直八主桨叶后段件与大梁胶接早期失效分析

2012-09-16王国才

直升机技术 2012年4期

王国才

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西景德镇 333001)

0 引言

2008年某日，海军航空兵某团直八直升机X机在飞行训练时，空中出现较大振动。直升机返航后地面检查发现，一片主桨叶在飞行中第13块后段件(从尖部往根部方向)脱落，故障发生时飞行时间为716小时06分。得知情况后，工厂对在役的36片主桨叶进行了详细检查，发现18片主桨叶的后段件与大梁胶接区存在不同程度的局部开胶现象(如0083 号主桨叶:第4、7、8、9、11、15、16 共7 块后段件尖角与大梁胶接处局部开胶，第13块后段件脱落)。

1 主桨叶的功能及结构

空气中高速转动的主桨叶与气体形成相对运动，使得桨叶上表面产生负压区，桨叶下表面产生正压区，压力的差值提供桨叶向上的气动力。在自动倾斜器的操纵下，旋翼产生一个合力，为直升机提供升力和各类运动状态下的操纵力。

主桨叶由大梁、接头、后段件以及翼尖等部件组成，其中后段件共23块均匀分布在6980mm范围内，每块后段件的宽度为301mm，后段件之间的间隙2.5 mm(均布)。后段件的组成包括蒙皮、翼肋和腹板，采用自力－2胶高温固化胶接。后段件与大梁的三个面连接采用J－40中温固化胶进行胶接，其中上、下面是后段件蒙皮与大梁胶接，后段件腹板是与大梁后壁胶接。第1～8号后段弦长318mm，胶接区 26mm;第 8～14号后段弦长315mm，胶接区 29mm;第 14～23号后段弦长312mm，胶接区32mm。见图1～图3。

图1 主桨叶示意图

图2 主桨叶后段件

图3 后段件与大梁连接示意图

2 失效原因

2.1 故障现象

工厂对返厂的7片主桨叶进行了检查(0083～0085，0100)，并进行了后段件的剥离强度试验，破坏形式为后段件蒙皮与胶粘剂之间的界面破坏，蒙皮上残留的胶瘤较少，且胶层光滑平整(J－40胶大部分残留在大梁上)，说明了后段件蒙皮与J－40中温固化胶的结合力小，且胶接的剥离强度明显降低，部分低于设计值30N/cm(设计要求:主桨叶大梁与后段件蒙皮之间的 90°剥离强度≧ 30N/cm)，详见表1。

表1 主桨叶的胶接剥离强度(N/cm)

2.2 原因分析

在直升机飞行过程中，主桨叶后段件主要承受弯矩及升力、离心力的作用。主桨叶运动过程中，后段件承受着交变载荷，力由后段件与大梁胶接面的J－40中温固化胶承担，此时J－40中温固化胶胶接面受剪切疲劳。J－40中温固化胶胶接面在剪切疲劳载荷作用下，结合力慢慢下降，从而导致胶接面失效。由于后段件与大梁胶接区域的两端为应力集中部位，开胶现象一般是蒙皮两端的尖角处开始出现并扩展。胶接边缘开胶后，在气流作用下后段容易出现撕裂和飞掉。经分析，造成后段件与大梁之间胶接强度下降的主要原因如下:

一是主桨叶胶接体系在大梁和蒙皮铬酸阳极化后没有配套的底胶保护，铝合金氧化膜微孔被污染，导致胶接耐久性差。按航标(HB5339)金属结构胶接质量控制要求，用于结构胶接的铝合金零件铬酸阳极化表面处理后，一般应在8小时内涂底胶保护铝合金胶接面，有效保证胶接质量。主桨叶的生产沿用了研制阶段的二次胶接加温固化生产工艺，先成型后段件(后段件蒙皮、翼肋、腹板之间采用自力－2胶高温固化胶接)，然后后段件与大梁之间采用J－40中温固化胶胶接装配。从装配好的后段件和大梁工艺流程可以看出，经过很多工序，生产周期长。特别是后段件胶接质量的检查采用超声波探伤仪，检测的介质为红油;装配好的大梁在接头与大梁组合钻孔时用油液进行冷却。从上述工艺流程看出，铝合金胶接面的氧化膜微孔被油污和人工搬运污染，表面清洁度达不到一般胶粘规程要求(表面处理后8小时内胶接装配的要求)。在大梁与后段件胶接装配前只能采用脱脂棉或白绸布蘸取汽油、丙酮等溶剂进行表面清洗，氧化膜微孔被污染后很难用一般方法擦洗干净。由于胶接面有污染存在，胶接不牢靠，在长期的飞行过程中，胶接面在剪切疲劳载荷作用下胶接力逐渐下降，导致开胶。

二是后段件蒙皮在与大梁胶接装配前表面清洗质量不稳定，导致后段件与大梁的胶接强度不高。从桨叶的胶接质量检查统计结果来看(返厂修理的主桨叶)，桨叶局部开胶，基本上是在飞行400小时左右出现。也有时间较长的，如0083飞行时间为716小时06分;有的时间短，如0188号主桨叶2005年11月出厂，只飞行了156小时44分就出现了大面积开胶。

3 改进措施

为了提高主桨叶胶接耐久性能，主要对主桨叶的胶接体系进行更改，增加铝合金铬酸阳极化后表面采用喷涂底胶保护。其次改进清洗方法，调整无损检测等工序，降低污染。

3.1 采用喷涂底胶工艺

按HB5339金属结构胶接质量控制要求，用于结构胶接的铝合金零件表面处理后一般应在8小时内涂底胶保护胶接面，使蒙皮表面氧化膜微孔不受污染。关键是如何找到一种合适的底胶，能提高后段件与大梁的胶接耐久性能。目前主桨叶总装时，后段件与大梁之间使用J－40胶进行胶接，必须解决一种底胶，能与后段件上的自力－2胶和大梁上的J－40胶有良好的相容性。为验证喷涂底胶工艺的可行性，进行了大量的工艺试验。从各种试验中选取了主桨大梁上喷涂J－96底胶后贴J－40胶膜，后段件蒙皮铬酸阳极化表面处理后8小时内喷涂J－96底胶，用自力－2进行胶接装配，并加大固化压力到12Nm(弓形夹拧紧力矩)的工艺方案。经工艺试验表明J－96胶与自力－2胶、J－40胶的相容性较好，胶接破坏形式为胶粘剂内聚破坏，是胶接的理想破坏形式，采用喷涂底胶工艺的胶接性能明显改善，胶接剥离强度远高于设计值(90°剥离强度30N/cm)，有效解决了后段件与大梁的胶接耐久性。试验结果见表2。

表2 J－96胶与自力－2胶、J－40胶的胶接性能试验

3.2 改进翼肋清洗方法

后段件与大梁胶接前的表面清洗原工艺为采用汽油、丙酮进行清洗，这种工艺无法保证表面完全清洗干净。改用除油溶液及水清洗后段件翼肋胶接面，用水膜法检查清洗质量，保证胶接面在常温下30S内水膜连续。

3.3 调整工序，尽量避免对胶接面的污染

确保主桨大梁和后段件的表面清洁。一是大梁钻孔后进行大梁铬酸阳极化表面处理(与桨叶接头连接的20个孔)，对表面处理后的主桨大梁进行保护，避免对胶接面的人为污染;二是后段件蒙皮、翼肋、腹板铬酸阳极化表面处理后8小时内喷涂J－96底胶，底胶干燥后用自力－2进行胶接装配。主桨叶装配时，后段件胶接面喷涂J－96底胶，同时大梁胶接面也涂J－96底胶后贴J－40胶膜，并加大固化压力到12Nm。三是超声波检测工序安排在主桨叶总装后进行，后段件胶接质量检查和后段件与大梁胶接检查一并进行，避免红油对后段件胶接面的污染。