發(fā)動機絕熱層粘接質(zhì)量超聲自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

樊 森,王召巴,金 永,陳友興

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原030051)

0 引 言

絕熱層作為燃燒室與殼體間的隔熱結(jié)構(gòu),其作用是防止發(fā)動機殼體達(dá)到危及其結(jié)構(gòu)完整性的溫度[1]。固體火箭發(fā)動機殼體/絕熱層界面間的粘接質(zhì)量直接影響火箭發(fā)動機的安全和工作性能。國內(nèi)多家單位從事發(fā)動機絕熱層粘接質(zhì)量方面的研究。中國航天科技集團公司四院和上海航天技術(shù)研究院分別采用直接接觸式的超聲檢測方法對殼體/絕熱層界面和殼體/絕熱層/推進(jìn)劑界面脫粘檢測進(jìn)行了研究[2-3]。中北大學(xué)和北航現(xiàn)代無損檢測中心分別提出并采用板波誘發(fā)波超聲檢測技術(shù)和超聲波聚焦探頭雙模式檢測技術(shù)對發(fā)動機包覆粘接情況進(jìn)行檢測[4-5]。

針對某型大口徑固體火箭發(fā)動機具有殼體橢圓度較大,且為增加殼體/絕熱層界面粘接的接觸面積和粘接強度,殼體內(nèi)壁采用噴砂工藝進(jìn)行處理,內(nèi)壁粗糙且顆粒感較強的特點,直接接觸式檢測容易磨損殼體和探頭,而且較難實現(xiàn)自動檢測;經(jīng)分析和試驗驗證,由于板波誘發(fā)波和聚焦探頭雙模式波在該殼體內(nèi)多次反射,對殼體與探頭間離要求較高,并且容易在顆粒狀界面產(chǎn)生散射,路徑變化較大,特征信號較難提取,無法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的測量。因此本文采用超聲水浸式方法實現(xiàn)非接觸測量,并通過試驗選用受粘接面粗糙度影響較小的單探頭聚焦脈沖回波法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,研制了一套殼體/絕熱層界面粘接質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)檢測原理

根據(jù)檢測發(fā)動機殼體橢圓度大且內(nèi)壁采用噴砂工藝處理的特點,經(jīng)試驗驗證,系統(tǒng)采用焦柱長,能量集中,特征信號受上述因素影響較小的水浸式單聚焦脈沖回波法對其殼體/絕熱層結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測。檢測對象及原理如圖1所示。

圖1 檢測對象及原理示意圖Fig.1 Detection object and theory

由于探頭直徑遠(yuǎn)小于被測殼體直徑,故將殼體弧面簡化為平面進(jìn)行計算。如圖1所示,探頭在水介質(zhì)中焦距為f,焦點位于f1,鋼殼中焦點位于 f2,聲束在水中行程h,鋼殼板厚度a,鋼板下表面至f 1距離b,由水入射至鋼界面入射角α,在鋼中折射角β。根據(jù)圖示幾何關(guān)系可以得出:

探頭入射至殼體,入射角度小于水/鋼第一臨界角,根據(jù)波形轉(zhuǎn)換聲壓關(guān)系,折射中縱波分量占主導(dǎo)[6],通過Snell定律則有:

將水、鋼中的聲速及殼體厚度a代入(2),(3)式,得到探頭中心距殼體距離h。

為保證特征信號的能量和分辨率,系統(tǒng)選用晶片直徑 Ф10 mm,頻率 5 MHz,焦距40 mm的聚焦探頭。調(diào)節(jié)探頭中心距殼體外表面距離滿足上述計算所得高度,從而使探頭的聚焦至殼體/絕熱層的界面f2處。信號能量分布及特征區(qū)間選定如圖2所示。

圖2 粘接狀態(tài)特征信號波形Fig.2 Signaturewaveform of bond state

經(jīng)試驗證明,使用單聚焦測頭脈沖回波法,將聚焦焦點調(diào)整到殼體/絕熱層界面時,脫粘與好粘信號所選特征區(qū)間內(nèi)能量值區(qū)分度達(dá)到38.29%,可以通過對該特征值的判斷以獲得檢測位的粘接質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)要求在檢測范圍內(nèi)可以設(shè)定脫粘測量的起始和結(jié)束位置,能夠準(zhǔn)確確定缺陷位置且分辨率達(dá)到Ф5 mm以下。

基于上述檢測原理和檢測要求,系統(tǒng)采用發(fā)動機圓周旋轉(zhuǎn),超聲探頭直線進(jìn)給從而實現(xiàn)對發(fā)動機絕熱層粘接質(zhì)量進(jìn)行螺旋C掃描。自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Detection system composition

系統(tǒng)采用工控機作為控制和處理核心,通過各模塊對機械動作和檢測參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分布示意圖Fig.4 System structural and function distribution

其中發(fā)動機圓周向旋轉(zhuǎn)和超聲波探頭盒軸向移動由I/O和D/A模塊分別對兩個變頻電機的方向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。通過兩個方向上速度的調(diào)節(jié),實現(xiàn)對被測筒體按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行螺旋C掃描。掃描過程中,霍爾開關(guān)負(fù)責(zé)圓周向起始和結(jié)束位置的確定;編碼器信號提供超聲測頭的采集頻率;而位于絲杠端部的光電開關(guān)則反饋絲杠的轉(zhuǎn)動情況以控制探頭盒的進(jìn)給,通過上述參數(shù)的記錄從而獲得缺陷的位置參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)自動檢測實現(xiàn)

采用上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對固體火箭發(fā)動機絕熱層粘接質(zhì)量自動檢測過程如下圖5所示。

圖5 檢測過程示意圖Fig.5 Sketch of detection process

系統(tǒng)自動檢測過程如下:

(1)裝卡發(fā)動機至檢測臺,啟動檢測系統(tǒng)并按照待檢對象設(shè)定檢測起始及結(jié)束位置的參數(shù);

(2)探頭盒內(nèi)的水和發(fā)動機筒體良好接觸后,啟動檢測程序,系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)開啟轉(zhuǎn)動電機,筒體按照設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行圓周向旋轉(zhuǎn);

(3)控制脫粘電機將探頭盒復(fù)位至檢測起始位傳感器處,復(fù)位完成后,系統(tǒng)根據(jù)絲杠光電開關(guān)輸出的脈沖將探頭盒移動至設(shè)定的檢測位置;

(4)檢測開始,零點霍爾傳感器實現(xiàn)圓周向檢測起始點確定,系統(tǒng)控制超聲采集卡按照編碼器信號提供的工作頻率進(jìn)行采集,依據(jù)特征回波的能量判斷發(fā)動機殼體/絕熱層界面的粘接狀態(tài);

(5)預(yù)設(shè)的檢測范圍全部完成后,系統(tǒng)將探頭盒重新復(fù)位,并對所測范圍內(nèi)的脫粘情況處理后成像顯示。

系統(tǒng)自動檢測過程由程序控制,其流程圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)檢測結(jié)果

系統(tǒng)對已制作人工缺陷的固體火箭發(fā)動機殼體/絕熱層界面粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行螺旋C掃描。獲得的界面粘接質(zhì)量圖像如圖7所示。

圖6 自動檢測控制程序流程圖Fig.6 Auto-detection control flowchart

圖7 發(fā)動機粘接情況C掃描圖Fig.7 C-scan of SMRbond state

原始掃描圖較直觀地顯示制作的33個人工缺陷全部檢出。其中橫向A,B位置20個缺陷位于粘接面采用透明膠粘貼圓片制作,從中間到兩側(cè)依次為 Ф12 mm,Ф10 mm,Ф8 mm,Ф5 mm,Ф3 mm;縱向 C位置和D處的缺陷采用將粘接好的絕熱層人工挖空的方法制作,C位置7個缺陷從上到下依次為Ф12 mm圓,邊長30 mm等腰直角三角形,長軸24 mm、短軸15 mm類橢圓,邊長8 mm正方形,Ф5 mm圓,45 mm×9 mm長方形,邊長8.5 mm等腰直角三角形,Ф8 mm圓;D位置缺陷采用標(biāo)準(zhǔn)皮帶沖制作,從上到下從左到右面積依次為Ф8 mm,Ф5 mm,Ф3 mm,Ф12 mm,Ф10 mm 。

由于殼體為旋壓成型,超聲能量聚焦至粘接面位置,原始掃描圖含有殼體旋壓螺紋的檢測噪聲。為改善掃描圖質(zhì)量,系統(tǒng)采用橫向與縱向兩次一維中值濾波的方法獲得掃描結(jié)果的背景螺紋信息并與原始信號做差,從而減小殼體紋理對背景對缺陷特征信號的影響以提高信噪比。

如圖8(a)所示。經(jīng)過中值濾波降噪后,C掃描圖8(a)所示脫粘區(qū)域信號信噪比較高,能量分布較為均勻,便于閾值的設(shè)定從而確定缺陷的面積。

圖8 脫粘缺陷中值濾波及二值化圖Fig.8 Median filtering anebinary image

表1 檢測結(jié)果/實際缺陷對比Table1 Test result/actual flaws

由于不同殼體特征能量存在差異,系統(tǒng)在閾值設(shè)定上,采用基于均值和方差的浮動閾值將掃描結(jié)果進(jìn)行二值化,得到圖8(b)所示的脫粘缺陷二值化圖。對缺陷面積的計算系統(tǒng)選用種子填充算法實現(xiàn),并根據(jù)起始檢測位置的參數(shù)設(shè)置和霍爾開關(guān)的零位標(biāo)記計算得到對應(yīng)缺陷的軸向及圓周向位置。將檢測結(jié)果與界面實際制作人工缺陷的面積相比較,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

其中,11#檢測面積為制作缺陷時貼合膠帶的整個面積,判斷該缺陷在絕熱層加工時空氣溢出,充斥整個膠帶,從而出現(xiàn)上述檢測結(jié)果。除該缺陷外,系統(tǒng)對位于A、B、D處采用面積準(zhǔn)確的圓片和皮帶沖制作的人工缺陷檢測較為準(zhǔn)確。而C位置的缺陷采用對成型絕熱層進(jìn)行人工挖空的方法制作,其精度較難保證,故出現(xiàn)缺陷面積檢測的差異。

通過與標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷面積對比得出系統(tǒng)對缺陷面積計算較為準(zhǔn)確,面積為Ф3 mm的4個人工缺陷全部檢出,系統(tǒng)的最小分辨率達(dá)到了Ф3 mm。

4 結(jié) 論

針對發(fā)動機殼體橢圓度較大,且粘接面經(jīng)噴砂處理粗糙的特點,該檢測系統(tǒng)采用超聲波單聚焦測頭反射回波法對殼體/絕熱層界面脫粘質(zhì)量進(jìn)行檢測,通過螺旋C掃描的方式,獲得了發(fā)動機界面粘接質(zhì)量圖像,缺陷位置和面積計算較為準(zhǔn)確,其脫粘檢測分辨率達(dá)到Ф3 mm。系統(tǒng)較好地解決了該系列固體火箭發(fā)動機殼體/絕熱層粘接質(zhì)量的自動檢測問題,實現(xiàn)了檢測過程自動化,檢測結(jié)果直觀化、智能化。同時,系統(tǒng)具有一定的通用性,針對不同規(guī)格發(fā)動機絕熱層粘接質(zhì)量的檢測,可以通過調(diào)整支撐輪的間距予以實現(xiàn)。同時,由于聚焦測頭焦柱較長,殼體厚度相似的發(fā)動機可以使用相同的探頭盒進(jìn)行檢測。

但由于工藝的革新,該絕熱復(fù)合材料超聲聲衰減較大,目前無法進(jìn)一步實現(xiàn)對其絕熱層/襯層結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測。

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