飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽超聲波檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)

薛 倩

（西安航空學(xué)院航空工程系,西安 710077）

0 引言

飛機(jī)有很多重要的結(jié)構(gòu)及部件，其中發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，壓縮器葉片是其中的關(guān)鍵之一。它們?cè)诟邷亍⒏邏骸⒏咻d荷等較為復(fù)雜的環(huán)境中發(fā)揮作用，同時(shí)很容易出現(xiàn)裂痕。在飛機(jī)檢測(cè)中視為重點(diǎn)部分。由于在人力及物力上的局限性，具有安全上的隱患，所以各部分的葉片不可以頻繁地拆除更換，這樣我們通常會(huì)采取原處檢測(cè)的方法。在當(dāng)前的這種情況下，我們只能采取一些特定的手段，如在葉片的葉身部分采用渦流、視頻孔探等一些沒(méi)有損害的方法。但這種方法并不是對(duì)所有部分都有效比如葉片榫槽，它也很容易產(chǎn)生裂痕，但是因?yàn)樗c渦輪盤(pán)齒嚙合，探頭不能準(zhǔn)確到達(dá)，所以對(duì)它不能進(jìn)行原位檢測(cè)。

1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽超聲波檢測(cè)探頭的現(xiàn)狀和意義

因?yàn)槲覈?guó)這項(xiàng)技術(shù)的起步比較晚，所以無(wú)法對(duì)葉片榫槽進(jìn)行超聲檢測(cè)，而其他技術(shù)不適合這項(xiàng)工作，正是此項(xiàng)原因已經(jīng)導(dǎo)致了飛行事故的產(chǎn)生。葉片榫槽超聲波檢測(cè)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)技術(shù)，只有少數(shù)的西方國(guó)家才能夠完全掌握這門(mén)技術(shù)，而我國(guó)在此項(xiàng)技術(shù)上還不夠成熟。

隨著我國(guó)航空事業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽超聲波檢測(cè)技術(shù)也在不斷的發(fā)展，并且在此行業(yè)中得到了廣泛的發(fā)展，使我國(guó)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越數(shù)字化和信息化，在生產(chǎn)上也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，可以說(shuō)為推動(dòng)我國(guó)的航空事業(yè)起到了巨大的作用。

2 超聲波檢測(cè)原理

超聲波傳播時(shí)需要大量的能量，而其中大部分的能量主要集中在一個(gè)特定的很小的范圍里。超聲波對(duì)葉片上的表面或是和表面很相近的地方的裂痕有很大程度的靈敏性，并且，它對(duì)工件表面的各種狀況和材料晶粒度沒(méi)有什么敏感性。目前這種原理的應(yīng)用已在一些領(lǐng)域取得成功，如薄壁管、電力絕緣子、焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)。在超聲波檢測(cè)缺陷時(shí)，超聲波的檢測(cè)在葉身部分，超聲波通過(guò)葉榫從而到達(dá)榫槽，如果在這個(gè)過(guò)程中遇到缺陷，那么它就會(huì)被反射，然后探傷儀就會(huì)接受被反射的超聲波，從而相關(guān)的缺陷信號(hào)就會(huì)在熒光屏上顯示出來(lái)，并且超聲波不會(huì)在榫槽處反射，因此確保了熒光屏上顯示出的缺陷波不摻加其他雜波，同時(shí)在很大程度上提高了信噪比。

3 超聲波探頭設(shè)計(jì)

3.1 確定探頭型式

探頭在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽超聲波的原位檢測(cè)中起到很重要的作用，探頭型式的確定首先與超聲波傳播的特點(diǎn)及飛機(jī)葉片的尺寸、形狀和材料密切相關(guān)，根據(jù)雙晶探頭對(duì)表面或者表面附近的裂痕較為敏感、發(fā)射聲束和接收聲束會(huì)分離等特性，制定以雙晶探頭為主，雙晶探頭的主要結(jié)構(gòu)有兩種，分別是串列式和并列式，。但是因?yàn)榱惺讲荒苁勾蟪叽缇膽?yīng)用發(fā)揮到很好的效果，并不適合大尺寸的晶片。因此目前我們主要采用并列式結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前世紀(jì)，別大范圍采用的超聲波并列式結(jié)構(gòu)探頭主要是檢測(cè)平面結(jié)構(gòu)。我們不能很單純地把超聲波探頭磨制成與葉片相應(yīng)的弧面，因?yàn)檫@樣引起兩晶片聲束交叉點(diǎn)上移。同時(shí)，應(yīng)用的效果隨葉片表面的弧度的增大而明顯，所以我們要著重根據(jù)葉片形狀、尺寸及材料去設(shè)計(jì)探頭的結(jié)構(gòu)，將超聲波在葉片榫槽中進(jìn)行應(yīng)用。

3.2 確定傾斜角

探頭的有機(jī)玻璃斜模具有一定的傾斜度，我們確定最佳的第一第二傾斜角與晶片傾斜角通常根據(jù)葉片的曲率半徑，從而對(duì)榫槽進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。我們通過(guò)建立平面直角坐標(biāo)系，得出了聲軸平面和中心平面的夾角、聲束交叉點(diǎn)偏離中心平面的距離、聲束交叉點(diǎn)沿中心平面的水平距離之間的關(guān)系公式。又通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，得出了中心平面上的入射角度、聲軸平面上的入射角度、偏離角、探測(cè)面曲率外徑之間的公式關(guān)系。這些關(guān)系讓我們可以有根據(jù)地確定了相關(guān)傾斜角。

3.3 確定尺寸

由于主瓣角度隨晶片的面積的增加而增大，但是有一定的限度，晶片面積無(wú)限大時(shí)我們就認(rèn)為主瓣角度達(dá)到直角。因?yàn)榫娣e不能無(wú)限大，所以這個(gè)假定在現(xiàn)實(shí)中并不可行。這樣，我們通常會(huì)對(duì)晶片的尺寸進(jìn)行合理現(xiàn)實(shí)的調(diào)整，進(jìn)而確定管材壁厚上的敏感度，同時(shí)也會(huì)提高探測(cè)榫槽缺陷的靈敏度，為了讓主瓣角度在合理情況下達(dá)到最大，我們讓晶片長(zhǎng)度盡可能地大，由晶片的尺寸、第一第二斜模傾斜角、晶片傾斜角確定了透聲斜模的最小長(zhǎng)度、最小寬度、最小高度、晶片的長(zhǎng)度、寬度、考慮探測(cè)曲面曲率影響的修正值之間的關(guān)系。

3.4 建立模型

建立了上述數(shù)學(xué)模型，據(jù)此我們可以選擇制作探頭的晶片尺寸與聲束交叉點(diǎn)的位置。同時(shí)值得注意的是我們應(yīng)該將探頭磨制為與葉片表面相吻合的弧面，這樣就可以確保了超聲波的有效激發(fā)與葉片耦合度的良好。

4 結(jié)論與展望

進(jìn)行了以上模擬分析，得出了下列的結(jié)論小尺寸高頻雙晶波探頭較其他探頭而言，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽裂痕的檢測(cè)更具有高效性。當(dāng)葉片榫槽出現(xiàn)裂痕時(shí)，會(huì)同時(shí)觀察到裂痕回波，并且端面回波高度會(huì)受裂痕的影響，輕則高度降低，嚴(yán)重會(huì)出現(xiàn)回波消失的現(xiàn)象。存在的一些局限如超聲衰減程度大，傳播距離還比較短，所以當(dāng)前的超聲波涉及工業(yè)的還較少，而較多應(yīng)在電力絕緣子檢測(cè)上。事實(shí)上，超聲波檢測(cè)某些焊縫或是一些較難檢測(cè)的零件部位有一定的特別之處是其他檢測(cè)物不能及得上的。堅(jiān)信超生波檢測(cè)儀器會(huì)不斷進(jìn)步，并會(huì)有很廣闊的發(fā)展前景。

[1]江濤.發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽爬波原位檢測(cè)系統(tǒng)研制[D].南京航空航天大學(xué),2012.

[2]江濤,龔春英,謝小榮等.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫槽超聲爬波檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2011.03.007.