某型直升機尾減速器從動機匣腐蝕故障分析及預防對策研究

李宗原,李健,石金大,高延達,沈軍

(總參陸航研究所,北京200240)

某型直升機尾減速器從動機匣腐蝕故障分析及預防對策研究

李宗原,李健,石金大,高延達,沈軍

(總參陸航研究所,北京200240)

摘.要.目的分析某型直升機尾減速器從動機匣腐蝕故障原因,建立預防該類腐蝕故障問題的處理方法。方法通過腐蝕故障機基本信息分析,腐蝕故障部位結構、材料和腐蝕形貌分析,得出腐蝕故障原因,采取“原位”處理方式建立該類腐蝕故障處理方法。結果某型直升機尾減速器從動機匣安裝面有異種金屬接觸和凹陷型結構,并承受交變載荷,易發生腐蝕故障,部隊外場維護只能通過檢查和監控延緩腐蝕進程,解決該問題需通過“濕裝配”的密封劑處理技術和螺栓表面防護加強方法。結論采取機上原位進行尾減速器從動機匣螺栓固定端面“濕裝配”密封處理和螺栓外表面防護涂層加強處理,能夠防止電解液進入螺栓固定端面和螺栓孔內部,達到腐蝕預防的目的。

直升機;尾減速器從動機匣;腐蝕

尾減速器是直升機的重要傳動部件,其主要工作方式是減速和轉向,將由中減速傳遞過來的垂直、縱向扭矩轉化為橫向扭矩,傳遞給尾槳葉,轉化為對抗主槳葉旋轉阻力的力矩,從而穩定機身航向[1]。某型直升機是目前現役的主要運輸類直升機,其尾減速器通過從動機匣上的安裝螺栓固定在尾斜梁上,飛行中該固定端面承受巨大的交變載荷,對于飛行非常關鍵。大修廠在對送修的06,07,08等3架直升機尾減速器的故障檢查中發現,3臺尾減速器從動機匣均存在嚴重的腐蝕故障,超出修理標準,作報廢處理。該問題引起了部隊的高度重視,由本課題組開展相關問題研究,對以上3架直升機尾減速器的腐蝕故障進行調研,分析腐蝕故障原因,制定預防措施。

1　尾減速器從動機匣腐蝕故障原因分析

1.1腐蝕故障基本情況

1.1.1直升機基本信息

3架直升機基本情況見表1,均為第3次翻修。其中07,08因總使用時間達到最高日歷壽命年限,分別于2010年1月、2008年11月交付修理廠,至2012年底新技術通報下達前,長期在該廠試飛站露天停放。停放期間,修理廠未對其進行維護,全機存在普遍、嚴重的腐蝕狀況。06因到達1500飛行小時交付修理廠翻修,無長時間停放問題。

表1　直升機基本信息表Table 1 Basic information of the helicopter

1.1.2腐蝕部位及基本形貌

尾減速器從動機匣結構及腐蝕部位如圖1所示。經腐蝕部位外觀檢查,該類腐蝕故障為尾減從動機匣(如圖2所示)12個固定螺栓孔φ10.8 mm安裝孔端面及φ10.8 mm安裝孔內壁(如圖1所示)出現腐蝕坑,該部位螺栓安裝如圖3所示。

圖1　尾減速器從動機匣結構及腐蝕部位示意Fig.1 Diagram of tail gearbox casing assembly structure and the corrosion site

圖2　尾減速器從動機匣外觀Fig.2 Appearance of the tail gearbox casing assembly

由圖3和圖4可以看出,未清理的腐蝕坑表面隆起蓬松的白色腐蝕產物,腐蝕坑主要分布在安裝孔端面螺栓固定墊片外圈和螺栓安裝孔內壁。其中安裝孔端面螺栓固定墊片外圈為螺栓安裝配合面,屬于關鍵承力位置,修理工藝中規定腐蝕坑深度不能大于1 mm,實測腐蝕坑最深達到2.5 mm。螺栓安裝孔內壁為非配合面,工藝規定腐蝕深度不能大于3 mm,面積不大于3 cm2,數量不超過5處,實測該位置腐蝕坑最深約3.5 mm,腐蝕面積基本布滿螺栓孔內壁,面積和數量遠超過工藝規定的限制。

圖3　從動機匣螺栓安裝示意Fig.3 Casing assembly fitting diagram

圖4　從動機匣螺栓安裝面腐蝕Fig.4 Casing assembly bolt fitting surface corrosion

按照修理工藝規定,尾減速器從動機匣出現腐蝕坑的位置可采取打磨的方式處理,不允許采用焊接的方式進行修補,對于超出修理工藝規定的嚴重腐蝕件作報廢處理。

1.2腐蝕原因分析

通過腐蝕形貌分析,可以判定該腐蝕屬于金屬電偶腐蝕類型。通常情況產生金屬電偶腐蝕的3個必要條件為:不同的金屬之間要存在電位差;具有不同電位的金屬要相互接觸;相互接觸的金屬共存于電解液中。這3個條件是造成電化學腐蝕的充分必要條件,缺一不可[2—5]。

經分析,尾減速器這起腐蝕故障主要原因如下[6—10]。

1)異種材料間存在大電位差。尾減速器從動機匣所用材料為鑄鎂5(MΛ5)(標準電位為-2.31 V),螺栓、墊片所用材料為合金鋼表面鍍鎘鈍化(標準電位為-0.40 V),兩種材料間存在較大的電勢差。

2)長期使用防護涂鍍層破壞,兩種金屬材料接觸。尾減速器外表面的腐蝕防護設計采用一層鋅黃底漆、一層面漆的處理方式,大修中先對固定端面噴漆,而后安裝螺栓,最后對螺栓外表噴漆。其中,螺栓固定墊片下的漆層在直升機的使用過程中長期受到周期性的擠壓、剪切載荷作用,易產生破損;尾減螺栓安裝孔內壁不利于噴漆施工,往往漆層附著力較低,防護性能較差,漆層破損后形成異種金屬接觸。

3)凹陷形結構易形成電解液。尾減速器從動機匣安裝端面為凹陷形結構,如圖2所示。易在降雨后形成積水,安裝端面表面腐蝕防護漆層發生破損后,潮濕空氣、積水易滲入到螺栓與尾減從動機匣接合面、螺栓孔內部,溶解機體表面雜質和空氣中SO2等酸性氣體后,形成電解液。

以上3點是造成尾減速器從動機匣固定螺栓安裝部位腐蝕的原因。

1.3腐蝕趨勢預測

經大修情況統計,2009年至2013年進某廠大修的某型直升機為144架次,其中第3次翻修直升機46架次。共發現尾減從動機匣出現腐蝕故障22架次,占總大修架次的15.3%,其中21架次為第3次翻修,占第3次翻修直升機架次數的45.7%。目前,大量的某型直升機處于第2次翻修與第3次翻修之間,尾減速器從動機匣腐蝕程度隨使用日歷期的增加而快速發展。在第2次翻修時,部分機匣腐蝕深度接近1 mm的報廢標準,如不采取有效的腐蝕防護措施,預計未來5～10年大修中因腐蝕造成尾減速器報廢率將大幅上升。一架某型直升機第3次翻修尾減速器從動機匣因腐蝕超標造成尾減速器報廢情況如圖5所示。

1.4腐蝕危害性分析

主要危害包括以下兩個方面。

圖5　報廢直升機尾減從動機匣Fig.5 Scrapped helicopter tail gearbox casing assembly

1)危及飛行安全。尾減速器從動機匣安裝部位屬于直升機重要的結構承力部位,承受尾槳拉力及振動載荷。腐蝕坑將導致該部位承載面積減小,結構強度下降,同時腐蝕坑將導致應力集中,進而產生裂紋,形成疲勞源疲勞性能下降,危及飛行安全。

2)造成重大經濟損失。該系列直升機屬于引進機型,從動機匣不單獨訂貨,只能以整件尾減速器的形式訂購,從動機匣12個固定螺栓孔中任意一個部位腐蝕深度超過1 mm,將造成整件尾減速器的報廢。如果不進行及時有效的腐蝕預防工作,以尾減機匣第3次大修腐蝕報廢率20%計算,一個小小的腐蝕坑將帶來巨大的經濟損失。

2　尾減速器從動機匣腐蝕防護的對策與措施

以上分析的造成尾減速器從動機匣腐蝕故障原因均屬于設計上的薄弱環節,從部隊外場的維護角度僅能通過加強檢查與擦拭,監控和減緩腐蝕的發展,無法根除該類問題。

經分析,在不改變尾減速器從動機匣材料、結構、現有防腐體系的前提下,采取機上原位進行尾減速器從動機匣螺栓固定端面“濕裝配”密封處理和螺栓外表面防護涂層加強處理,能夠防止電解液進入螺栓固定端面和螺栓孔內部,達到腐蝕預防的目的。

2.1初選密封劑和表面附加防護層

1)初選密封劑。針對目前防腐蝕體系中螺栓固定墊片下的漆層在直升機的使用過程中長期受到周期性的擠壓、剪切載荷作用易產生破損的問題,采用“濕裝配”工藝,以“不干型”密封膠對安裝配合面進行處理,提高該部位防腐蝕體系的密封性能及復雜應力環境下的耐久性。

經調研,目前性能滿足使用需求且成熟應用的“不干型”密封膠有2種:PRC-DeSoto公司生產的Mastinox 6856k防銹劑(俗稱黃膠,該產品符合MILP-8116B標準);北京航空工程技術研究中心研制的JMF型密封膠。6856k防銹劑是進口產品,在直-9系列直升機上廣泛應用。JMF型密封膠已在的某型固定翼飛機上得到推廣應用,解決了中央翼與中央翼、中央翼與中外翼、中外翼與外翼對接部位5塊蓋板下以及水平尾翼與機身對接部位4塊小蓋板下螺栓槽存在積水問題、油脂損耗和變質現象,進而解決了螺栓槽和螺栓的腐蝕問題。

參照GB/T 5096腐蝕性試驗方法,對以上兩種產品采取銅片腐蝕性測試。結果表明,6856k防銹劑、JMF型密封膠沒有腐蝕性,能夠在尾減從動機匣上使用。

2)初選表面附加防護層。針對目前尾減速器從動機匣安裝面表面漆層破損普遍,為阻止漆層破損后環境中的水、介質進入到螺栓與尾減安裝面之間,形成電化學腐蝕環境,采用固化型密封膠或脫水防銹劑對螺栓外表漆層進行加強,阻止環境中的水、介質進入破損的漆層內部。

經調研,可供采用的固化型密封膠包括空軍某院開發的DMF-1型多組分密封膠,北京航空材料研究院開發的YTF-1水置換型脫水防銹劑。其中水置換型脫水防銹劑可針對發生漆層破損部位進行防腐蝕處理,無需再次裝配。

參照GB/T 5096腐蝕性試驗方法,對以上兩種產品采取銅片腐蝕性測試,結果表明,DMF-1型多組分密封膠、YTF-1水置換型脫水防銹劑沒有腐蝕性,能夠在尾減從動機匣上使用。

DMF多功能密封防護涂料已在某型飛機上推廣應用,被使用在記憶整體油箱壁板、機翼整體油箱區前墻和主梁、搭鐵線連接處等結構部位腐蝕修理中密封防腐處理。YTF-1水置換型脫水防銹劑已在多家民航公司進行推廣應用。

2.2開展機群尾減從動機匣外場腐蝕防護措施

1)在外場條件下對某型直升機尾減速器從動機匣安裝端面腐蝕問題按進行如下處理:原位拆除螺母;打磨清除腐蝕產物,測量并記錄腐蝕深度、腐蝕位置;涂覆密封劑;重新安裝螺母;涂敷表面附加防護層。

2)加強嚴重腐蝕部位監控。對于接近腐蝕損傷容限的從動機匣固定螺栓,結合每年的春夏換季拆開螺母,檢查測量固定端配合面腐蝕深度,記錄腐蝕發展情況,如有必要及時更換尾減。

3)大修廠對大修尾減機匣固定螺栓裝配時,使用密封劑進行螺栓固定端配合面密封處理。

3　結論

1)尾減速器從動機匣腐蝕故障屬于設計的薄弱環節,在外場使用中該部位發生了異種金屬接觸、較大的金屬電勢差和積存腐蝕介質的凹陷結構,從外場維護角度僅能通過加強檢查與擦拭、監控減緩腐蝕的發展,無法根除該類問題。

2)如不采取適當措施,該類腐蝕故障發生比率將在未來5～10年顯著提升。

3)在不改變尾減速器從動機匣材料、結構、現有防腐體系的前提下,采取機上原位進行尾減速器從動機匣螺栓固定端面“濕裝配”密封處理和螺栓外表面防護涂層加強處理,能夠防止腐蝕介質進入螺栓固定端面和螺栓孔內部,達到腐蝕預防的目的。

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Corrosion Failure Analysis and Preventive Measure of a Type of Helicopter Tail Gearbox Casing Assembly

LI Zong-yuan,LI Jian,SHI Jin-da,GAO Yan-da,SHEN Jun
(General Staff Department Army Aviation Institute,Beijing 101121,China)

Objective To analyze the cause for a type of helicopter tail gearbox casing assembly corrosion and to establish a preventive measure.Methods Through the analysis of basic information on corrosion failure,corrosion location structure,material and appearance,we concluded the cause for the corrosion and established the preventive measure with an insitu treatment.Results There were dissimilar metal contact and concave structure on the fitting surface of the type of tail gearbox,and corrosion occurred easily under cyclic loading.The army field maintenance could only delay the corrosion process through inspection and monitoring.To solve the problem,wet assembly of sealant processing techniques and blot surface preventive strengthening were required.Conclusion With in-situ tail gearbox casing assembly fitting surface wet assembly and blot surface preventive strengthening,it was able to prevent electrolyte from infiltrating the fitting hole,and toachieve the purpose of corrosion prevention.

helicopter;tail gearbox casing assembly;corrosion

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.018

TG174

:A

1672-9242(2014)06-0105-05

2014-09-15;

2014-10-24

Received:2014-09-15;Revised:2014-10-24

李宗原(1983—),男,吉林人,碩士,工程師,主要研究方向為直升機可靠性、腐蝕防護等。

Biography:LI Zong-yuan(1983—),Male,from Jilin,Master,Engineer,Research focus:helicopter reliability and corrosion prevention.