基于民航复合材料修理参数的真空发生器研发.pdf

中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-28-航空航天由于复合材料本身的优异性能和不断发展的现代制造技术，在民航客机上广泛使用复合材料部件，其结构比例成为飞机先进程度的重要衡量指标，如波音 B787 机体复合材料比例达到 50%、空客 A350 机体复合材料比例更是高达52%等。当今世界航空业已步入微利竞争时代，随着复合材料部件的大量投入用，复合材料的日常修理能力也已成为航空公司现有核心竞争力的重要体现。但目前，我国民用航空客机主要以美国波音公司、欧洲空客公司系列机型为主，我国各大航空公司在严格遵循国家民航局适航维修要求的基础上严格参照上述航空器制造商制定的维护手册及各类修理资料对所属的飞机进行日常的维修和保养；大量的进口相关的维护和修理设备费用已成为国内各大航司及 MRO 机构运营成本的重要开销；如何利用厂家资料里所提供有限的维修技术参数突破相关技术封锁开发适用的维修设备是民航企业进入微利时代提升自身盈利能力的重要渠道。本文通过在实际民航复合材料维修过程中对已有相关修理案例基础上收集有关复合材料修理的关键控制参数，结合文氏管对伯努利定理和流体连续性的应用为方向，研发一种投入成本低而安全和可靠性高的真空发生器，为民航飞机复合材料部件维修过程中提供符合手册所要求的真空压力。复合材料修理真空参数介绍复合材料主要由基体树脂材料和功能增强纤维组成，制造过程中除严格控制环境洁净度外主要的加工参数就是真空度和加温模式的控制。其中，真空度以真空压力作为体现，是非常关键的一个步骤；复合材料维修过程中真空压力的作用主要是以下几个方面。1.去除空气和杂质真空环境下没有空气和杂质的干扰，可以保证复合材料的基体树脂化学反应过程的稳定和材料的均匀性。在复合材料铺层修理过程中，如果不按厂家规范要求对修理区域进行抽真空或者真空压力不足，将导致维修区域环氧树脂、胶膜、纤维等材料之间产生气穴或产生其他化学反应而降低最终的修理无法达到要求，甚至产生复合材料纤维脱胶和分层等缺陷。2.加速树脂渗透在修理区域真空包中的树脂可以快速地渗透到纤维基体物料中。在对纤维织物铺层修理区域施加真空压力时，真空包内气压降低，树脂渗透速度会变快，可以更好地让树脂基行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于民航复合材料修理参数的真空发生器研发陈俊逸陈俊逸深圳航空有限责任公司-29-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期航空航天体填充作为增强质的纤维物料，避免贫胶修理纤维区域的出现，并能够形成更加紧密的织构结构或贴合原始修理区域达到传递受力载荷的作用。3.防止气泡生成在基体树脂固化的过程中由于化学聚合作用会产生体，不及时通过真空加压排出加温反应过程中的水分、树脂或挥发物，会导致修理区域性能降低甚至产生缺陷。抽真空可以排出修理铺层区域中产生的水分、气体和杂质，从而使修复区域达到厂家手册的修复控制要求，确保修理工作的最终质量。通过查阅波音飞机和空客飞机相关维修手册资料可得到在役复合材料部件受损后修理时真空度的控制要求，以及部件胶粘修理过程中的真空压力要求，例如：空客A320319318 的襟翼防磨片安装、平尾防风蚀 COVER 安装及门槛压力安装等工作。以图1飞机结构修理手册中的复合材料修理加温曲线图为例，图里面分别给出了两纵一横的关键参数控制坐标轴，分别代表温度控制、时间要求和真空压力要求；其中右侧纵轴线“VACUMM PRESSURE BARS（PSI）”明确给出了修理过程中修理区域真空压力的需求在 0.75BARS以上，以达到压实纤维增强体和排出树脂基体化学聚合过程中所产生的气体，同时防止聚合过程中的局部形体应力产生。由此知道真空压力是复合材料制造和修理的三大关键参数之一，在整个复合材料修理过程中均需要得到恒稳的保障，以保证修理区域复合厂家对于复合材料修理的苛刻要求；否则，将会降低复合材料部件修复后的可靠性，降低飞机的安全边际。民航常用厂家真空设备及存在的问题除常规损伤去除工具和一般消耗性物料外，表 1 列出了现代民航飞机复合材料修理过程中常用的设备及用途。其中，复合材料维修提供真空压力常用的方式主要有两种：一是安装真空包，二是使用真空泵。1.真空包法真空包法是指将复合材料部件或维修区域及相关物料包裹入真空袋中，然后通过真空泵抽出真空包中空气形成负压达到维修所需的真空压力。由于这种方式具有适用于各类型面和维修投入低的特点，所以法被广泛应用于现代民航飞机复合材料部件的修理过程中。2.真空泵法真空泵法是指将复合材料部件放入真空容器中，通过使用真空泵排出器型腔内的空气达到所要求的负压真空的方式；这种方法用于生产或维修更大尺寸的复合材料产品，如：制造波音 787 型飞机的机身段，以及用于民航飞机雷达罩的整体修复等工作中。除了以上的方法外，还有真空电炉，真空浸渍等抽取真空形成负压的方法。真空压力对于复合材料修理非常重要，只有保证维修区域中的空气和杂质按要求排清，才能保证整项复合材料修部件修理工作过程不受影响，并使部件整体维修质量达到厂家手册的相关要求。目前飞机制造厂家提供的修理设备中热压罐、修补仪及电动真空泵均能提供修理所需的真空源，以提供真空压力图 1 飞机结构修理手册关于复合材料加温的描述图图 2 文氏引射原理真空发生原理图表 1 常用复合材料修理设备名称用途热压罐大面积及复杂型体修理时的热源、真空源、压力源修补仪用于结构固化与树脂固化、胶黏剂或胶膜固化修复的热胶连接修复电动真空泵冷、热修理时提供真空压力源负压真空压力表修理区域真空压力检测及监控红外灯干燥修理部件及固化树脂、胶黏剂或胶膜烘箱复合材料及固化修复材料，结构干燥NDT 设备检测复合材料结构及修理区域冷藏柜修理无聊存储中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-30-航空航天和排空树脂聚合反应过程时的气体、水分和杂质。其中，热压罐用于制造复合材料部件和大型修理过程，其体积庞大且造价高昂；而修补仪及真空泵成为各大航司为满足厂家手册修理方案开展修理时的首选。上述民航复合材料修理真空源设备因厂家技术数据和修理规范限制都使得这些设备具有单价高、设备体积大及人员技能掌握要求高的特点；其中，修补仪和电动真空泵在提供真空压力时所产生的噪声较大（5575 分贝），并且因为涉及用电拉线问题亦为部件在役修理现场带来用电安全隐患和监控的烦恼，这正是本文需要进行优化以解决维修现场高价设备和监控人力的投入，排除维修现场用电安全隐患及噪声对维修人员产生的人为因素影响干扰，以及降低整体维修成本投入的问题。以检修参数为基础的温氏管真空发生器如图 2 所示是文氏管基于对伯努利定理和流体连续性特征的应用，使气源压缩空气自进气端流入后，通过内部狭窄的喷嘴时产生加速效应，促使气流以更快的速度通过扩散端的排气口；并在扩散的负压端，即加速通过时带动负压端的空气一起快速流出，产生瞬时真空效应，即引射原理。修理时通过将修理区域真空管路接入负压端，利用离散积分的方法便可为修理区域提供恒稳的真空压力。在排气端口可以加装消声器通过摩擦热量消耗形式降低排气过程中气流产生的噪声。根据伯努利定理为简化流场内计算公式假定气体流场平均运动的流线为等高的且流量为 Q，若以 1、p1、S1和 2、p2、S2分别表示进气端和流场的气体流速、平均压力和截面积；气流密度为，文氏管内气体气场参数等效为：Q=S1v1=S2v2（时刻流量相等）；（伯努利定理）由此可获得文氏管流场内流量与压力的关系：根据流体连续性特征上述推导公式可获得流场内真空压差值为：对于给定体积分场内所选定的真空发生器其 S1、S2 由制造商根据具体的真空率设计参数给定或实验获得两者间的固定比例曲线图作为可选固定参数值；气流密度 作为相对应于环境温度为固定常数，因此文氏管真空发生器所产生的真空压力p在实际应用中与真空发生器的流量成正比关系。图 1 中给出了复合材料修理过程中真空压力参数为 0.75bar（0.075MPa），即 p=0.075MPa；而现代工业现场一般气动工具的气源压力在 0.61MPa 是完全满足复合材料修理时文氏管真空发生器输入端的压力需求。所以复合材料修理真空压力的效果就取决于参数 S1、S2 的选定，文氏管真空发生器的生产厂家除额定真空压力外通常直接用真空速率参数量进行表述，即单位体积达到额定真空压力所耗费的时间作为客户的直接选型参数。综上，通过比对筛选市场诸多款型的真空速率参数，本文的平台选择了美国 AIR-VAC 公司的 AVR116H 型文氏管真空发生器作为系统核心，其真空额定值为流量为 27.5Hg（0.93MPa），单位流量为 12.5scfm（5.9dm3/s）；结合空客和波音飞机厂家 SRM 修理手册等资料知道 12.5scfm的真空流量值完全满足飞机部件修理工作现场的真空压力需求（22Hg 以上）；同时考虑流过文氏管的加速空气流出排气口时会产生较大噪声这一问题需在真空发生器排气口加装消声器，以降低排气噪声对现场维修作业人员的人为因素影响，此处仅作简要介绍。整体逻辑图及实物组装基本逻辑原理如图 3 所示，通过以上分析文氏管式真空发生器的开发应整合四大部分：气源输入、真空输出、核心单元及消音排气四大部的部件；整体设计以 AVR116H 型文氏管真空发生器作为系统连接核心并封装至预制的金属保护盒体型腔内。按图 3 逻辑进行实物组装的真空发生器如图 4 所示。验证方法与应用验证数据本文以空客 A320 襟翼防磨片更换修理时的应用作为验证平台，在襟翼本体安装好带背胶的钢制防磨片后，组装好图 4 真空发生器实物图图 3 文氏引射原理真空发生器逻辑图-31-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期航空航天力参数一致，修理后 NDT（无损检查）结果满足手册的要求，不存在空鼓或贫胶的区域。同时，粘接的防磨片表面平整收放过程平滑，与上襟翼贴合完好。本文开发的文氏管真空发生器，相对于原有的真空泵和修补仪的真空发生修理设备来说，是一种小巧经济的真空发生器，可以为复合材料部件维修区域提供有效的真空压力环境，排出真空包内维修树脂聚合反应过程产生的气体、水分和杂质；并大大简化抽真空的回路，对降低机器制造成本、提高可靠性更有益处。所以，本文基于厂家参数设计的本文氏管真空发生器在满足提供修理真空度要求基础上，更具有真空效率高、使用简便、无需接电、噪声低和造价投入少的特点。组装好的真空发生器已实际投用于部分空客与波音飞机需要真空压力的修理场合，如：空客飞机登机门槛防护盖更换、空客 A320 襟翼防磨片粘接、复合材料客舱地板冷铺层修理、波音雷达罩修理及空客 A320 尾三前缘防护板更换等需要大面积抽真空的修理工作，维修的质量均达到厂家所要求的维修质量要求。结语本文基于民航复合材料修理要求的控制参数及文氏管基于对伯努利定理和流体连续性特征的应用研发了一款适用于民航飞机机库维修现场的真空发生器；克服了传统厂家技术壁垒，同时改进了原厂设备造价高、噪声大、接电隐患及监控人力等多个现场使用的问题；并投用到实际现场修理当中，通过真空表及修理区域外接监控单位进行实际验证，证实该真空发生器能很好地提供修理所需的真空压力并为复合材料部件维修区域提供有效的真空压力环境，并在复合材料部件修理过程中排出真空包内维修树脂聚合反应过程产生的气体、水分和杂质，达到厂家修理手册所要求的修理质量要求。同时，该真空发生设备的使用能降低航空公司在复合材料相关修理过程中的修理投入成本，并使现场修理过程中的实际接线量减少从而也降低现场人员的劳作程度，排除了很多潜在的安全隐患，为提升修理质量、安全施工及降低监控人力投入起到优化的作用。图 6 真空发生器验证图图 5 修补仪修理现场图真空包和安装真空发生基座后分别使用修补仪和本文研发的真空发生器，如图 5 和 6 所示。同时，为验证真空发生器压力恒稳，通过厂家规定使用的修补仪压力监控端对真空发生器修理过程的压力参数进行检测。通过图 5 和 6 的实际应用比对可以获知文氏管真空发生器在修理过程中所提供的压力参数跟厂家设备产生的真空压