李小麗,陳新波,何忠祥,黃富明
(海軍航空大學(xué)青島校區(qū),山東青島 266041)
隨著科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高,直升機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多,其故障也隨之而來(lái)。為了保障飛行安全,對(duì)直升機(jī)尤其是對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)尤為重要。在國(guó)外,民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)以孔探儀檢測(cè)和渦流檢測(cè)為主,比較先進(jìn)的技術(shù)有基于激光超聲與掃描探針顯微鏡相結(jié)合的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),這種技術(shù)可開(kāi)展納米尺寸上的研究。在中國(guó),曹強(qiáng)等[1-2]開(kāi)展了有關(guān)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在軍用飛機(jī)修理中的應(yīng)用研究,指出無(wú)損檢測(cè)仍然存在局限性,并提出在軍用飛機(jī)維修中應(yīng)用聲振檢測(cè)、DR 檢測(cè)、相控陣檢測(cè)等技術(shù),但是對(duì)原位無(wú)損檢測(cè)的研究比較少,大多處于離位檢測(cè)狀態(tài)。無(wú)損檢測(cè)定量評(píng)估技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括民用飛機(jī)飛行品質(zhì)適航性評(píng)估、民航飛行安全定量評(píng)估、民用飛機(jī)軟件可靠性定量設(shè)計(jì)和評(píng)估等,用于設(shè)計(jì)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)后期處理階段,主要采用權(quán)威數(shù)據(jù)法、算術(shù)平均法對(duì)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)進(jìn)行估計(jì)等。目前在國(guó)際上,定量評(píng)估技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)上的應(yīng)用尚淺,而在航空領(lǐng)域也僅應(yīng)用于民用航班的安全性、可靠性研究。
某型直升機(jī)常年飛行、停放在高濕度、高溫度、高鹽分的大氣中,自然環(huán)境和工作環(huán)境對(duì)該型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片有嚴(yán)重影響[3-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在使用過(guò)程中容易發(fā)生損傷,出現(xiàn)裂紋、缺口、掉塊、撕裂、燒蝕等損傷缺陷,曾在地面試車(chē)和空中飛行過(guò)程中發(fā)生多次葉片斷裂故障,打傷發(fā)動(dòng)機(jī),造成飛行安全事故。目前對(duì)該型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)以定期檢修時(shí)的無(wú)損檢測(cè)為主,根據(jù)該型直升機(jī)維護(hù)規(guī)程,主要使用孔探儀進(jìn)行原位目視檢測(cè)??滋絻x檢測(cè)只能針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)較大缺口、掉塊、撕裂或燒蝕的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行,而無(wú)法檢測(cè)出微小裂紋損傷,且檢測(cè)工位受限、人為因素干擾較大,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)微損傷而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果可靠度偏低??滋絻x檢測(cè)設(shè)備普遍體積偏大、設(shè)備復(fù)雜,不便于在狹小空間操作。在某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損傷的原位檢測(cè)中沒(méi)有采用定量檢測(cè),大多是出現(xiàn)損傷即換件,導(dǎo)致資源利用率不高、維修勞動(dòng)強(qiáng)度大和直升機(jī)出勤率大幅降低。
本文通過(guò)設(shè)計(jì)制作專(zhuān)用傳感器,采用概率正態(tài)分布和線(xiàn)性回歸分析方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),針對(duì)某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行了原位損傷檢測(cè)方法研究。
某型艦載直升機(jī)采用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為多級(jí)軸流式結(jié)構(gòu),具有12 級(jí)壓氣機(jī)葉片。該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí),氣流由整流罩前端進(jìn)入進(jìn)氣導(dǎo)向器,并依次通過(guò)壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子形成高壓高速氣流[5]。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片會(huì)產(chǎn)生很大的慣性離心力、氣動(dòng)力和振動(dòng)交變應(yīng)力等。
第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片處于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的前端,發(fā)動(dòng)機(jī)在地面起動(dòng)工作時(shí)會(huì)吸入大量空氣,地面的外來(lái)物如細(xì)小砂礫會(huì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道,在高速氣流的作用下打擊第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片,使其產(chǎn)生壓痕和細(xì)微裂紋。在高濕度、高溫度、高鹽分的大氣中,裂紋在應(yīng)力集中的尖端發(fā)生腐蝕而擴(kuò)展。而在通常采用孔探儀進(jìn)行的日常檢查中,并不能有效發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。
綜合上述分析,確定將第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片的裂紋缺陷作為損傷原位無(wú)損檢測(cè)研究對(duì)象。
某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片原位安裝情況如圖1 所示。根據(jù)相關(guān)維護(hù)規(guī)程采用內(nèi)窺檢測(cè),但只能檢測(cè)到缺口、掉塊、撕裂、燒蝕等缺陷,而無(wú)法檢測(cè)到該發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片上的裂紋缺陷,需要選用其他檢測(cè)方法檢測(cè)裂紋缺陷。
圖1 某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和第1級(jí)壓氣機(jī)葉片原位安裝情況
常用的無(wú)損檢測(cè)方法有渦流、超聲、磁粉、射線(xiàn)和滲透檢測(cè)。其中,磁粉、射線(xiàn)和滲透檢測(cè)不能對(duì)該壓氣機(jī)葉片進(jìn)行原位檢測(cè)[6-7]。超聲檢測(cè)一般需要耦合劑,結(jié)合圖1可知,該發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片前端進(jìn)氣道空間狹小,不便于涂抹和清理耦合劑,且超聲檢測(cè)使用的傳感器的體積相對(duì)于葉片而言普遍較大,不便于實(shí)施原位檢測(cè);渦流檢測(cè)不需要耦合劑,與檢測(cè)對(duì)象可以有一定距離或直接接觸,能夠進(jìn)行多種測(cè)量,第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片的進(jìn)氣邊能外露出來(lái),可通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用傳感器進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋監(jiān)控,該檢測(cè)方法工藝簡(jiǎn)單、操作容易、檢測(cè)速度快、結(jié)果采集方便,可在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)采集數(shù)據(jù)[8-9]。
綜合以上情況,選擇渦流檢測(cè)方法進(jìn)行某型艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)葉片裂紋缺陷的原位檢測(cè)。
某型艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片材料為T(mén)C8 鈦合金,參照《中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)渦流檢測(cè)方法GJB 2908-97》對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)不同大小的人工缺陷,通過(guò)分析多次數(shù)、多狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果,研究不同程度裂紋的信號(hào)類(lèi)型,實(shí)現(xiàn)裂紋與檢測(cè)信號(hào)的定量評(píng)估。
根據(jù)以上要求進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的對(duì)比試塊設(shè)計(jì),人工缺陷參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)比試塊設(shè)計(jì)參數(shù) mm
采用電火花加工法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行人工缺陷加工[10],缺陷實(shí)物如圖2所示。
圖2 葉片人工損傷實(shí)物
發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型曲率較小,接近于平面,且需要較高的檢測(cè)靈敏度,故采用放置式檢測(cè)線(xiàn)圈(又稱(chēng)為點(diǎn)式檢測(cè)線(xiàn)圈或探頭),如圖3所示。
圖3 放置式線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)
經(jīng)過(guò)對(duì)比,采用絕對(duì)式檢測(cè)線(xiàn)圈對(duì)葉片缺陷進(jìn)行檢測(cè)。其纏繞方式如圖4所示。
圖4 絕對(duì)式檢測(cè)線(xiàn)圈的接線(xiàn)方式
根據(jù)渦流環(huán)理論,計(jì)算放置式線(xiàn)圈檢測(cè)試件的特征頻率
式中:μr為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;rb為線(xiàn)圈半徑[11]。
TC8合金為非磁性金屬,即μr=1,經(jīng)測(cè)量可知TC8合金的電導(dǎo)率為97.6%IACS,即σ=56.8 MS/m,故確定特征頻率fg,從而確定工作頻率f1=(10~50)fg。
某型艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的進(jìn)氣邊厚度d=0.5~1.5 mm,且裂紋缺陷一般都貫穿葉片。為滿(mǎn)足渦流信號(hào)有效滲透,有效滲透深度應(yīng)不小于葉片進(jìn)氣邊厚度,即δ=2.6y≥0.5~1.5 mm(y為標(biāo)準(zhǔn)滲透深度,工程中通常定義2.6倍標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為有效滲透深度),標(biāo)準(zhǔn)滲透深度[12]
由式(2)可確定工作頻率f2=13382~120446 Hz。
確定線(xiàn)圈直徑主要考慮以下幾點(diǎn):(1)線(xiàn)圈的直徑越大,檢測(cè)范圍越大,且一般為磁芯直徑的3 倍;(2)線(xiàn)圈的直徑越大,檢測(cè)靈敏度越低;(3)線(xiàn)圈纏繞越薄,靈敏度越高[13]。根據(jù)以上影響因素及實(shí)際靈敏度和檢測(cè)作用范圍要求,選擇磁芯直徑為1.0 mm,材料為錳鋅,加上繞制導(dǎo)線(xiàn),檢測(cè)線(xiàn)圈總直徑約為1.16 mm。
根據(jù)航空維修中所使用的渦流儀,其阻抗的取值范圍為1~2 kΩ,根據(jù)XL=2πfL,可求得繞組線(xiàn)圈電感量L。線(xiàn)圈匝數(shù)N估算式為
式中:μs為磁芯有效磁導(dǎo)率;l為線(xiàn)圈長(zhǎng)度;D0為線(xiàn)圈平均直徑[14]。
由于受葉片的實(shí)際安裝位置限制,將傳感器的接觸部分設(shè)計(jì)成階梯型,為滿(mǎn)足檢測(cè)靈敏度要求和抑制邊緣效應(yīng),通過(guò)試驗(yàn)找到線(xiàn)圈磁芯的最佳安裝位置。專(zhuān)用傳感器的制作如圖5所示,檢測(cè)時(shí)可將卡槽狀部位卡在葉片進(jìn)氣邊緣。
圖5 專(zhuān)用傳感器制作
用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用傳感器和專(zhuān)用試塊進(jìn)行渦流檢測(cè)試驗(yàn),將計(jì)算得到的檢測(cè)頻率作為最初頻率,通過(guò)實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)得到最佳檢測(cè)狀態(tài)時(shí)的頻率f=1.2 MHz。
對(duì)第2.2 節(jié)中設(shè)計(jì)的缺陷葉片試塊進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)效果較好,其中1.0 mm裂紋檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。
圖6 專(zhuān)用缺陷葉片渦流檢測(cè)結(jié)果
經(jīng)過(guò)大量檢測(cè)試驗(yàn)可知,由于受葉片厚度影響,在檢測(cè)過(guò)程中阻抗圖模式下渦流信號(hào)發(fā)生零點(diǎn)漂移,遇到裂紋缺陷后,試件上渦流分布發(fā)生較大變化,呈現(xiàn)在阻抗圖界面下表現(xiàn)為渦流信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)軌跡突變,如圖7所示。
圖7 葉片缺陷檢測(cè)信號(hào)軌跡
通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)在存在缺陷時(shí)信號(hào)軌跡的變化量來(lái)研究缺陷信號(hào),為提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性,不同裂紋缺陷葉片采集20 次檢測(cè)結(jié)果作為數(shù)據(jù)樣本,葉片缺陷渦流檢測(cè)信號(hào)幅值見(jiàn)表2。
表2 葉片缺陷渦流檢測(cè)信號(hào)幅值
渦流檢測(cè)的結(jié)果受到檢測(cè)人員的操作水平、設(shè)備自身干擾以及葉片的厚度變化等諸多因素影響,且對(duì)結(jié)果的影響都是隨機(jī)的[15],所以同一裂紋的檢測(cè)信號(hào)在一定范圍內(nèi)是一個(gè)隨機(jī)數(shù),因此同一裂紋缺陷的信號(hào)軌跡幅值滿(mǎn)足正態(tài)分布。設(shè)x為信號(hào)軌跡的幅值,根據(jù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)有
式(4)表示渦流測(cè)量結(jié)果信號(hào)阻抗幅值x服從均值為μ、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布,即x~N(μ,σ2)[15]。
根據(jù)正態(tài)分布概念,可以選取使得概率密度函數(shù)達(dá)到最大值的眾數(shù)幅值x作為該裂紋缺陷的最佳檢測(cè)結(jié)果,即在諸多影響因素作用下,每次檢測(cè)結(jié)果的幅值都會(huì)在小范圍內(nèi)變化并趨近于x。
由表2 的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算得到裂紋長(zhǎng)度和概率密度最大取值對(duì)應(yīng)的眾數(shù)幅值,計(jì)算結(jié)果如圖8所示。
圖8 正態(tài)分布值
從圖中可見(jiàn),裂紋尺寸與對(duì)應(yīng)的幅值峰值基本滿(mǎn)足線(xiàn)性分布。采用一元線(xiàn)性回歸分析,擬合裂紋尺寸和峰值幅值的關(guān)系,假設(shè)裂紋尺寸為x,峰值幅值為y,則滿(mǎn)足
式中:a、b為回歸系數(shù),可通過(guò)數(shù)據(jù)樣本求出[15]。
經(jīng)計(jì)算,按統(tǒng)一的檢測(cè)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行檢測(cè)時(shí),裂紋尺寸與峰值幅值滿(mǎn)足y=585.29x-51.531,且可決系數(shù)R2=0.9908,表示回歸模型系數(shù)的擬合優(yōu)度較高,即裂紋尺寸在99.08%的程度上與渦流檢測(cè)結(jié)果幅值密切相關(guān),更具有實(shí)際意義。
對(duì)第3.2 節(jié)中得到的結(jié)論y=585.29x-51.531 進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證,對(duì)1.0 mm 人工裂紋葉片進(jìn)行渦流檢測(cè),經(jīng)計(jì)算得到檢測(cè)結(jié)果幅值為533.7。對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果(如圖9 所示)進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)化為562.9,基本符合實(shí)際情況。
圖9 1.0 mm葉片檢測(cè)結(jié)果阻抗
(1)制作該葉片裂紋缺陷渦流檢測(cè)的專(zhuān)用試塊和專(zhuān)用傳感器并進(jìn)行試驗(yàn),該傳感器能較好地完成某型發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)葉片的裂紋缺陷檢測(cè)。
(2)對(duì)傳感器的線(xiàn)性度進(jìn)行研究可知,該傳感器在特定檢測(cè)參數(shù)下檢測(cè)結(jié)果信號(hào)軌跡滿(mǎn)足y=585.29x-51.531。解決了渦流檢測(cè)儀阻抗平面顯示標(biāo)定定量評(píng)估的難題,具有實(shí)際指導(dǎo)意義。
(3)可將該定量方法用于阻抗平面顯示渦流檢測(cè)儀,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)定量評(píng)估。