一起典型主槳葉大梁裂紋故障的分析與處理

楊華高，洪海華

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

某型機(jī)主槳葉為全金屬膠接的結(jié)構(gòu)，主要由接頭、壓力信號器、翼尖、鋁合金整體大梁和23塊后段件膠接而成。大梁是主要承力件，為鋁合金“D”型空心擠壓型材，經(jīng)機(jī)械加工后扭轉(zhuǎn)成形。為監(jiān)測該機(jī)槳葉大梁在使用過程中產(chǎn)生的穿透性裂紋，對大梁內(nèi)腔充提純氮?dú)猓⒂脡毫π盘柶鳈z測大梁內(nèi)腔的壓力。一旦大梁產(chǎn)生穿透性裂紋，氮?dú)庑孤叮罅簝?nèi)腔壓力下降，壓力信號器就會顯示紅色帶。

壓力信號器正常情況下顯示黃色帶，當(dāng)紅色帶出現(xiàn)，則說明主槳葉大梁內(nèi)腔壓力下降超過了允許的極限值或壓力信號器自身出現(xiàn)故障。造成主槳葉大梁內(nèi)腔氮?dú)庑孤兜脑蛑饕袃蓚€(gè)：一是主槳葉大梁有穿透性裂紋；二是主槳葉本身密封結(jié)構(gòu)漏氣。

1 故障發(fā)生過程

某型機(jī)主槳葉連續(xù)三天發(fā)生飛行后壓力信號器顯示紅色帶的故障，該片槳葉拆下后送修理廠進(jìn)行檢查。

1)充氣至1.0bar，做五天的保壓密封檢查，五天后氣壓降至0.9bar，檢查槳葉尖部密封、根部密封均未發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象；

2)充氣至1.0bar，做下翼面的彎曲試驗(yàn)并對槳葉尖部密封、根部密封進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，兩天后氣壓為1.0bar；

3)做上翼面彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓力信號器顯紅，壓力降至0bar；

4)再次充氣至1.0bar，重復(fù)進(jìn)行上翼面彎曲試驗(yàn)，再次發(fā)現(xiàn)壓力信號器顯紅，氣壓為0bar；

5)再次充氣至1.0bar，在彎曲狀態(tài)下對大梁進(jìn)行觸摸檢查，發(fā)現(xiàn)大梁下翼面第12塊后段件處有明顯漏氣觸感，檢查發(fā)現(xiàn)有一不明顯橫向裂紋，長度約37.5mm，后經(jīng)超聲波檢查確定為裂紋，見圖1。

圖1 主槳葉裂紋

2 故障分析與處理

2.1 故障原因

故障槳葉送返制造廠后，對其裂紋部位進(jìn)行了X光檢查，檢查結(jié)果表明，在裂紋中部發(fā)現(xiàn)高密夾雜(異物)一個(gè)，長徑3mm。該夾雜(異物)部位形成疲勞源，使用過程中，大梁在載荷的作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展并形成穿透性裂紋。飛行過程中，槳葉向上揮舞，大梁下翼面受到拉應(yīng)力的作用，穿透性裂紋斷口張開，氮?dú)庑孤兑鸫罅簝?nèi)腔壓力下降，壓力信號器顯示紅色帶。對槳葉進(jìn)行彎曲地面試驗(yàn)(見圖2)[1]：當(dāng)上翼面向上時(shí)，在槳葉自重及掛載重物的作用下，下翼面承受拉應(yīng)力，裂紋張開，氮?dú)庑孤叮瑝毫π盘柶黠@示紅色帶；當(dāng)下翼面向上，在槳葉自重及掛載重物的作用下，槳葉下翼面承受壓應(yīng)力，裂紋斷口受到擠壓，氮?dú)獠粫l(fā)生泄露，壓力信號器顯示出黃色帶(正常壓力情況下顯示黃色帶)。

圖2主槳葉彎曲試驗(yàn)

對裂紋斷口進(jìn)行解剖，呈現(xiàn)出典型的裂紋擴(kuò)散破壞形式，夾雜及裂紋擴(kuò)展如圖3所示。

2.2 影響分析

大梁承載主槳葉使用過程中產(chǎn)生各類載荷，受力狀況比較嚴(yán)酷。為了保證主槳葉使用的安全，生產(chǎn)過程中需要對大梁進(jìn)行機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率)檢查、高低倍(粗晶環(huán)、氧化膜、過燒)檢查、內(nèi)表面(夾渣、腐蝕、裂紋、起皮和橫向劃傷等)檢查、超聲波檢查、型材電導(dǎo)率檢測，嚴(yán)格控制槳葉大梁的質(zhì)量[2]。

大梁裂紋發(fā)生及其擴(kuò)展是一個(gè)緩慢的過程，當(dāng)裂紋擴(kuò)展并最終穿透大梁壁時(shí)，大梁內(nèi)的純氮?dú)鈱l(fā)生泄露，當(dāng)內(nèi)腔壓力下降到一定數(shù)值的時(shí)候，槳葉壓力信號器顯示從黃色帶轉(zhuǎn)換為紅色帶，實(shí)現(xiàn)對槳葉大梁內(nèi)腔氣體壓力變化的監(jiān)測。

由于大梁裂紋的擴(kuò)展是一個(gè)漸進(jìn)的過程，在這一過程中，為了及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋，維護(hù)文件規(guī)定了在飛行前、飛行后、安全檢查及定檢時(shí)對槳葉壓力信號器進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)壓力信號器顯紅色帶的情況，按照維護(hù)手冊的要求，旋翼不能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對槳葉壓力信號器、大梁內(nèi)腔密封結(jié)構(gòu)、大梁穿透性裂紋等進(jìn)行詳細(xì)檢查，找出導(dǎo)致壓力信號器顯紅色帶的原因，從而可以保證槳葉的安全[3]。

3 采取的措施與效果驗(yàn)證

1)為從源頭上預(yù)防由于夾雜引起的大梁裂紋故障，大梁毛坯生產(chǎn)單位加強(qiáng)大梁生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，更換新型鑄錠熔煉設(shè)備，改善作業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

2)在維護(hù)手冊站位檢查內(nèi)容中明確要求對主槳葉壓力信號器進(jìn)行功能檢查，確保壓力信號器工作正常，保證能夠?qū)Υ罅捍┩感粤鸭y進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警；同時(shí)，維護(hù)手冊對壓力信號器顯紅色帶后的檢查程序進(jìn)行了補(bǔ)充完善，增加了上、下翼面的彎曲試驗(yàn)，保證大梁裂紋能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

3)為了對故障主槳葉大梁出現(xiàn)37.5mm橫向穿透裂紋后的剩余強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證并給出發(fā)生37.5mm橫向穿透裂紋后大梁的裂紋擴(kuò)展壽命，將故障主槳葉帶裂紋大梁改造成試驗(yàn)件(見圖4)，進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)(見圖5)。

圖3 夾雜及裂紋擴(kuò)展

圖4 裂紋大梁試驗(yàn)件

圖5 裂紋大梁試驗(yàn)件安裝

結(jié)果表明：

1)該片主槳葉出現(xiàn)貫穿裂紋長度為37.5mm時(shí)，其剩余強(qiáng)度仍能滿足靜強(qiáng)度要求；

2)該片主槳葉出現(xiàn)37.5mm貫穿裂紋后仍有4.67飛行小時(shí)(99.9%可靠度)和6.66飛行小時(shí)(99%可靠度)的使用壽命；

3)從可檢穿透裂紋6mm開始，主槳葉大梁在使用載荷譜下裂紋擴(kuò)展至37.5mm時(shí)的裂紋擴(kuò)展壽命為10.12飛行小時(shí)(99.9%可靠度)和14.23飛行小時(shí)(99%可靠度)，可以保證直升機(jī)單個(gè)架次的安全飛行。

4 結(jié)論

通過對裂紋產(chǎn)生的原因以及裂紋對槳葉安全的影響、使用維護(hù)措施等方面的分析，結(jié)合裂紋大梁的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)和裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的結(jié)論，使用過程中通過壓力信號器可以有效地對大梁穿透性裂紋進(jìn)行監(jiān)測，可以保證槳葉的安全，同時(shí)大梁毛坯生產(chǎn)過程應(yīng)加強(qiáng)工藝過程控制和檢測。