Применение новых технологий в производстве лопастей несущего винта вертолета

Введение

Основным преимуществом новейших образцов авиационной техники (АТ) по сравнению с предшественниками является применение при их создании современных материалов и технологий. Это напрямую связано с использованием полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкции АТ, позволяющих создавать крупногабаритные детали с большой степенью интегральности и высокой весовой эффективностью, что достигается уникальными свойствами этого класса материалов. Особенностью изготовления конструкций из ПКМ, в отличие от металлов, является реализация принципа «материал–технология–конструкция», когда каждое из звеньев данной цепочки должно обеспечивать надежную работу при создании деталей АТ. Применение ПКМ нового поколения, разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, и технологии их переработки обеспечивает высокий уровень эксплуатационных свойств. Однако еще не в полной мере реализованы принципы интегральности авиационных конструкций, и на пути к их достижению возникают задачи по локальному соединению отдельных элементов в единую конструкцию. Для ПКМ соединение выполняется в основном путем склеивания элементов между собой, что создает дополнительные сложности при изготовлении конструкций.

В настоящее время доля ПКМ в конструкции вертолетной техники неуклонно растет и может достигать 50 %, разработчики стремятся ее увеличить [1].

В течение многих лет АО «Московский вертолетный завод имени М.Л. Миля» (АО «МВЗ им. М.Л. Миля», сейчас – АО «Национальный центр вертолетостроения имени М.Л. Миля и Н.И. Камова» холдинга АО «Вертолеты России») тесно сотрудничает с НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ по разработке и применению полимерных композиционных и функциональных материалов в конструкциях вертолетной техники. Примером плодотворного сотрудничества между АО «МВЗ им. М.Л. Миля», НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ и ПАО «Роствертол» является разработка линейки перспективных материалов для одного из основных и особо ответственных агрегатов вертолета – лопасти несущего винта (ЛНВ). Разработаны стеклопластики и гибридные стеклоуглепластики для изготовления лонжеронов, а также листовые органопластики, используемые в качестве обшивок хвостовых отсеков (ХО) с сотовым заполнителем [2–7].

Компания «Роствертол» выпускает ЛНВ для вертолетной техники семейства «Ми», в которых применена конструктивно-силовая схема с разрезным ХО (рис. 1).

Рис. 1. Конструктивно-силовая схема с одним сплошным (а) и с несколькими отдельными разрезными хвостовыми отсеками (ХО) (б)

Данная схема используется с 1950-х гг. и обеспечивает заданные жесткостные, резонансные, упруго-массовые характеристики, качество и надежность ЛНВ. Хвостовой отсек, являющийся частью аэродинамической поверхности, участвует в создании подъемной силы и передает перерезывающую силу на лонжерон. Наличие отдельных ХО на лопасти позволяет уменьшить напряжения в обшивке, а также упростить замену при повреждении и ремонте ХО.

Лопасти несущего винта можно систематизировать по виду используемых материалов в основных элементах конструкции [8–14]. Различают три основных типа ЛНВ (табл. 1).

Опыт эксплуатации указанных типов ЛНВ показывает, что цельнокомпозитные лопасти обладают значительно большей усталостной долговечностью, боевой «живучестью» и стойкостью к внешним воздействиям, их ресурс во много раз больше, чем у цельнометаллических лопастей [12, 15]. Однако по сравнению с явными достоинствами существуют и недостатки цельнокомпозитной лопасти, основным из которых является низкая экономическая эффективность из-за высокой себестоимости, обусловленной стоимостью ПКМ.

Таблица 1

Эволюция конструкций лопасти несущего винта (ЛНВ)

В настоящее время ведущие отечественные и мировые разработчики ПКМ проводят исследования, направленные на создание новейших материалов и технологий, позволяющих повысить эксплуатационную эффективность при изготовлении изделий из данных материалов [6]. В процессе эксплуатации такой ЛНВ в условиях повышенной влажности морского климата выявлены отдельные факты появления «волн» по кромке ХО в районе соединения «обшивка из органопластика Органит 11ТЛ–нервюра», что может привести к снижению эксплуатационной надежности несущего винта.

В этой связи разработан и запущен в серийное производство стеклопластик марки ВПС-53К (рис. 2, б), который, по сравнению с органопластиком, имеет меньшую (на 20 %) стоимость и обладает более высокими эксплуатационными характеристиками – повышенными значениями сопротивления усталости и климатической стойкости [4, 16–20].

При освоении производства ХО с обшивками из стеклопластика марки ВПС-53К в процессе изготовления ЛНВ вертолета семейства «Ми» установлено снижение прочности клеевого соединения «лонжерон–обшивка» (рис. 3) по сравнению с прочностью обшивок из органопластика Органит 11ТЛ. В обоих случаях в качестве адгезива применяли клей ВК-27А.

Рис. 2. Общий вид обшивок из органопластика Органит 11ТЛ (а) и стеклопластика марки ВПС-53К (б)

Рис. 3. Зона клеевого соединения «лонжерон–обшивка» лопасти несущего винта вертолета семейства «Ми»

Результаты механических испытаний – отрыв обшивки ХО с технологического лонжерона с измерением усилия отрыва, проведенные в условиях ПАО «Роствертол», показали, что значения усилия отрыва не соответствуют требованиям нормативной документации (НД). В табл. 2 приведены результаты отрыва обшивки ХО.

Таблица 2

Результаты механических испытаний в условиях ПАО «Роствертол» по определению усилия отрыва обшивки хвостового отсека (ХО) с технологического лонжерона

Специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ на основании полученных результатов испытаний, проведенных в ПАО «Роствертол», осуществлены механические испытания по определению сопротивления отслаиванию клеевого соединения «обшивка–лонжерон» методом плавающего ролика (в соответствии с ГОСТ Р 57832–2017). Данный метод заключается в измерении силы, необходимой для отслаивания гибкой подложки от жесткого основания при заданном угле отрыва. В качестве гибкой подложки использовали стеклопластик марки ВПС-53К (обшивка), а в качестве жесткого основания – материал одной химической природы с материалом лонжерона ЛНВ.

Результаты механических испытаний, проведенных в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ», по определению сопротивления отслаиванию клеевого соединения «обшивка–лонжерон» (в Н/мм) с использованием клея ВК-27А (в числителе даны минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее):

Из полученных результатов видно, что прочность клеевого соединения «обшивка–лонжерон» не соответствует требуемым по НД значениям.

Параллельно проведены исследования влияния способа подготовки поверхности стеклопластика марки ВПС-53К на повышение прочности клеевого соединения, выполненного с использованием клея холодного отверждения ВК-27А без армирования нетканым термоскрепленным полотном, а также на изменение свойств поверхностного слоя обработанного материала. Результаты проведенных исследований представлены в работах [21–23]. Кроме того, сделаны следующие основные выводы:

– стеклопластик марки ВПС-53К имеет низкие адгезионные свойства при склеивании клеем холодного отверждения ВК-27А;

– способ подготовки поверхности – зашкуривание, применяемый в действующем технологическом процессе, не обеспечивает требуемое значение прочности клеевого соединения «обшивка–лонжерон»;

– способ подготовки поверхности – обработка плазмой атмосферного давления (ПАД), является одним из перспективных способов подготовки поверхности ПКМ под склеивание, который обеспечивает требуемое значение прочности клеевого соединения «обшивка–лонжерон» в течение длительного времени после обработки ПАД поверхности обшивки [24–40].

Цель данной работы – отработка технологии подготовки поверхности листового стеклопластика марки ВПС-53К с использованием обработки ПАД через операцию склеивания «лонжерон–обшивка»при изготовлении ЛНВ.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели сформированы следующие задачи:

– обработка поверхности листового стеклопластика марки ВПС-53К (далее – обшивка) ПАД;

– исследование влияния обработки ПАД на прочность клеевого соединения «лонжерон–обшивка»;

– исследование влияния временно́го разрыва между обработкой поверхности обшивки ПАД и операцией склеивания.

Первоначально в производственных условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проведена работа по обработке обшивок ПАД (рис. 4).

Обшивка представляет собой лист габаритным размером 450×450 мм и толщиной 0,35±0,05 мм. Обработку обшивок проводили с помощью генератора ПАД [21].

Для исключения влияния ПАД на основные показатели требований ТУ 1-595-25-1496–2015 несколько обработанных листов переданы на исследование по определению массы, толщины и предела прочности при растяжении в направлении [0°] и [90°] до и после обработки ПАД в соответствии с ГОСТ 25.601–83.

Рис. 4. Обработка обшивок с помощью генератора плазмы атмосферного давления

Параллельно обработанные ПАД обшивки раскраивали на заготовки образцов (размером 300×150 мм) и склеивали с жестким основанием (размером 150×150×2 мм) с использованием клея ВК-27А без армирования нетканым термоскрепленным полотном. В целях изучения влияния удельного давления прессования на прочность клеевого соединения и проверки параметров действующего технологического процесса склеивание проводили в прессе при удельном давлении 1 и 2 кН/м² и температуре 60±5 °С в течение 1 ч с последующим охлаждением под давлением до температуры не более 40 °С. В качестве жесткого основания использовали материал одной химической природы с материалом лонжерона ЛНВ. Микрорельеф поверхности жесткого основания сформирован в результате снятия «жертвенного» слоя – ткани технической разделительной «Р-ТЕКС» марки Р85ПА (в соответствии с ТУ 8388-010-30189225–2015).

Из склеенных заготовок на станке гидроабразивной резки вырезали образцы шириной 25±0,5 мм для определения прочности клеевого соединения. Прочность клеевого соединения определяли методом сопротивления отслаиванию клеевых соединений по ГОСТ Р 57832–2017 на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z050.

Одновременно с изготовлением образцов произведена постановка обшивок, обработанных ПАД, на хранение в условиях категории 1 размещения изделий (в соответствии с ГОСТ 15150–69) сроком на 1 мес с последующими изготовлением из них образцов и их механическими испытаниями.

После обработки поверхности обшивки ПАД листы стеклопластика марки ВПС-53К переданы ПАО «Роствертол», в производственных условиях которого в соответствии с действующим технологическим процессом, за исключением операции зашкуривания, изготовлены ХО (рис. 5, а) и приклеены к технологическому лонжерону (рис. 5, б) для проведения механических испытаний на соответствие требованиям НД.

Рис. 5. Вид изготовленного хвостового отсека (ХО) (а), а также приклеенных к технологическому лонжерону и подготовленных к механическим испытаниям ХО (б)

Результаты и обсуждение

Результаты исследования влияния обработки ПАД на основные свойства стеклопластика марки ВПС-53К (в соответствии с требованиями ТУ 1-595-25-1496–2015), представленные в табл. 3, показали, что обработка ПАД не оказывает отрицательного воздействия на данный стеклопластик и все показатели обшивки соответствуют требованиям НД.

Таблица 3

Результаты исследования влияния обработки плазмой атмосферного давления

на основные свойства обшивки из стеклопластика марки ВПС-53К

По окончании механических испытаний образцов, склеенных с использованием клея ВК-27А без армирования нетканым термоскрепленным полотном под разным удельным давлением прессования, получены результаты, представленные в табл. 4 и на рис. 6. Характер разрушения оценивали в соответствии с ГОСТ Р 56977–2016.

Таблица 4

Результаты исследования влияния удельного давления прессования

на прочность клеевого соединения «обшивка–жесткое основание»

Рис. 6. Виды образцов без обработки (а, б) и с обработкой ПАД (в, г) после механических испытаний при удельном давлении склеивания 1 (а, в) и 2 кН/м² (б, г)

Результаты испытаний и визуализированного анализа свидетельствуют, что удельное давление прессования незначительно влияет на прочность клеевого соединения и характер его разрушения. Это также подтверждается значениями толщины клеевого шва, полученными в ходе исследования микроструктуры клеевого соединения «гибкая подложка–жесткое основание». Толщина клеевого шва при удельном давлении 1 кН/м² (среднее значение из 10 измерений) составила 110 мкм, а при удельном давлении 2 кН/м²: 104 мкм. Таким образом, можно сделать вывод, что удельное давление склеивания, используемое в действующем технологическом процессе, не оказывает существенного влияния на прочность клеевого соединения.

Дальнейший процесс склеивания контрольных образцов проводили с использованием клея ВК-27А без армирования нетканым термоскрепленным полотном при удельном давлении 1 кН/м². После проведения механических испытаний контрольных образцов, изготовленных в производственных условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, в день обработки и спустя 1 мес хранения получены результаты, представленные в табл. 5 и на рис. 7.

Таблица 5

Результаты механических испытаний в условиях

НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ по определению

сопротивления отслаиванию клеевого соединения «обшивка–жесткое основание»

Рис. 7. Вид образцов после механических испытаний в день обработки (а) и спустя 1 мес хранения (б)

Механические испытания в ПАО «Роствертол» проводили по методике, отличной от методики, представленной в ГОСТ Р 57832–2017, по НД на ЛНВ вертолета семейства «Ми». Методика механического натурного испытания заключается в срыве обшивки ХО с технологического лонжерона с измерением усилия отрыва (рис. 8).

Рис. 8. Общий вид установки (а) для испытания на срыв обшивки ХО с технологического лонжерона с измерением усилия отрыва, а также зона крепления технологического лонжерона в приспособление (б) и процесс срыва обшивки (в)

Результаты механических испытаний, проведенных в производственных условиях ПАО «Роствертол», представлены в табл. 6 и на рис. 9. Характер разрушения – преимущественно LFT с различным процентным соотношением от 10–20 % FT (разрушение из-за разрыва волокон).

Таблица 6

Результаты механических испытаний в условиях ПАО «Роствертол» по определению усилия отрыва* обшивки хвостового отсека (ХО) с технологического лонжерона

Рис. 9. Вид обшивок после механических испытаний после обработки ПАД (а) и спустя 1 мес после обработки ПАД (б)

Таким образом, результаты, полученные после испытаний, свидетельствуют, что обработка обшивок ПАД положительно сказывается на повышении прочности клеевого соединения «лонжерон–обшивка», значение которой в 1,8 раза больше у образцов, изготовленных в день обработки поверхности обшивки ПАД, и в 1,6 раза больше спустя 1 мес хранения обшивки в условиях категории 1 размещения изделий (в соответствии с ГОСТ 15150–69) в сравнении с требованиями НД. В сравнении с исходными обшивками (необработанными ПАД) прочность клеевого соединения возросла в 36 и 32 раза. Характер разрушения образцов после механических испытаний – LFT (рис. 6).

Результаты прочности клеевого соединения, полученные в производственных условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, коррелируют с результатами, полученными в производственных условиях ПАО «Роствертол». Установлено, что значения прочности клеевого соединения увеличились по отношению к результатам, представленным в табл. 2 для верхней и нижней обшивок, в ~2,9 раза, спустя 1 мес возросли в 2,3 раза для верхней обшивки и в 2,6 раза для нижней. По отношению к требуемому значению величина данного показателя увеличилась в 1,95 раза для верхней обшивки и в 1,65 раза для нижней, спустя 1 мес возросла в 1,56 и 1,52 раза соответственно. Характер разрушения образцов после механических испытаний в соответствии с НД – LFT (рис. 8). Однако следует отметить, что результаты испытаний образцов, склеенных после 1 мес хранения обшивок в условиях категории 1 размещения изделий (в соответствии с ГОСТ 15150–69), указывают на снижение прочности клеевого соединения, но это снижение незначительное и требует дополнительных исследований с увеличением времени хранения обшивок до 6 мес после обработки ПАД.

Заключения

Проведенные исследования показали, что:

– подготовка поверхности методом обработки ПАД увеличивает прочность клеевого соединения «лонжерон–обшивка» при склеивании клеями холодного отверждения;

– прочность клеевого соединения «лонжерон–обшивка»с подготовленной поверхностью обшивки методом обработки ПАД соответствует требованиям НД на ЛНВ вертолета семейства «Ми»;

– наблюдается снижение прочности клеевого соединения «лонжерон–обшивка»при наличии временно́го разрыва между обработкой обшивки ПАД и операцией склеивания, в условиях хранения в складском помещении предприятия.

– необходимо проведение дополнительных исследований по оценке влияния временно́го разрыва между обработкой поверхности обшивки ПАД и операцией склеивания на прочность клеевого соединения.