08 复合材料桨叶黑线问题研究李成5

1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文复合材料桨叶“黑线”问题研究李 成1 李永远2 吴宝昌2 杨 库1（1.中航工业哈飞;2.空军驻哈尔滨地区军事代表室，哈尔滨，150066）摘 要：复合材料桨叶是直升机的关键件，其质量直接影响直升机飞行安全问题。桨叶主要是由复合材料构成，但是在模压桨叶生产过程中，经过无损X光检测，发现复合材料桨叶中出现了“黑线”等质量缺陷，经过对“黑线”的分析论证，对产生原因有初步的认识：缠绕张力不足、不均匀，造型不佳，泡沫压力不均匀。因此提出对桨叶的部件结构和工艺方法的改进，严格控制泡沫质量和造型形态，最终达到消除模压桨叶根部黑线问题的目的。 关键词：桨叶; 聚胶;

2、泡沫压力 1 概述桨叶是直升机的升力系统，提供升力、推进力等，其中桨叶主要是由复合材料制造，桨叶在制造过程中，要适应各种环境和温度变化，难免会出现各种质量问题和故障，其中桨叶的黑线（通过无损X光检测，桨叶内部材料密度不同，在加温成型后，通过与标准底片进行对比，而界定质量缺陷）。通过对比发现桨叶“黑线”在国内外制造的复合材料桨叶中都是存在的，一般而言，桨叶可以视为无限寿命零件使用，在疲劳试验中通过在实验台上加载的方式模拟桨叶在飞行中的状态，通过疲劳试验的次数来确定其使用寿命，进而确定模压桨叶的生产质量，标准的桨叶实验次数一般都在百万次以上，由于桨叶“黑线”存在会降低桨叶的疲劳寿命。2 主桨叶结构

3、简介直九主桨叶是复合材料桨叶，主要使用材料及零件有玻璃纤维预浸料、碳纤维预浸料、聚氨酯保护带、聚醚硬泡沫、金属配重、钢连接衬套、前缘金属包片等等，如图1所示，图中位号9所指为主桨叶大梁带（玻璃纤维预浸带）；位号16所指为聚氨酯泡沫。1）不锈钢前缘包片 2)黄铜整体配重 3)桨根堵盖 4)钢连接衬套 5)根部填块 6)桨根加强层 7)后Z形梁 8)前Z形梁 9)主桨叶大梁 10)调整片 11)后掠桨尖罩 12)静平衡配重固定螺栓 13)动平衡配重固定螺栓 14)桨尖整流罩安装支架 15)前缘蒙皮 16)聚氨酯硬泡沫填块 17)后缘蒙皮 18)后缘条图1 主桨叶结构示意图3 桨叶出现黑线产生原因3

4、.1 黑线的形成机理无损X光检测的机理为：在X射线透射所要拍摄的基体时，X射线在透过的材质之后其能量的衰减量会因为材质密度的不同而产生变化，基体的材质的密度越小，X射线的衰减量越小，在X光片上反映的现象则越黑，最终在X光底片接受到的X光的强度即底片之上成像的明暗程度来判断所透射材料内部的情况，图为X光底片中的黑线表征。图2 X光底片黑线图示复合材料桨叶由于粗纱纤维的密度远大于树脂的密度，在旋翼进行X光检测时，在X光底片上的明暗程度就反映旋翼内部各层复合材料的层间粘接情况。若中间出现线状黑色条纹，则表明此处复合材料聚合时层间存有聚胶。3.2 无纬带缠绕过程复合材料桨叶在无纬带缠绕和浸胶过程中，胶

5、液粘度较大，不能够很好的浸润玻璃纤维，如图2所示为玻璃纤维在浸胶时的胶液状态。图3 玻璃纤维浸胶情况浸胶机的棍子与各个导轮与缠绕梭子之间的直线度不够好，导致在大梁带在缠绕过程中所受到的张力不均匀导致在缠绕过程中大梁带有倾斜现象从而使得各层之间偏差较大。再加上梭子提供的张力不足，各层不能很好的粘接。图3为大梁带缠绕后的状态。 图4 为大梁带缠绕后的状态3.3 桨叶成型过程在桨叶的整个固化过程中，随着温度的升高，胶液会从常态转变为粘流态，继而进入熔融态，粘度也随着温度的升高不断地下降，最后树脂分子经过聚合分子链的交联最后形成不溶的热固性树脂。在这一系列的变化过程中，大梁带的形态和其所承受到的温度、

6、压力是影响最后固化结果的最重要影响因素，如图4所示为大梁带在桨叶铺层时的状态。 图5 大梁带的铺层状态从图中可以看到在大梁带在铺层时，其形态不理想，各层之间黏结不紧密，这很有可能时造成桨叶出现黑线的原因之一。另外从相关数据可以发现，桨叶在出现黑线并伴有旋翼后缘收缩的概率为80%以上。旋翼后缘收缩的最主要原因即为泡沫厚度超标即为泡沫提供给桨叶局部的支撑力过大，当泡沫提供给旋翼的支撑力在局部部位可能很大，而在某些部位较小，从而造成桨叶内部受力不均匀，当桨叶在固化过程中，由于胶液的粘度很小，在不均匀力的作用下胶液集中流向压力较小的区域，造成桨叶出现“黑线”问题。3.4 无纬带的铺放过程桨叶材料主要复

7、合材料，出现黑线位置主要集中衬套周围，接头填块、无纬带等位置，现对这些位置图纸和工艺上进行改进，桨叶的示意图，如图5所示：图6 无纬带的缠绕从无纬带在桨叶成型中缠绕形式分析，无纬带要从接头填块绕过，然后从根部堵盖的位置端部绕出来，由于根部堵盖是缠绕完无纬带后，用机械推进的方法从桨叶的根部挤压进入到模压桨叶。对已铺放好的无纬带，由于无纬带的柔软性和层叠顺序，从根部堵盖绕出方向会挤出部分无纬带，此时无纬带没有约束，必将产生无纬带胶与丝之间产生一定的分层现象，造成密度的不均匀性和褶皱，出现在X光上就为黑线现象，如图7所示：图7 无纬带在根部堵盖缠绕方向示意图4 桨叶改进措施4.1 设计上改进措施由于

8、根部堵盖、接头填块附近的X光检查问题出现的最多，几乎占了复合材料桨叶“黑线”的50%以上，从根部堵盖的形式上看，无纬带的缠绕方向与根部堵盖的结合要光滑过度，不要产生收的太紧的情况，使无纬带光滑过度，尽量避免无纬带打弯、打折现象,见图8所示： 图8 根部堵盖结构形式针对根部堵盖的产生无纬带打弯、打折部位，要在设计上对此的圆角进行必要的改进（如设计的圆角尽可能圆滑过渡，增加曲率半径等形式），使无纬带以渐开线的方式绕出，这样就能有效的降低1-2区的黑线产生。4.2 工艺上的改进措施对缠绕机，浸胶机进行了准确的校准，使大梁带在缠绕的过程中所承受的足够均匀的张力，以保证大梁带在缠绕过程中能够使各层之间黏

9、结紧密，层与层之间无偏差；严格控制浸胶时的温度、二氧化碳的流量，梭子的旋转速率，使纤维的浸胶效果得到改善，并严格控制无纬带的存放形态。最后，在泡沫组装成型时严格控制合模间隙，在旋翼成型铺放大梁带时严格控制铺放形态，并用相应的工具对大梁带进行梳理加强无纬带的加工质量，除确保粗纱纤维的质量以外，提高无纬带的根部走向精度，尽量减少打弯的现象出现，也可以提高桨叶的疲劳寿命。加强工艺方法的控制，尽量减少包铁阶差、后缘缩布、表面质量、楔块位移等问题出现，可以进一步提高产品的合格率。在接头填块与无纬带模压时涂少许环氧树脂胶,使无纬带与小鱼进行紧密贴合；在必要的情况下对根部堵盖的设计工装进行改进，这要进行几个

10、批次的跟踪调研。5 结论对将近一年来的主桨叶生产情况进行了现场的调研，对桨叶的生产中出现的问题提出了很多合理化的建议，对桨叶黑线问题认真分析，详细说明了桨叶在12区产生黑线的可能性原因，并给出了改进措施和具体的建议，但由于桨叶材料主要是复合材料，在模具中进行的模压，具有很多不确定因素，所以完全避免黑线的产生是比较困难的，在生产桨叶中只能采取事先预防的措施，但是桨叶的黑线在合理的区间是对桨叶寿命影响是不大的，通过疲劳试验、飞行试验数据上得到验证。Research on the “black line” of the composite bladeLi Cheng1 Li Yongyuan2 Wu

11、 Baochang2 Yang ku1(1.Avic Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd., 2.Military Representative Office of the Airman Aviation Department for the Headquarters of the PLA General Staff in Harbin Region, Harbin,150066)Abstract: The composite blade is the important component of the helicopter. Its quality directly affect flight safety. The blade is mainly composed of composite materials. Through the detection of X-ray we found some quality problems of “black line”. In this paper, it analyzed the reason: winding tension is insufficient an uneven; foam pressure is