艦載直升機(jī)主槳轂軸頸缺陷的渦流檢測(cè)

(1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，青島 266041;2.青島持恒工程技術(shù)有限公司，青島 266033)

為了控制飛機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性、保證飛行安全、提高執(zhí)行作戰(zhàn)能力，某型直升機(jī)的維護(hù)規(guī)程及某型直升機(jī)的無損檢測(cè)工藝對(duì)某型直升機(jī)的主槳轂軸頸螺紋變截面處提出了無損檢測(cè)要求。筆者在對(duì)主槳轂軸頸螺紋變截面處損傷特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了渦流檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)制作了一種基于自比較的差動(dòng)式渦流傳感器，通過試驗(yàn)優(yōu)化了傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得了一種有效檢測(cè)主槳轂軸頸螺紋變截面處疲勞裂紋的渦流檢測(cè)方法。

1 缺陷特征分析

某型艦載直升機(jī)主槳轂是全鉸接式的金屬槳轂，其軸頸是組成主槳轂軸向鉸的關(guān)鍵件，主槳轂軸頸結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其主要功能是與主槳轂軸向鉸軸套一起組成軸向鉸組件，傳遞由旋翼槳葉產(chǎn)生的氣動(dòng)力，并允許槳葉在操縱系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)主槳葉的變距運(yùn)動(dòng)[1]。該結(jié)構(gòu)承載較大，在軸頸螺紋變截面附近，特別是內(nèi)數(shù)第二、三齒處易出現(xiàn)疲勞裂紋，且裂紋方向與螺紋方向一致，軸頸螺紋檢測(cè)部位示意如圖2所示。

圖1 主槳轂軸頸結(jié)構(gòu)示意

圖2 軸頸螺紋檢測(cè)部位示意

2 檢測(cè)方法選擇

在航空維修中，常用的無損檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)等[2]。對(duì)于表面疲勞裂紋，主要以磁粉、渦流、滲透檢測(cè)方法為主。然而，磁粉檢測(cè)需要利用缺陷處的漏磁場(chǎng)吸附磁粉形成磁痕顯示來判斷工件表面及近表面有無缺陷，而螺紋的變截面處也會(huì)產(chǎn)生部分漏磁場(chǎng)，極易形成偽磁痕且造成誤判，磁粉檢測(cè)后的剩磁有可能會(huì)影響工件的使用；滲透檢測(cè)對(duì)被測(cè)物表面要求較高，要對(duì)被測(cè)物表面進(jìn)行預(yù)處理，且該方法僅限于針對(duì)表面開口的不連續(xù)性缺陷的檢測(cè)，容易受到溫度的影響，程序復(fù)雜，可重復(fù)性差，也不宜使用；渦流檢測(cè)是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測(cè)方法，該方法不需要對(duì)所檢測(cè)物體進(jìn)行表面預(yù)處理，不需要施加耦合劑，還可以實(shí)現(xiàn)非接觸的快速檢測(cè)，特別適合金屬構(gòu)件的表面和近表面缺陷的不連續(xù)性檢測(cè)。因此，從檢測(cè)可靠性和使用安全性考慮，選擇渦流檢測(cè)法最佳。

3 傳感器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在實(shí)際檢測(cè)中，主槳轂軸頸螺紋結(jié)構(gòu)特殊，其螺紋根部與傳感器不能很好接觸，導(dǎo)致檢測(cè)線圈與被測(cè)工件之間存在間隙，這種間隙的變化會(huì)對(duì)檢測(cè)線圈阻抗產(chǎn)生影響，即產(chǎn)生提離效應(yīng)，其引起的線圈阻抗的變化往往大于裂紋對(duì)線圈阻抗的影響[3]。目前，使用的傳感器采用絕對(duì)式線圈設(shè)計(jì)，存在截面變化的螺紋結(jié)構(gòu)對(duì)這類檢測(cè)線圈的干擾因素多，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷，尤其是對(duì)沿掃查方向的缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)，因此需要根據(jù)主槳轂軸頸螺紋的螺距、材料以及缺陷的方位等條件設(shè)計(jì)專用渦流傳感器。

為了避免檢測(cè)面結(jié)構(gòu)的微小變化以及探頭晃動(dòng)引起的干擾信號(hào)，傳感器采用了自比較式差動(dòng)傳感器，其檢測(cè)線圈的接線方式示意如圖3所示。差動(dòng)式線圈有利于抑制材料、形狀的緩慢變化及環(huán)境帶來的影響[4]。使用兩個(gè)繞組對(duì)同一個(gè)試件的不同部位進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)試件性能穩(wěn)定且無缺陷時(shí)，兩個(gè)繞組的電勢(shì)差為零；當(dāng)出現(xiàn)不連續(xù)性缺陷且兩個(gè)繞組感應(yīng)電勢(shì)出現(xiàn)差異時(shí)，將給出一個(gè)差值電壓信號(hào)。這種檢測(cè)線圈類型可以抑制由于試件尺寸和電導(dǎo)率等引起的變化緩慢的信號(hào)，對(duì)提離間隙變化、工件傳輸時(shí)的抖動(dòng)以及周圍環(huán)境影響的敏感度較低，但對(duì)于突然出現(xiàn)的不連續(xù)性缺陷有明顯的信號(hào)反應(yīng)，檢測(cè)效率高。

圖3 自比較式差動(dòng)檢測(cè)線圈的接線方式示意

此外，根據(jù)主槳轂軸頸結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測(cè)特點(diǎn)以及便于原位檢測(cè)的需要，將傳感器設(shè)計(jì)為放置式結(jié)構(gòu)類型，并在檢測(cè)線圈內(nèi)部安裝磁芯，增強(qiáng)檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)靈敏度。圖4為該傳感器結(jié)構(gòu)外觀，其鴨嘴式設(shè)計(jì)特別適合類似螺紋間隙這類狹小區(qū)域的表面缺陷檢測(cè)。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)外觀

3.2 線圈參數(shù)的選擇與優(yōu)化

渦流傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括線圈直徑、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線線徑、線圈間距和檢測(cè)頻率等，這些參數(shù)決定了傳感器的線性度、靈敏度和測(cè)量范圍。

3.2.1 檢測(cè)頻率的選擇

根據(jù)渦流環(huán)理論，放置式線圈檢測(cè)試件的特征頻率[5]為

(1)

式中：μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；rb為線圈的外半徑。

其中，主槳轂軸頸材料為30CrNi4MoA，其電導(dǎo)率約為9.6 MS·m-1，相對(duì)磁導(dǎo)率約為8 000，故工作頻率f1=(10～50)fg。

軸頸螺紋變截面處由于應(yīng)力集中，在長(zhǎng)期交變載荷的作用下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，傳感器放在深1.0 mm、寬0.15 mm、長(zhǎng)2 mm的人工裂紋上，儀器示值為滿刻度的40%。由于[6]

(2)

式中：y為裂紋深度；f為檢測(cè)頻率。

確定工作頻率f2，由f1、f2綜合分析確定檢測(cè)頻率f。計(jì)算可得，檢測(cè)頻率f=1.2 MHz。

3.2.2 導(dǎo)線線徑的選擇

對(duì)于一定的激勵(lì)頻率，存在著一個(gè)最佳導(dǎo)線直徑。只考慮趨膚效應(yīng)時(shí)，線圈損耗隨著導(dǎo)線直徑d0的增加而減小。然而，當(dāng)導(dǎo)線直徑d0增加時(shí)，由鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生的交流電阻也增大。導(dǎo)線交流電阻R和其直徑的關(guān)系如圖5所示。圖5中，RF為給定頻率下只考慮趨膚效應(yīng)時(shí)導(dǎo)線的交流電阻，RG為鄰近效應(yīng)引起的電阻。當(dāng)RF=RG時(shí)，導(dǎo)線交流電阻最小[4]。計(jì)算得出，激勵(lì)線圈導(dǎo)線的最佳線徑為0.08 mm。

圖5 導(dǎo)線交流電阻和其直徑的關(guān)系

3.2.3 線圈直徑的確定

線圈直徑的確定主要考慮以下幾個(gè)因素：① 線圈的直徑越大，敏感范圍越大，線性范圍就越大，線性范圍一般為線圈外徑的1/3～1/5；② 線圈的直徑越大，靈敏度越低；③ 線圈厚度越薄，靈敏度越高；④ 線圈的直徑越大，有效作用范圍越大，線圈直徑一般為磁芯直徑的3倍。

根據(jù)以上分析因素，依據(jù)檢測(cè)靈敏度要求和線性范圍的要求，選取磁芯的直徑為1 mm，即線圈內(nèi)徑為1 mm、外徑約為1.08 mm。

3.2.4 線圈匝數(shù)的確定

航空維修時(shí)使用的渦流儀的阻抗取值范圍為1 kΩ～2 kΩ，線圈的匝數(shù)如式(3)所示。

(3)

式中：L為電感；μs為磁芯有效磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)；l為線圈長(zhǎng)度；D0為線圈平均直徑。

經(jīng)計(jì)算，激勵(lì)線圈匝數(shù)范圍為20～25，檢測(cè)線圈匝數(shù)范圍為35～40時(shí)最佳。

3.2.5 線圈間距的確定

該差動(dòng)線圈主要采用兩個(gè)相鄰線圈同時(shí)對(duì)同一試件相鄰部位進(jìn)行檢測(cè)，由于主槳轂軸頸結(jié)構(gòu)特殊且在變截面附近易出現(xiàn)裂紋，所以兩個(gè)線圈之間的間距對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大的影響。間距大，變截面的影響大；間距小，兩個(gè)線圈之間的磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)相互干擾。因此，在兩個(gè)線圈的磁場(chǎng)互不干擾的情況下，其間距以小為宜。線圈的外徑R=1.08 mm，則單個(gè)線圈磁場(chǎng)的有效作用范圍的直徑為3.24 mm，半徑為1.62 mm，兩個(gè)線圈互不干擾的最小距離為3.24 mm。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)條件

(1)渦流檢測(cè)儀

試驗(yàn)采用FET-1型渦流檢測(cè)儀。該儀器的驅(qū)動(dòng)頻率為10 Hz～8 MHz，驅(qū)動(dòng)輸出電流峰值為100 mA，采樣頻率為50 Hz～10 kHz，具有數(shù)字高/低/帶通濾波器，可以獲得較高的信噪比和檢測(cè)穩(wěn)定性，其y軸擴(kuò)展功能可降低結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的提離信號(hào)的影響，有利于非光滑平面的不連續(xù)性缺陷檢測(cè)。

(2)參考試塊

為了驗(yàn)證渦流檢測(cè)方法對(duì)缺陷的檢出能力，設(shè)計(jì)制作了主槳轂軸頸參考試塊。為了保證檢測(cè)效果，選用的參考試塊材料與該主槳轂軸頸螺紋變截面處的材料相同，且經(jīng)過檢測(cè)無缺陷指示的部位?？紤]到軸頸螺紋變截面處的疲勞裂紋通常呈線性，因此選擇矩形槽形狀的人工裂紋，人工裂紋的尺寸為1.0mm×0.15 mm×2 mm (深×寬×長(zhǎng))，主槳轂軸頸參考試塊缺陷部位外觀如圖6所示。

圖6 主槳轂軸頸參考試塊缺陷部位外觀

(3)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

利用參考試塊設(shè)置檢測(cè)參數(shù)。為了更好地識(shí)別缺陷信號(hào)，在參數(shù)設(shè)置時(shí)，人工缺陷信號(hào)相位為64.6°，幅值為40%,檢測(cè)頻率為1.2 MHz，前置放大為12 dB，后置放大器增益為28 dB。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為對(duì)主槳轂軸頸裂紋的檢測(cè)結(jié)果，圖7(a)為提離效應(yīng)的阻抗平面圖，提離信號(hào)為水平位置；圖7(b)為無缺陷時(shí)螺紋變截面處的阻抗平面圖，由于螺紋的截面變化，信號(hào)相位為-146°；圖7(c)為人工缺陷的阻抗平面圖，缺陷信號(hào)幅值為181.5，相位為64.6°；圖7(d)為自然缺陷的阻抗平面圖，缺陷信號(hào)幅值為63.1，相位為22.6°。后對(duì)其進(jìn)行磁粉檢測(cè)，驗(yàn)證了渦流檢測(cè)結(jié)果。

圖7 主槳轂軸頸裂紋檢測(cè)阻抗平面圖

5 結(jié)語(yǔ)

渦流檢測(cè)法是檢測(cè)某型艦載直升機(jī)主槳轂軸頸螺紋變截面附近裂紋的有效方法。經(jīng)過理論分析和反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作的鴨嘴型自比較式差動(dòng)傳感器可以抑制被測(cè)工件結(jié)構(gòu)變化帶來的干擾，能夠檢測(cè)出螺紋變截面附近尺寸大于0.6 mm×0.15 mm×2 mm (深×寬×長(zhǎng))的不連續(xù)性缺陷，檢測(cè)靈敏度高，滿足了該型直升機(jī)主槳轂軸頸的裂紋損傷檢測(cè)需要。