié)冰云霧時(shí)，直升機(jī)槳葉需要安裝可靠的旋翼防除冰系統(tǒng)[1]。在各種直升機(jī)防除冰方法中，電加熱防除冰系統(tǒng)是最成熟的一種旋翼防除冰方式，已經(jīng)成功應(yīng)用于UH-60、NH-90等多型國(guó)外直升機(jī)。劉搏[2]提出了國(guó)內(nèi)直升機(jī)旋翼防除冰電控子系統(tǒng)一套完整的地面驗(yàn)證方案，達(dá)到了驗(yàn)證產(chǎn)品功能、考核系統(tǒng)性能以及為系統(tǒng)改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)的效果。陳龍等[3]提出了旋翼防除冰組件包鐵表面涂覆石墨烯涂層改性傳熱性能的方法，搭建了防除冰涂層傳熱試驗(yàn)平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)油性石墨烯涂層防除冰性能優(yōu)于水性石墨烯涂層。任智勇等[4]在不同液態(tài)水含量和大氣溫度下，開(kāi)展了直升機(jī)旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣道防除冰系統(tǒng)在結(jié)冰環(huán)境中相互影響的研究，結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)受旋翼旋轉(zhuǎn)影響較大。針對(duì)直升機(jī)噴灑塔試驗(yàn)，王之瑞等[5]討論了防除冰系統(tǒng)噴灑塔的試驗(yàn)方法、注意事項(xiàng)，并給出噴灑塔試驗(yàn)的部分試驗(yàn)結(jié)果。張彈琴等[6]介紹了一種直升機(jī)防除冰試驗(yàn)云霧控制系統(tǒng)。楊常衛(wèi)等[7-8]結(jié)合超疏水表面材料的特點(diǎn)，探討了超疏水表面材料在槳葉電熱防除冰系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性；另外，詳細(xì)介紹了黑鷹直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)的發(fā)展歷程和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)比了黑鷹直升機(jī)防除冰系統(tǒng)的發(fā)展演變，為防除冰系統(tǒng)的研制提供了方向。劉偉光等[9]通過(guò)比較國(guó)外民用直升機(jī)防/除冰系統(tǒng)的鑒定方法和特點(diǎn)，提出了一些針對(duì)國(guó)產(chǎn)直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)適航審定方法的建議。傅見(jiàn)平等[10]通過(guò)合理設(shè)計(jì)加熱組件加熱熱流密度大小及分布和加熱時(shí)間控制律，實(shí)現(xiàn)了電熱除冰系統(tǒng)能源的高效利用，為加熱組件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方向。防除冰加熱元件一般使用銅鎳合金材料，胡誠(chéng)等[11]研究了鎳銅合金棒材裂紋的弱磁檢測(cè)，有效檢出了鎳銅合金微米級(jí)裂紋缺陷，為加熱元件的初始缺陷檢測(cè)提供了一種新方法。機(jī)載供電系統(tǒng)通過(guò)電連接器組件為槳葉加熱組件供電，魏振偉等[12]總結(jié)了電連接器組件典型失效模式特征及原因，為防除冰系統(tǒng)電路可靠性提升和故障排除提供了新思路。目前，國(guó)內(nèi)在防除冰加熱組件電路可靠性方面還沒(méi)有研究，本文利用共振原理設(shè)計(jì)加熱組件可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，解決加熱電路的可靠性問(wèn)題。

旋翼防除冰系統(tǒng)主要包括主尾槳葉加熱組件、結(jié)冰探測(cè)器、控制器和配電器等（圖1）。槳葉加熱組件是旋翼防除冰的重要組成部分，安裝于直升機(jī)槳葉前緣，通過(guò)電加熱除去槳葉表面結(jié)冰。槳葉加熱組件在承受旋翼槳葉的離心力以及周期性揮舞擺陣變形的同時(shí)，還要受到溫度變化引起的熱載作用。因此需要研究加熱組件電路在周期性振動(dòng)和熱載荷作用下的結(jié)構(gòu)可靠性。如果使用全尺寸槳葉帶加熱組件進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，則試驗(yàn)件尺寸大、試驗(yàn)頻率低、成本高、速度慢、周期長(zhǎng)，無(wú)法快速考核加熱組件可靠性。

本研究根據(jù)直升機(jī)加熱組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況，利用粘接加熱組件的復(fù)合材料平板一階彎曲共振變形，設(shè)計(jì)加熱組件可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證加熱組件的可靠性，為加熱組件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供方向，發(fā)現(xiàn)焊接位置附近結(jié)構(gòu)可靠性情況，驗(yàn)證改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 加熱組件結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

1.1 加熱組件結(jié)構(gòu)

直升機(jī)槳葉加熱組件主要由前緣包片、橡膠、加熱電路、編織導(dǎo)線和導(dǎo)線等結(jié)構(gòu)組成。其中，前緣包片用于防止砂石沖擊破壞加熱組件，橡膠用于支撐固定加熱組件電路。為了降低功率，槳葉加熱組件一般沿槳葉弦向和展向分成多個(gè)分區(qū)[13]（圖2）。加熱電路分區(qū)之間、編織導(dǎo)線與分區(qū)電路之間使用焊接連接。加熱電路和編織導(dǎo)線是可伸縮結(jié)構(gòu)，具有一定彈性，可在一定范圍內(nèi)隨槳葉一起變形。通電時(shí)，回形電路發(fā)熱通過(guò)橡膠傳到槳葉前緣，除去槳葉表面結(jié)冰。

1.2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

加熱組件結(jié)構(gòu)剛度低，無(wú)法單獨(dú)進(jìn)行加載試驗(yàn)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)合材料平板模擬槳葉，設(shè)計(jì)包含全部典型結(jié)構(gòu)的加熱組件試驗(yàn)件，將試驗(yàn)件粘接在復(fù)合材料平板上，隨平板一起振動(dòng)。通過(guò)復(fù)合材料平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)整試驗(yàn)頻率，降低試驗(yàn)成本。本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的加熱組件試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，試驗(yàn)件考核位置布置有焊接結(jié)構(gòu)、分區(qū)電路和編織導(dǎo)線等。為了防止試驗(yàn)區(qū)外先破壞，試驗(yàn)件設(shè)置有非粘接區(qū)，不粘接到復(fù)合材料平板表面。

圖3 加熱組件試驗(yàn)件Fig.3 Heating materials assembletest speciman

2 可靠性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

利用共振原理，使用加速試驗(yàn)的方法考核加熱組件的可靠性。試驗(yàn)方法為：使用激振器激振粘接加熱組件試驗(yàn)件的復(fù)合材料平板，調(diào)整激勵(lì)頻率使復(fù)合材料平板在一階揮舞頻率下振動(dòng)；調(diào)整激振器振幅以保證復(fù)合材料平板表面的加熱組件應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)值，在平板振動(dòng)的同時(shí)，按照一定的時(shí)間比例對(duì)加熱組件通電加熱，功率密度與槳葉上一致，監(jiān)控電路通斷情況可以給出電路可靠性壽命；試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量加熱組件的溫度，保證加熱組件工作時(shí)的溫度在合理安全的范圍內(nèi)。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Experimental system structure sketch map

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)功能的不同，將可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)劃分為3個(gè)組成部分：1）復(fù)合材料平板振動(dòng)與激振控制系統(tǒng)；2）加熱組件加熱電路和溫度控制系統(tǒng)；3）數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)，包含應(yīng)變數(shù)據(jù)、振動(dòng)數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)。圖5為試驗(yàn)系統(tǒng)主要組成部分原理框圖。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖Fig.5 Experimental system schematic diagram

試驗(yàn)時(shí)，將2件相同的加熱組件試驗(yàn)件對(duì)稱(chēng)粘接到一塊復(fù)合材料矩形板表面上，試驗(yàn)件上留有部分非粘接區(qū)域，加熱組件供電線纜從平板中間引出連接到供電系統(tǒng)。調(diào)整激振器頻率，激勵(lì)復(fù)合材料平板在一階彎曲模態(tài)下激勵(lì)至共振狀態(tài)，共振時(shí)的振型見(jiàn)圖6。復(fù)合材料平板長(zhǎng)1400 mm、寬200 mm、厚31 mm，由玻璃纖維布模壓成型。試驗(yàn)測(cè)得粘接加熱組件的復(fù)合材料平板固有頻率為31 Hz，在一天內(nèi)將累積超過(guò)100萬(wàn)次應(yīng)變循環(huán)。

圖6 復(fù)合材料平板一階彎曲模態(tài)Fig.6 First bending modeof composite plate

加熱組件內(nèi)部設(shè)置有溫度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量其內(nèi)部溫度。如果測(cè)得的溫度最大值等于或高于設(shè)定上限值（70℃），供電柜中加熱控制器停止給試驗(yàn)件中所有加熱元件供電；當(dāng)溫度傳感器測(cè)得的溫度最小值低于下限值（50℃），加熱控制器將恢復(fù)供電。

復(fù)合材料平板上設(shè)置有加熱速計(jì)，可監(jiān)測(cè)振動(dòng)時(shí)復(fù)合材料平板垂直方向的加速度，反饋平板的振動(dòng)狀態(tài)。一旦振動(dòng)加速度發(fā)生異常，可及時(shí)停止試驗(yàn)。本試驗(yàn)中，加速度計(jì)位置的實(shí)測(cè)加速度約為±500 m/s2。

2.2 試驗(yàn)件應(yīng)變加載

根據(jù)槳葉應(yīng)變計(jì)算，加熱組件應(yīng)變載荷要求為（1.30±0.84）μm/mm。

試驗(yàn)件振動(dòng)時(shí)受到±0.84μm/mm的動(dòng)應(yīng)變，為了施加靜應(yīng)變1.30μm/mm，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的加載工裝，如圖7所示。在加熱組件粘接之前，先將復(fù)合材料平板壓彎，然后將加熱組件試驗(yàn)樣本粘貼到復(fù)合材料平板上，移除壓彎裝置后，靜應(yīng)變就施加到加熱組件試驗(yàn)件上。

圖7 試驗(yàn)件靜應(yīng)變加載示意Fig.7 Static strain loading of the test speciman

試驗(yàn)時(shí)，圖8中的應(yīng)變片1、應(yīng)變片2的靜應(yīng)變達(dá)到1.30μm/mm，動(dòng)應(yīng)變達(dá)到±0.84μm/mm。根據(jù)復(fù)合材料平板的一階彎曲振型可知，加熱組件不同位置受到的應(yīng)變載荷不一致。在復(fù)合材料平板的中間位置應(yīng)變最大，兩端應(yīng)變最小。這種應(yīng)變分布特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)計(jì)和考核樣本的性能評(píng)估。在加熱組件兩端和考核位置均設(shè)置有應(yīng)變片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱組件試驗(yàn)件區(qū)域應(yīng)變的監(jiān)控。

圖8 試驗(yàn)件應(yīng)變貼片F(xiàn)ig.8 Strain gaugeon thetest speciman

2.3 試驗(yàn)件熱加載

加熱組件供電電源采用單相交流電源，電壓可調(diào)節(jié)范圍為0～50 V，電流變化范圍為0～35 A。試驗(yàn)件的單側(cè)加熱組件采用單相交流電路，單側(cè)加熱電路全部串聯(lián)，對(duì)稱(chēng)兩側(cè)加熱組件通過(guò)并聯(lián)方式接入供電電路。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路破壞時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)每10 h對(duì)電路進(jìn)行檢查，在第5 h時(shí)檢查，相繼出現(xiàn)斷路。對(duì)斷路位置進(jìn)行初步檢查發(fā)現(xiàn)，部分電路的斷開(kāi)位置在焊接點(diǎn)附近。

試驗(yàn)繼續(xù)加載至284.5 h，循環(huán)次數(shù)約3100萬(wàn)次，達(dá)到直升機(jī)主槳葉飛行2000 h的振動(dòng)次數(shù)。繼續(xù)加大振動(dòng)臺(tái)加速度幅值，每振動(dòng)30 h增加20%激振載荷，共進(jìn)行7組升載共210 h。升載完成后，其余電路均未發(fā)生斷路，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)加熱組件電路通斷情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)加熱組件電路通斷Table1 Final situations of electric circuit break time

為了準(zhǔn)確確定斷路位置，查看金屬電路斷路裂紋。加熱表面橡膠，剔除表面焦化橡膠，斷路裂紋清晰可見(jiàn)（圖9紅圈所示）。進(jìn)一步檢查并統(tǒng)計(jì)裂紋，結(jié)果見(jiàn)表1。所有裂紋位置均位于回形電路靠近焊點(diǎn)的第一個(gè)拐彎處。試驗(yàn)件其他結(jié)構(gòu)如回形電路、編織導(dǎo)線和導(dǎo)線，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均未破壞，滿(mǎn)足可靠性指標(biāo)要求。

圖9 電路斷路裂紋位置Fig.9 Failure location of heating electrocircuit

3 加熱組件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

加熱組件裂紋位置的編織導(dǎo)線厚度為0.8 mm，剛度相對(duì)較大，而回形加熱電路的厚度為0.1 mm，剛度相對(duì)較小。因此，電路產(chǎn)生裂紋的原因可能是焊點(diǎn)位置過(guò)渡到分區(qū)電路時(shí)剛度變化劇烈，在應(yīng)變載荷作用下，回形加熱電路靠近焊點(diǎn)位置形成應(yīng)力集中，發(fā)生提前破壞。根據(jù)這種破壞形式，對(duì)加熱組件焊接位置提出以下改進(jìn)設(shè)計(jì)：縮小焊點(diǎn)區(qū)域，錯(cuò)開(kāi)焊接邊緣，降低剛度變化；同時(shí)，鋪放編織導(dǎo)線時(shí)盡量縮短長(zhǎng)度，使其沿長(zhǎng)度方向有可變形的余量，如圖10所示。將改進(jìn)后的加熱組件焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)件，再次進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果表明，新型焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)可靠，可以滿(mǎn)足加熱組件飛行2000 h的振動(dòng)次數(shù)要求。

圖10 電路改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig.10 Optimiztion of heating electrocircuit

4 結(jié)論

1）加熱組件可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)加熱組件可靠性考核，為直升機(jī)加熱組件的可靠性考核提供一種解決方案。

2）槳葉加熱組件加熱電路、焊接點(diǎn)、編織導(dǎo)線和導(dǎo)線經(jīng)驗(yàn)證遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足可靠性要求。

3）靠近焊接位置的加熱電路可靠性較低，焊點(diǎn)位置局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。