一起典型主桨叶大梁裂纹故障的分析与处理

杨华高，洪海华

(1.海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

某型机主桨叶为全金属胶接的结构，主要由接头、压力信号器、翼尖、铝合金整体大梁和23块后段件胶接而成。大梁是主要承力件，为铝合金“D”型空心挤压型材，经机械加工后扭转成形。为监测该机桨叶大梁在使用过程中产生的穿透性裂纹，对大梁内腔充提纯氮气，并用压力信号器检测大梁内腔的压力。一旦大梁产生穿透性裂纹，氮气泄露，大梁内腔压力下降，压力信号器就会显示红色带。

压力信号器正常情况下显示黄色带，当红色带出现，则说明主桨叶大梁内腔压力下降超过了允许的极限值或压力信号器自身出现故障。造成主桨叶大梁内腔氮气泄露的原因主要有两个：一是主桨叶大梁有穿透性裂纹；二是主桨叶本身密封结构漏气。

1 故障发生过程

某型机主桨叶连续三天发生飞行后压力信号器显示红色带的故障，该片桨叶拆下后送修理厂进行检查。

1)充气至1.0bar，做五天的保压密封检查，五天后气压降至0.9bar，检查桨叶尖部密封、根部密封均未发现漏气现象；

2)充气至1.0bar，做下翼面的弯曲试验并对桨叶尖部密封、根部密封进行检查，未发现漏气现象，两天后气压为1.0bar；

3)做上翼面弯曲试验，发现压力信号器显红，压力降至0bar；

4)再次充气至1.0bar，重复进行上翼面弯曲试验，再次发现压力信号器显红，气压为0bar；

5)再次充气至1.0bar，在弯曲状态下对大梁进行触摸检查，发现大梁下翼面第12块后段件处有明显漏气触感，检查发现有一不明显横向裂纹，长度约37.5mm，后经超声波检查确定为裂纹，见图1。

图1 主桨叶裂纹

2 故障分析与处理

2.1 故障原因

故障桨叶送返制造厂后，对其裂纹部位进行了X光检查，检查结果表明，在裂纹中部发现高密夹杂(异物)一个，长径3mm。该夹杂(异物)部位形成疲劳源，使用过程中，大梁在载荷的作用下，裂纹逐渐扩展并形成穿透性裂纹。飞行过程中，桨叶向上挥舞，大梁下翼面受到拉应力的作用，穿透性裂纹断口张开，氮气泄露引起大梁内腔压力下降，压力信号器显示红色带。对桨叶进行弯曲地面试验(见图2)[1]：当上翼面向上时，在桨叶自重及挂载重物的作用下，下翼面承受拉应力，裂纹张开，氮气泄露，压力信号器显示红色带；当下翼面向上，在桨叶自重及挂载重物的作用下，桨叶下翼面承受压应力，裂纹断口受到挤压，氮气不会发生泄露，压力信号器显示出黄色带(正常压力情况下显示黄色带)。

图2主桨叶弯曲试验

对裂纹断口进行解剖，呈现出典型的裂纹扩散破坏形式，夹杂及裂纹扩展如图3所示。

2.2 影响分析

大梁承载主桨叶使用过程中产生各类载荷，受力状况比较严酷。为了保证主桨叶使用的安全，生产过程中需要对大梁进行机械性能(抗拉强度、屈服强度、延伸率)检查、高低倍(粗晶环、氧化膜、过烧)检查、内表面(夹渣、腐蚀、裂纹、起皮和横向划伤等)检查、超声波检查、型材电导率检测，严格控制桨叶大梁的质量[2]。

大梁裂纹发生及其扩展是一个缓慢的过程，当裂纹扩展并最终穿透大梁壁时，大梁内的纯氮气将发生泄露，当内腔压力下降到一定数值的时候，桨叶压力信号器显示从黄色带转换为红色带，实现对桨叶大梁内腔气体压力变化的监测。

由于大梁裂纹的扩展是一个渐进的过程，在这一过程中，为了及时准确地发现穿透性裂纹，维护文件规定了在飞行前、飞行后、安全检查及定检时对桨叶压力信号器进行检查，如果发现压力信号器显红色带的情况，按照维护手册的要求，旋翼不能继续运转，需要对桨叶压力信号器、大梁内腔密封结构、大梁穿透性裂纹等进行详细检查，找出导致压力信号器显红色带的原因，从而可以保证桨叶的安全[3]。

3 采取的措施与效果验证

1)为从源头上预防由于夹杂引起的大梁裂纹故障，大梁毛坯生产单位加强大梁生产各个环节的质量控制，更换新型铸锭熔炼设备，改善作业生产环境。

2)在维护手册站位检查内容中明确要求对主桨叶压力信号器进行功能检查，确保压力信号器工作正常，保证能够对大梁穿透性裂纹进行准确预警；同时，维护手册对压力信号器显红色带后的检查程序进行了补充完善，增加了上、下翼面的弯曲试验，保证大梁裂纹能被及时发现。

3)为了对故障主桨叶大梁出现37.5mm横向穿透裂纹后的剩余强度进行验证并给出发生37.5mm横向穿透裂纹后大梁的裂纹扩展寿命，将故障主桨叶带裂纹大梁改造成试验件(见图4)，进行剩余强度试验和裂纹扩展试验(见图5)。

图3 夹杂及裂纹扩展

图4 裂纹大梁试验件

图5 裂纹大梁试验件安装

结果表明：

1)该片主桨叶出现贯穿裂纹长度为37.5mm时，其剩余强度仍能满足静强度要求；

2)该片主桨叶出现37.5mm贯穿裂纹后仍有4.67飞行小时(99.9%可靠度)和6.66飞行小时(99%可靠度)的使用寿命；

3)从可检穿透裂纹6mm开始，主桨叶大梁在使用载荷谱下裂纹扩展至37.5mm时的裂纹扩展寿命为10.12飞行小时(99.9%可靠度)和14.23飞行小时(99%可靠度)，可以保证直升机单个架次的安全飞行。

4 结论

通过对裂纹产生的原因以及裂纹对桨叶安全的影响、使用维护措施等方面的分析，结合裂纹大梁的剩余强度试验和裂纹扩展试验的结论，使用过程中通过压力信号器可以有效地对大梁穿透性裂纹进行监测，可以保证桨叶的安全，同时大梁毛坯生产过程应加强工艺过程控制和检测。