劉學(xué)凱 蔡長海 陳行 董曉冉 陳禹

摘要：針對V2500發(fā)動機(jī)反推C涵道整體有孔蒙皮的更換，通過查詢原始設(shè)備制造商（OEM）手冊和金屬膠接標(biāo)準(zhǔn)工藝，結(jié)合理論研究和質(zhì)量檢測方法，完成了方案設(shè)計(jì)。通過“逆向工程”方法制作熱粘接所需模具，通過查詢OEM手冊確定修理所需航材。該設(shè)計(jì)方案理論設(shè)計(jì)合理，實(shí)際操作可行，通過了適航管理局的批準(zhǔn)。該方案的成功實(shí)施為V2500發(fā)動機(jī)C涵道翻修工作和復(fù)合材料修理提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：V2500發(fā)動機(jī)；反推；復(fù)合材料；有孔蒙皮；蜂窩

Keywords：V2500 engine；thrust reverse；composite material；perforated skin；honeycomb

0 引言

V2500發(fā)動機(jī)反推復(fù)合材料再造級修理在復(fù)合材料修理中具有較強(qiáng)的代表性。受制于原始設(shè)備制造商（OEM）技術(shù)壟斷、復(fù)合材料施工環(huán)境及高端復(fù)合材料維修能力等限制，國內(nèi)航空復(fù)合材料修理能力仍然處于較低的水平。

反推C涵道整體有孔蒙皮更換在SRM手冊中找不到對應(yīng)的修理方法，屬于超手冊范疇，需要進(jìn)行大面積再造級的深度修理。在OEM拒絕提供維修方案和維修模具的情況下，南航沈陽維修基地自主設(shè)計(jì)維修方案，自行設(shè)計(jì)和制造了滿足外形輪廓度要求的模具，采用熱壓罐固化工藝完成了修理。自主設(shè)計(jì)的維修方案不僅包含維修程序，還制定了修理質(zhì)量檢測方案，該質(zhì)檢方案通過了國際公認(rèn)的ASTM（美國材料與試驗(yàn)協(xié)會）測試方法進(jìn)行修理隨爐樣件的測試，確保再造級修理的可靠性。維修方案通過了民航東北管理局的正式授權(quán)，可開展此項(xiàng)目的修理工作。

1 V2500發(fā)動機(jī)反推C涵道整體有孔蒙皮損傷及分析

飛機(jī)著陸時，發(fā)動機(jī)反推通過打開阻擋門產(chǎn)生逆向氣流輔助飛機(jī)減速[1]，流經(jīng)C涵道內(nèi)筒外側(cè)有孔蒙皮的高速氣流會對外蒙皮產(chǎn)生風(fēng)蝕作用。同時，C涵道內(nèi)筒外側(cè)有孔蒙皮通過其自身的有孔蒙皮和蜂窩結(jié)構(gòu)吸收振動和聲波，起到降噪作用。另外，由于C涵道內(nèi)筒靠近發(fā)動機(jī)本體，還需要承受來自發(fā)動機(jī)本體的熱量。風(fēng)蝕、振動和熱量等風(fēng)險源經(jīng)常使有孔蒙皮發(fā)生損傷。

針對有孔蒙皮損傷，V2500 SRM 54-30-00 REPAIR037[2]給出了局部機(jī)械連接修理方法。機(jī)械連接修理有其明顯的缺點(diǎn)，在母體結(jié)構(gòu)上鉆出的新孔造成應(yīng)力集中，成為了新?lián)p傷的起始點(diǎn)，削弱了結(jié)構(gòu)，并且由于缺失了大面積的蜂窩結(jié)構(gòu)，降噪能力也明顯減弱。一旦機(jī)械修理再次發(fā)生損傷延展不能通過局部修理進(jìn)行補(bǔ)救時，就需要返廠進(jìn)行整體蒙皮和蜂窩的更換（見圖1）。

2 修理方案設(shè)計(jì)

修理方案設(shè)計(jì)在航材選取、粘接模具、粘接工藝、定位設(shè)計(jì)、熱壓罐固化工藝和粘接質(zhì)量檢查等方面都極具挑戰(zhàn)?；诜赐艭涵道局部有孔蒙皮修理[3]經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合OEM手冊和研究相關(guān)粘接工藝及標(biāo)準(zhǔn)，最終自主設(shè)計(jì)出整體有孔蒙皮修理方案。

2.1 航材選取

OEM手冊中沒有直接給出整張蒙皮更換所需的航材。結(jié)合手冊中給出的多個局部修理航材、OEM曾經(jīng)提供的局部超手冊方案航材以及反推實(shí)物上的件號，分析每個航材的技術(shù)數(shù)據(jù)，將多個碎片化信息整合后，最終確定了更換整張蒙皮所需的航材，保證維修航材與反推C涵道制造過程中使用的材料一致，確保了航材的可靠性。

2.2 粘接模具

OEM手冊中只給出了局部均壓板或者局部纖維模具制作的方法，而有關(guān)整張蒙皮更換的模具制作所需尺寸參數(shù)、制作工藝等信息卻拒絕提供。因此，通過“逆向工程”方法獲得了模具制作所需的尺寸參數(shù)，通過研究復(fù)合材料模具制作的標(biāo)準(zhǔn)工藝，確定了模具制作所需的材料、支撐和表面精度等其他信息。根據(jù)方案中給出的模具尺寸參數(shù)、工藝要求、材料、支撐和表面精度等制作出模具，具有表面精度高、耐高溫、耐高壓、強(qiáng)度高和氣密性良好的特性，制作完工的模具如圖2所示。

2.3 粘接工藝

方案需要更換整張有孔蒙皮、蒙皮下全部的蜂窩以及大部分的內(nèi)蒙皮，這種再造級修理與OEM的生產(chǎn)工藝基本相同。技術(shù)難點(diǎn)在于：新的整張有孔蒙皮修理件固化后的輪廓如何與原始部件相同；修理件粘接前的表面處理；多處修理填片、加強(qiáng)板和蜂窩插塊更換時的準(zhǔn)確定位和安裝；新的整張蒙皮上的孔隙如何不被粘接膠膜堵塞；新的整張蒙皮在安裝及固化過程中如何保證位置準(zhǔn)確等。

為了確保粘接工藝的準(zhǔn)確實(shí)施，在基于以往局部超規(guī)范修理的粘接工藝基礎(chǔ)上，深入研究金屬膠接標(biāo)準(zhǔn)工藝。通過使用與原始部件輪廓相同的粘接模具固化，確保固化后的修理件包括新的整張蒙皮輪廓與原始部件相同。經(jīng)磷酸陽極化處理后的鋁合金板材粘接表面變得粗糙，浸潤效果顯著，去除了氧化物等松散結(jié)構(gòu)，有效提高了邊界層的強(qiáng)度，改善了鋁合金的表面活性，促進(jìn)了粘接過程中化學(xué)鍵的形成，使得粘接質(zhì)量明顯提升，強(qiáng)度趨于理想值，破壞形式更為合理[4]。修理方案首先對修理填片、加強(qiáng)板按BAC 5555[5]進(jìn)行磷酸陽極化表面處理，對C涵道本體按波音737-800 SRM 51-70-10[6]修理通用段落14-Boegel EP-II（AC-130）表面準(zhǔn)備程序進(jìn)行表面處理。在粘接模具上預(yù)安裝填片、加強(qiáng)板和蜂窩插塊等修理件，在進(jìn)入熱壓罐固化前抽真空預(yù)壓緊以確保修理件的準(zhǔn)確定位和安裝。通過預(yù)熔化非支撐膠膜法確保新的整張蒙皮上的孔隙不被粘接膠膜堵塞。通過預(yù)安裝緊固件方法確保新的整張蒙皮在安裝及固化過程中位置準(zhǔn)確。準(zhǔn)備粘接的C涵道內(nèi)筒如圖3所示。

2.4 定位設(shè)計(jì)

局部修理時無需定位即可保證修理材料位置準(zhǔn)確，但整張蒙皮更換時若蒙皮定位不準(zhǔn)可能造成更換蒙皮后有缺陷甚至報(bào)廢的風(fēng)險。通過創(chuàng)新預(yù)安裝緊固件的方法，提前固定好需要更換的整張蒙皮，確保了固化過程中整張蒙皮的位置準(zhǔn)確。

2.5 熱壓罐固化

OEM手冊中沒有給出熱壓罐固化工藝，該工藝多用于復(fù)合材料的制造過程，而很少在復(fù)合材料的修理過程中用到。依次將膠膜、發(fā)泡膠、替換的蜂窩、填片和加強(qiáng)板以及新的整張蒙皮安裝就位，創(chuàng)新性地提出熱電偶的非常規(guī)鋪設(shè)方法、大褶保護(hù)法和均勻受力法等方法。通過查詢修理材料的技術(shù)說明書（TDS）、復(fù)合材料熱壓罐固化標(biāo)準(zhǔn)工藝及熱壓罐固化時的注意事項(xiàng)等，最終制定了適用于本方案的熱壓罐固化工藝和參數(shù)。封裝好的C涵道內(nèi)筒連同模具一同放入熱壓罐中（見圖4），固化完成后的C涵道內(nèi)筒如圖5所示。

2.6 粘接質(zhì)量測試

該方案的設(shè)計(jì)每步都有據(jù)可依，符合修理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求，設(shè)計(jì)的修理件具有與未損傷結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能性。但為了確保實(shí)際粘接質(zhì)量的可靠，查詢ASTM測試方法確定了測試樣件類型、測試方法和測試結(jié)果應(yīng)滿足的條件。

按照ASTM中關(guān)于金屬蒙皮/金屬蜂窩的粘接標(biāo)準(zhǔn)，選用拉伸試驗(yàn)件（見圖6）進(jìn)行測試。采用數(shù)控機(jī)床精加工試驗(yàn)件，在BAC5555[5]和Boegel EP-II（AC-130）表面處理之后使用膠膜粘接，作為隨爐樣件進(jìn)入熱壓罐中固化。

測試方法上，按照ASTM中關(guān)于金屬蒙皮/金屬蜂窩的粘接標(biāo)準(zhǔn)，使用拉伸強(qiáng)度/模量/應(yīng)變測試方法進(jìn)行試驗(yàn)件的力學(xué)測試。將拉伸試驗(yàn)件安裝在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，記錄材料失效時的力學(xué)強(qiáng)度，測試結(jié)果如表1所示。

按照ASTM中關(guān)于金屬蒙皮/金屬蜂窩的粘接標(biāo)準(zhǔn)，查詢拉伸試驗(yàn)件測試結(jié)果應(yīng)滿足的條件，對比如表1所示，表明整個粘接方案的設(shè)計(jì)和實(shí)際粘接結(jié)果滿足ASTM要求。

3 結(jié)束語

本文論述的整體有孔蒙皮的修理方案相比局部蒙皮修理省去了框式加強(qiáng)條，避免與其他部件發(fā)生干涉，同時提高了外側(cè)有孔蒙皮的氣動光滑性，增加了外側(cè)有孔蒙皮的消音面積，避免了局部蒙皮修理時可能存在的潛在損傷，能夠提高維修質(zhì)量和耐用性。

本方案的成功實(shí)施具有重要意義。首次完成超大面積整體金屬蒙皮和鋁蜂窩粘接，首次制造可用于多次粘接使用的模具，首次將熱壓罐固化工藝引入修理當(dāng)中。本方案提升了南航沈陽維修基地復(fù)合材料修理的方案設(shè)計(jì)能力，展現(xiàn)了復(fù)合材料修理的再造級維修能力，打破了國外對復(fù)合材料維修領(lǐng)域深度修理工藝的封鎖，也意味著南航沈陽維修基地對V2500發(fā)動機(jī)反推C涵道達(dá)到了再造級全能力修理，在對V2500發(fā)動機(jī)反推C涵道備件控制和縮短修理周期提供強(qiáng)有力支持的同時，為保障南航A320s機(jī)隊(duì)的正常運(yùn)行起到了重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張小波，王威，趙海洋，王嵐懿.V2500發(fā)動機(jī)反推格柵典型損傷修理技術(shù)研究[J].航空維修與工程，2018（3）：57-59.

[2] V2500 Nacelle Structural Repair Manual Publication Reference：（RDN 600）Revision No.42 [Z]. Dated Feb 1，2020.

[3]趙海洋，劉學(xué)凱，閻超，郭曉晨.V2500發(fā)動機(jī)反推C涵道局部有孔蒙皮更換方案設(shè)計(jì)[J].航空維修與工程，2019（11）：85-87.

[4]閻超，王哲峰，邱運(yùn)朋，李志歆，王祎.磷酸陽極化工藝對鋁合金粘接質(zhì)量的影響[J].機(jī)械工程與自動化，2019（2）：137-139.

[5] BAC5555REV：（U）28-SEP-2018 [Z].

[6] Boeing 737-800 STRUCTURAL REPAIR MANUAL CHAPTER 51-70-10 Revision No.66 [Z]. Dated Mar 10/19.

作者簡介

劉學(xué)凱，工程師，主要研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及部件修理。