液氧/煤油發動機多余物自動檢測技術

牛書鋒，張國悅

(西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

液體火箭發動機是運載火箭或航天器的推進系統，隨著我國航天事業的飛速發展，對液體火箭發動機提出了更高的可靠性要求。液體火箭發動機多余物為內腔中存在的與產品規定狀態無關的物質，發動機的制造需要通過諸多工藝環節完成，在焊接、裝配等工藝過程中，由于管理或技術措施落實不到位，裝焊完成后會在產品內腔形成多余物。在液體火箭發動機工作過程中，多余物將嚴重影響發動機的工作可靠性，引起運轉部件損壞、閥門控制失效等故障，直接導致火箭飛行試驗失敗[1-2]。

多余物的控制是航天型號產品研制生產過程中的關鍵，多余物檢查及排除是保證發動機可靠工作的重要環節。目前由于條件限制，液氧/煤油發動機總裝后，尚未進行整機狀態多余物滾動檢測，給發動機質量留下隱患。為確保交付發動機質量，提高發動機多余物檢測的有效性，開展了發動機多余物自動檢測工藝技術研究[3-5]，通過聲發射傳感器采集多余物在發動機滾動過程中的聲波信號實現多余物的自動檢測[6]。

1 發動機多余物自動檢測系統介紹

1.1 系統結構及組成

多余物自動檢測系統主要由主控系統、信號預處理系統、信號連續傳遞機構、信號處理系統、數據采集系統、計算機及專用檢測軟件等組成，系統結構如圖1所示。

圖1 多余物自動檢測系統結構圖Fig.1 Structure of automatic redundancy detection system

1.2 檢測原理

聲發射是指因能量的快速釋放而導致材料局部發出瞬態彈性波的現象，其本質也是一種機械波。在不同的應用場合，聲發射波的頻率范圍通常可以從幾赫茲到幾兆赫茲。一般而言，人耳無法聽見該信號，而需要高靈敏度的傳感器來輔助監測，從而聲發射傳感器應運而生[7-8]。

發動機多余物自動檢測技術是通過將被檢查產品進行滾動，使存在于產品內腔的金屬多余物與其內壁發生碰撞和滑動。在此過程中產生的聲信號以彈性波的形式傳播到產品的外壁，通過聲發射傳感器監測此信號，并轉換成相對應電信號輸出[9-10]。通過信號處理系統對信號進行數據校正，經過上位機內的軟件進行信號分析、波形處理與綜合判定，然后將波形及判定信息進行動態顯示，并給出多余物有無的判定信息和存在位置的參考信息。

1.3 檢測方式

1.3.1 檢測方法和步驟

由于液氧/煤油發動機結構比較復雜，檢測點數量多，聲發射傳感器可采集距其800 mm(機械連接)以內的多余物信號，根據發動機的結構和傳感器可檢測范圍,并通過多次試驗設計16組傳感器進行聲發射信號檢測，選用諧振式窄帶聲發射傳感器，聲發射傳感器將聲發射信號轉化為交流信號，并經前置放大器放大后，該交流信號一般含有各種噪聲信號并且僅為毫伏級[11-12]。因此，在前置放大器后設計調理電路(包含濾波器和功率放大器)，來對信號進一步放大和濾波，最終實現多余物有無判定和提供多余物存在位置參考信息。通過對檢測信號的采樣分析，由系統軟件通過程序運行判定是否存在多余物信號。通過對首次采集的信號進行分析，若存在多余物，再對存在疑似多余物的區域進行詳細檢測分析。然后在此區域內布置多組傳感器進行第二次或多次檢測，進一步確定多余物小區域范圍和位置。圖2為多余物信號采集處理系統圖。

圖2 多余物信號采集處理系統圖Fig.2 Signal acquisition and processing system for redundancy

1.3.2 可檢測多余物類型

可檢測多余物類型包括產品內腔活動的金屬焊渣及裝配過程中掉入產品內部并可活動的螺釘、螺母、墊片、密封墊、鉛封及保險絲等具有一定尺寸及重量的顆粒狀金屬多余物[13]。

1.3.3 系統檢測精度

系統采用高靈敏度聲發射傳感器，最高精度可以采集到體積和重量相當于Φ1 mm鋼珠大小的多余物信號。

2 浮動環及電磁干擾噪聲屏蔽技術

2.1 浮動環響聲干擾和電磁干擾

在開展液氧/煤油發動機多余物檢測工藝試驗時，發現渦輪泵內的浮動環在發動機轉動過程中會不定時發出響聲，由于浮動環的尺寸和重量較大，多余物檢測系統的多個傳感器都能檢測到浮動環響聲信號，檢測系統判定為多余物，影響了發動機多余物檢測結果的判定。針對渦輪泵內浮動環的響聲影響[14]，開展了浮動環干擾響聲影響規律的試驗研究。為了檢測發動機浮動環的響聲，將原本用于檢測環境噪音的16號傳感器固定在離浮動環最近的導管組件上，這樣16號傳感器既能接收到浮動環響聲，也可以接收到環境噪音及其他干擾信號，通過試驗發現浮動環每次發出響聲時總有6～10個傳感器會同時接收到觸發信號，并且固定在導管組件上的16號傳感器每次都能接收到觸發信號。

另外，在液氧/煤油發動機多余物自動檢測時，傳感器經常會不定時地接收到干擾信號，檢測系統判定為多余物。根據干擾信號的波形初步判定為電磁干擾，通過對周圍設備的排查沒有發現干擾源，而且干擾信號出現的時間和每次持續的時間都毫無規律，因此開展了電磁干擾影響規律的試驗研究。通過試驗發現電磁干擾每次出現時總有8～16個傳感器同時接收到觸發信號，并且閾值越低的傳感器越容易接收到干擾信號。圖3為電磁干擾信號的波形圖。

圖3 電磁干擾信號波形圖 Fig.3 Oscillogram of electromagnetic interference signal

2.2 干擾信號屏蔽方法

浮動環響聲與電磁干擾對發動機多余物檢測的影響規律有共同的特點，即干擾出現時至少有6個以上傳感器同時接收到觸發信號。通過研究，在多余物檢測系統后處理軟件中增加干擾信號屏蔽處理功能，可有效消除干擾信號的影響[15]，具體方法如下：

將固定在導管組件上的16號傳感器確定為檢測發動機浮動環響聲和電磁干擾的基準，軟件后處理以該通道信號為判定基準，第16通道有觸發信號且其它通道A秒內同時有觸發信號時(A值可調)，默認為浮動環響聲或電磁干擾引起的非多余物信號，系統判斷為無多余物；第16通道無觸發信號，其他通道有觸發信號時，系統判斷有多余物。圖4為屏蔽干擾后的多余物檢測信號(人為放置的多余物)。

3 發動機多余物自動檢測工藝參數研究

針對液氧/煤油發動機總裝過程中可能產生多余物的類型和大小，開展了多余物檢測工藝參數研究，通過試驗確定了發動機滾動的轉速、傳感器的閾值和觸發信號同步接受時間。

圖4 屏蔽干擾后的多余物輸出信號 Fig.4 Output signal of redundancy after shielding interference

3.1 發動機滾動轉速的確定

發動機多余物滾動檢查設備的轉速范圍為1～30轉/min。將發動機安裝在機械轉臺上后，在發動機機架側桿上捆綁內腔有多余物的標準試件，在試件上安裝傳感器進行檢測。進行了發動機轉速從1～30轉/min的檢測試驗。結果表明，轉速較低時，多余物在試件內的撞擊次數少，傳感器檢測到的多余物信號的次數也較少；轉速較高時發動機自身的振動量較大，轉動平穩性較差，綜合考慮確定發動機滾動的轉速為8轉/min。

3.2 傳感器閾值的確定

傳感器閾值是指能激發傳感器的最小能量值，為電壓值。通過對發動機裝配過程可能產生的多余物進行梳理，主要有密封墊、鉛封、卡尺上的螺釘、螺栓、螺母、墊片、鐵屑、保險絲等。采用Φ1 mm，Φ2 mm，Φ4 mm，Φ6 mm及Φ8 mm標準鋼球和定尺度的保險絲、鐵屑、密封墊等試件進行傳感器的閾值確定試驗，試驗結果如表1所示。試驗結果表明，發動機裝配過程可能產生的多余物的傳感器閾值為0.08～0.004，且當傳感器閾值大于0.028時，系統穩定、檢測結果準確；當傳感器閾值低于0.028時，容易出現噪聲，造成誤判(分析認為是發動機轉動過程中自身振動引起的信號，而非多余物造成的信號)。綜合考慮，將1～15號傳感器閾值設定為0.028。由于16號傳感器是檢測發動機浮動環響聲和電磁干擾的基準，將16號傳感器的閾值設定為0.015(閾值低于其他傳感器)，使其更容易接收到浮動環響聲和電磁干擾信號。

3.3 觸發信號同步接受時間的確定

觸發信號同步接收時間是指在16號傳感器與其他傳感器同時接收觸發信號的最短時間。系統可設定的最小值為20 ms，且可按20 ms的倍數增加。從20～200 ms進行發動機多余物檢測試驗，當時間小于等于40 ms，由于浮動環響聲傳到發動機某些傳感器測點的時間大于40 ms，系統判定為有多余物；當時間大于等于60 ms時，系統檢測穩定，沒有出現誤判現象，綜合考慮將1～15號傳感器與16號傳感器同時接收觸發信號的時間設定為60 ms。

表1 多余物類型與傳感器閾值對照表

Tab.1 Comparison between redundancytype and sensor threshold

多余物類型傳感器閾值/VΦ1 mm鋼球0.015Φ2 mm鋼球0.018Φ4 mm鋼球0.028Φ6 mm鋼球0.050Φ8 mm鋼球0.190Φ0.5mm×5 mm保險絲0.0043mm×1mm×0.5 mm鐵屑0.004L4密封墊0.030T4密封墊0.032M5墊片0.028M5螺母0.084M5螺栓0.150鉛封0.050卡尺上的螺釘0.080

4 驗證試驗

在確定發動機多余物自動檢測的轉速、傳感器的閾值和觸發信號同步接受時間3個工藝參數后，用液氧/煤油發動機樣機進行了多余物模擬檢測試驗。將1～14號傳感器固定在發動機上，15傳感器固定在標準試件上，標準試件捆綁在發動機機架側桿上，在標準試件內分別放置L4密封墊、T4密封墊、鉛封、卡尺上的螺釘、M5螺栓、M5螺母和M5墊片，系統均能檢出多余物，而且沒有誤判。

此外，開展了發動機內腔多余物驗證試驗，分解發動機導管與氧預壓泵連接處，將M5螺母系線繩放入導管內，固定在導管上的10號傳感器可檢測到多余物信號，其他傳感器無觸發信號，檢測結果準確可靠。

5 結語

通過試驗研究，獲得了液氧/煤油發動機多余物自動檢測中發動機浮動環和電磁干擾噪聲屏蔽方法，確定了發動機多余物自動檢測工藝參數。形成的發動機多余物自動檢測技術、干擾信號屏蔽方法以及自動檢測工藝參數的確定，為其他型號發動機多余物的檢測提供了技術借鑒。