基于某直升機主槳葉受壓異響問題的研究

賴勇暉，鄭坤，賴蕭憶，帥京

（昌河飛機工業集團有限責任公司，江西 景德鎮 333000）

直升機旋翼系統中的主槳葉是直升機升力的主要來源。直升機飛行時，槳葉在交變載荷作用下產生持續的氣彈響應，由此帶來的結構振動和疲勞問題直接影響著直升機的安全性[1]，無論是從滿足飛行品質的角度，還是從提高飛行安全方面來分析，槳葉的性能都至關重要[2]。

國產技術經過幾十年的不斷發展，在現有的環境條件下，中國復合材料槳葉生產制造已達到了一定的水平，故障率明顯降低，對于發現故障后的修理和維護也積累了一些經驗；在生產中出現的較小的淺表故障，比如脫粘、掉漆、輕微劃傷等這類容易在例行檢查中發現的問題基本都能夠快速響應、及時地處理；但對于深層次的問題，比如槳葉原材料和槳葉結構制造過程中出現的缺陷，現有的定位和處理能力還有待進一步提高。下面以某直升機生產制造過程中偶然發現的“異常聲響”現象為例，列舉PMI泡沫復材槳葉的故障樹，并運用故障樹，定位“異響”的來源。

1 故障現象

某直升機在地面檢查主槳葉盤槳操作時，按壓某片主槳葉后緣位置，可清晰聽見槳葉內部發出的類似于剮蹭泡沫而產生的“沙沙”聲，對比其他槳葉多數無此現象，因此判斷該槳葉可能存在異常情況。仔細觀察按壓槳葉發現，槳葉外觀無明顯的凹陷、形變，槳葉后緣位置復合材料表面也未出現分層、脫粘、開裂等情況，且上一個飛行架次該架機旋翼系統工作正常。通過分析該架機飛行參數未發現上一架次該直升機旋翼、傳動系統振動數據存在異常，飛行機組反饋飛行中體感無異常振動。

2 原因排查

發現該片槳葉的“異響”現象后，制造方組織工人對已裝機使用的同一生產線、同種生產工藝制造的同型號其他主槳葉逐一進行了針對性檢查，發現部分槳葉也存在同樣的“異響”現象，占總數的7.0%左右。針對該問題小組成員通過激烈的“頭腦風暴分析法”列舉出了一些可能造成槳葉“異響”的原因，如主槳葉的制造工藝、槳葉結構、生產時間等，并對這些可能的原因進行分析、逐一排除影響，最后得出結論。

該型機槳葉使用復合材料“C”形梁多閉腔結構，主要由大梁、加熱組件、蒙皮、加強肋、泡沫芯、后緣條等部分組成，主要結構如圖1 所示[3]。槳葉翼型段前緣安裝加熱組件，在結冰條件下飛行時，通過對主槳葉加熱組件供電，將電能轉化為熱能，除去槳葉前緣包片上的積冰，消除結冰對槳葉的影響。蒙皮由玻璃布和碳布混合鋪設而成，是主槳葉的主要承力構件，提供了主槳葉的主要彎曲剛度和扭轉剛度。加強肋由碳布鋪成，主要為蒙皮提供支撐，提高蒙皮的剝離強度。大梁采用玻璃粗紗預浸單向帶成型，也是槳葉的主要承力結構。泡沫芯作為槳葉內填充物，主要作用是在生產及使用過程中給蒙皮提供壓力支撐，保證槳葉翼型。后緣條由無緯帶構成，提供主槳葉的部分擺振剛度，也提高后緣上下蒙皮的粘接強度。

圖1 主槳葉典型剖面圖

由槳葉的結構、受力分析可知，可能引起槳葉異響的原因主要有粘接劑剮蹭、大梁缺陷、蒙皮缺陷、泡沫芯缺陷，如圖2 所示，具體分析如下。

圖2 槳葉異響的主要原因

2.1 粘接劑剮蹭

槳葉內部泡沫芯為分段填充，由于泡沫芯段原料長度有限，在泡沫芯段與泡沫芯段、泡沫芯段與其余各結構之間會存在縫隙，需要用粘接劑對縫隙進行填充。粘接劑固化后邊緣有可能不光滑，導致粘接劑與泡沫間發生摩擦，造成“異響”。針對這一猜測，將有“異響”的槳葉進行X 光檢查，未見粘接劑邊緣異常突起及銳邊（如圖3 所示），排除粘接劑剮蹭導致異響的可能。

圖3 槳葉粘接位置X 光片

2.2 蒙皮缺陷

槳葉問題中蒙皮缺陷主要存在2 方面的影響：泡沫芯與蒙皮粘接失效導致蒙皮脫粘，泡沫芯與蒙皮發生剮蹭；復合材料蒙皮本身出現缺陷導致異響。蒙皮內部的故障判斷多通過敲擊檢查，利用敲擊棒撞擊槳葉產生的回聲音色判斷是否存在缺陷。蒙皮表面的缺陷多通過目視檢查，并結合激光散斑檢查。

對有異響的槳葉進行敲擊檢查，未發現異常回聲，因此排除蒙皮脫粘的可能性。目視檢查蒙皮無碰傷、劃痕、龜裂，進一步對槳葉進行激光散斑成像檢查，均未見異常，因此排除蒙皮本身出現缺陷導致異響的可能性。綜上，蒙皮缺陷導致異響的可能性被排除。

2.3 大梁缺陷

主槳葉剖面區域圖如圖4 所示。檢查發現，所有“問題”槳葉產生異響的區域均在弦向距后緣1～15 cm范圍內（圖4 中G 區域）。這一區域距大梁較遠。且槳葉大梁采用玻璃粗紗預浸單向帶成型，大梁纖維均為延槳葉展向的長纖維，成型固化后不易出現斷裂，故排除大梁缺陷導致異響的可能。主槳葉平面圖如圖5 所示。

圖4 主槳葉剖面區域圖

圖5 主槳葉平面圖

2.4 泡沫芯缺陷

從生產工藝的角度分析，泡沫芯的材質為PMI泡沫，是聚甲基丙烯酰亞胺形成的閉孔剛性泡沫（泡沫微觀結構如圖6 所示[4]）作為槳葉內腔的填充物，其主要作用是在槳葉模壓與固化成型過程中對槳葉蒙皮、大梁及加強肋提供反向支撐力，以保證蒙皮、大梁及加強肋固化成型，因此泡沫芯存在一定的過盈量[5]。泡沫芯缺陷主要考慮泡沫孔存在破損，受到外力時泡沫間發生相對摩擦產生異響。

圖6 PMI 泡沫微觀結構圖

使用槳葉試驗樣段，在不同位置人為制造泡沫孔缺陷進行故障驗證，在表面施加擠壓力，試樣均出現與異響槳葉相似的“沙沙”聲。槳葉樣段缺陷圖如圖7所示。

圖7 槳葉樣段缺陷圖

3 前期檢查方法及故障產生原因分析

從槳葉的制造工藝和槳葉結構方面分析，結合槳葉樣段的試驗可以推斷出：模壓過程中，為保證復合材料部分固化成型，泡沫芯在為蒙皮、大梁提供反向壓力的過程中其本身也會受壓。此外因為泡沫芯在壓縮過程中存在一定的過盈量，模壓完成后泡沫芯材料的體積會受到壓縮。加之泡沫芯本身材料內部孔隙率及強度本身存在微小差異，導致部分泡沫氣孔受壓后產生界面甚至壓潰。當受到外力的擠壓時，界面和細碎的泡沫孔壁就會因相互接觸而發生摩擦，從而產生“沙沙”聲。

在前期檢查中主要通過激光散斑、槳葉敲擊、X光等方式進行檢查，但均未發現槳葉異常，原因如下：①X 光的檢測原理是當X 射線穿過不同密度的物質時，物質對于X 射線吸收能力有所不同，對顯像處理后的影像明暗分布進行分析判別故障。由于PMI泡沫密度較低，正常位置與缺陷位置密度相差小，導致拍攝X 光后二者顯像區分度較低，無法有效對缺陷情況進行判斷。②由PMI泡沫材料特性可知它還具有較大的聲阻抗，導致聲音散射衰減較大，因此無法通過槳葉敲擊確認缺陷情況。此現象在槳葉樣段驗證過程中得到證實，當損傷位置距離泡沫芯蒙皮較遠時，無法通過敲擊檢查發現泡沫芯損傷；當損傷位置逐漸向蒙皮表面靠近時，槳葉敲擊異響逐漸明顯。因此當損傷的泡沫芯距離蒙皮較遠時，無法通過敲擊檢查發現泡沫芯的損傷，這也是在前期敲擊檢查蒙皮時未發現槳葉內部結構有異常的原因。③激光散斑成像原理是利用激光照射在物體表面，當激光照射在粗糙的物體表面時，物體表面的散射粒子會使入射光發生背向散射，由于不同散射光達到相機成像面的光程度不同，不同散射光之間會在像面上形成隨機干涉現象，在空間分布上表現為明暗變化的顆粒圖樣，即散斑。因此激光散斑僅能通過激光照射物體表面得到成像，也無法有效檢測槳葉內部泡沫芯損傷。綜上所述，判定槳葉異響是由于泡沫芯缺陷引起的。

4 影響分析

從安全性角度進行分析，因為在槳葉疲勞試驗計算過程中將泡沫芯視為空腔，未將泡沫芯強度計算在內，且目前該槳葉各項指標均符合該型主槳葉生產及檢驗技術要求，所以從安全性的角度來看，具有該現象的槳葉均滿足安全性要求，不會對飛行安全和舒適性造成影響。

分析模壓槳葉的結構特點發現，泡沫芯的主要作用是給蒙皮提供支撐力保證翼型穩定及在內部傳導槳葉上下翼面的受力。由于主槳轂的轉動會承受極大的交變載荷，如果泡沫芯本身存在缺陷，后續隨著使用時間的增加，缺陷位置存在延槳葉展向擴展的可能，需監控使用。

5 結束語

PMI泡沫因具有很好的力學性能、耐熱性及化學性，使它在航空槳葉制造方面得到越來越多的應用，人們對該類材料的研究分析需要更加深入。本文所述的現象不是很普遍，可分析案例尚不足，尚且不夠支撐建立一套完善的故障分析方法，只能通過分析該現象的過程，對類似問題的解決思路進行初步探討；目前筆者還缺乏針對性檢測該種材料成品的手段，所以目前還難以總結出該現象后續的詳細影響，只能在后續的使用過程中加強檢查力度，及時排查故障。

為了進一步提高直升機旋翼系統可靠性、為今后發展積累經驗，今后在無損檢測方面，可借鑒PMI泡沫在其他領域應用中的檢測手段，如“空氣耦合超聲法”“超聲脈沖回波法”等[4]，尋找出一種適用于復材槳葉的高效可靠的無損檢測方法；日常維護方面，需加強對此“異響”現象的監控，收集總結該現象的出現及發展規律，期待以后列舉出一套經典全面的槳葉故障分析方法。