聲發射技術的飛機液壓導管靠磨損傷檢測方法

于春風，王小祥，王秉卓，孟 欣

(1.海軍航空大學青島校區，山東青島，266000； 2.91306部隊，上海，200000)

飛機液壓系統管路作為實現液壓傳遞的重要環節，通常工作在高壓狀態，且受振動較強，易與相鄰導管、機體結構或其它機載設備間發生靠磨損傷乃至破損，若導管斷裂導致液壓系統泄漏或失效等事故，將嚴重危及飛行安全。

導致液壓導管出現靠磨損傷的可能是多樣的：①導管固定卡箍在振動環境下出現松動，導管振幅增大，與相鄰物體間歇接觸，從而產生摩擦和碰撞。②導管在其他設備安裝時受到擠壓，與相鄰機箱接觸。③飛機維修工作不當導致導管安裝位置或走向改變，與機體或其他結構接觸等。

實際保障工作對于液壓系統管路的保養維護普遍停留在目視檢查階段，并且部分導管敷設于目視檢查不可及的部位，易長期被忽視。受飛機制造、飛行使用、維護工作等各類因素影響，導管靠磨損傷的問題已不同程度地在現役飛機中出現，應得到足夠重視。然而，目前對于飛機液壓管路檢測技術的研究多以導管疲勞裂紋、共振破裂、閥門泄漏等方面為主[1-3]。

聲發射檢測是一種無源被動式的無損檢測技術，兼具可動態實時監控、檢測區域面積大、信號處理方法多樣，檢測過程不影響設備正常工作等技術優勢，應用于飛機結構塑性形變、裂紋擴展、管路泄漏等方面的檢測[4-8]。對此，本文提出基于聲發射技術的飛機液壓管路靠磨損傷檢測方法：提取飛機液壓系統導管靠磨損傷的聲發射信號，在時域內進行特征參數分析、特征提取和損傷模式識別，從而判斷導管是否存在靠磨損傷。

1 導管靠磨損傷機理分析

“靠磨”是各類導管的檢查和維護中經常使用的詞語，是在飛行裝備保障實際工作中實踐總結出的，并未有明確的理論釋義，本文針對液壓導管中的“靠磨”現象做出定義：液壓導管與其他各類導管、結構件、線纜、設備機箱等其他除設計之外的物體之間，在相對運動過程中，接觸面間因物理接觸而導致的非正常機械損傷的總稱。“靠磨”所描述的相對運動過程是不確定的，接觸形式的不同直接影響振動作用下相對運動的形式，該過程包括因接觸分離導致的碰撞損傷和相對滑動產生的摩擦磨損。

1.1 碰撞損傷

碰撞損傷發生在導管靜態下未與其他物體發生物理接觸(或是接觸但兩表面間并不存在相互作用力)的情況下。振動載荷作用時，導管以一定周期和規律開始受迫振動，與相鄰物體之間發生間歇接觸(分離)，進而產生碰撞損傷。

如圖1所示，導管A相對B不僅存在水平運動，同時存在相對遠離和靠近方向上的豎直運動，其合成的運動方向可以是任意的，表現為A與B發生碰撞。需要指出：在該接觸形式下損傷以碰撞為主，但通常也伴隨有間歇的摩擦磨損。

圖1 碰撞損傷示意

振動條件下的間歇接觸(分離)，接觸面間存在碰撞，其過程伴隨著能量的交換和釋放，并以彈性波(應力波)的形式向外輻射，即聲發射。

1.2 摩擦磨損

摩擦磨損表現在導管在靜態時已經受力F與其他物體持續且較為緊密接觸的情況下，如圖2所示，在一定程度的振動載荷作用下，接觸面間將保持接觸并產生滑動摩擦磨損。

圖2 摩擦磨損示意

摩擦磨損是伴隨著摩擦而產生的，是相互接觸的物體相對運動時，表層材料不斷發生損耗的過程或者產生塑性形變的過程。常用摩擦磨損機理分析主要為：黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損[9]。導管在連接和敷設中多使用的是緊密配合，振動載荷作用下，多在連接和固定位置產生疲勞磨損和微動磨損。摩擦磨損的主要機理是因相對滑動產生的黏著磨損。

黏著理論可用于解釋摩擦磨損機理[10](圖3)。據黏著理論，兩接觸表面在載荷作用下，某些接觸點的單位壓力大產生黏結或冷焊，當兩表面相對滑動時，黏著點被剪斷，剪斷這些黏著點的力即為滑動摩擦力。

圖3 黏著理論微觀過程

黏著磨損的本質是一種微觀動態的過程，在剪應力作用下，材料原子發生位錯是在包含其伯格斯矢量的平面上運動，稱為位錯滑移。位錯運動是滑移變形的元過程，當位錯運動以足夠高的速度運動時，其周邊存在的局部應力場即成為聲發射源，進而釋放能量，從而產生聲發射。

需要指出的是，上述損傷形式在導管靠磨損傷過程通常不是單一存在的，碰撞損傷過程由于接觸面之間存在水平方向的相對運動，因此也伴隨有摩擦磨損；另一方面，振幅達到一定程度時，摩擦磨損的接觸面間也會發生碰撞損傷。本文正是利用碰撞損傷和摩擦磨損二者均會產生聲發射向外釋放能量的共性，不加區分地對二者聲發射信號能量進行檢測，進而達到判斷靠磨損傷是否存在的目的。

2 聲發射檢測技術

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(acoustic emission, AE) 也稱為應力波發射。聲發射檢測技術是利用聲發射檢測儀器對聲發射波信號進行采集、分析和處理的技術。

2.1 聲發射檢測原理

靠磨導管在振動載荷作用下產生碰撞或是特定的磨損，并以彈性波的形式向外釋放能量，對其進行聲發射檢測可以找出導管或構件中的聲發射源，并確定聲發射源的性質，進而判斷是否有導管靠磨損傷發生。

聲發射檢測的一般原理如圖4所示。聲發射源產生的彈性振動以應力波的形式傳播一段距離后，到達材料(導管)的表面，引起材料的表面位移。聲發射傳感器內置壓電元件敏感材料產生的表面位移，受力產生形變，表面出現電荷，從而將被測材料表面振動轉換為電信號。典型的聲發射檢測系統中，聲發射傳感器將材料表面形變轉換為電信號，經前置放大器放大、濾波器濾波、主放大器再放大后，由數據采集卡(模/數轉換器)進行采集，送入計算機進行數據處理和分析，判定聲發射源的特性。

圖4 聲發射檢測的一般原理

2.2 AE特征參數分析

AE特征參數分析是對測得的聲發射信號進行初步的處理和整理，變換成不同的聲發射信號特征參數，并對這些特征參數加以統計分析，從而對聲發射源的特征進行分析和判斷的方法[11]。常用的AE信號特征參數有振鈴計數、幅值、能量、上升時間、持續時間和撞擊數等，如圖5所示。

圖5 聲發射特征參數定義

特征參數分析可以從不同角度描述同一物理過程的聲發射信號的特征。設計該類方法作為模式識別中的特征提取與選擇環節，具有對設備硬件的要求較低，分析速度快，易于實現實時監測，數據波形直觀易于判斷故障模式的優勢。選用合適的數據處理方法，可減弱其簡化波形所帶來的局限性影響。

關聯圖分析法是聲發射信號處理的常用方法之一。關聯圖通過對聲發射信號的任意兩個特征參數進行關聯處理，可以綜合分析聲發射源的特征，剔除無用的噪聲信號，從而起到降噪、辨別聲發射源的作用[12]。本文分別對實驗數據的幅值-時間、能量-時間進行關聯分析，并就關聯圖展示靠磨損傷的聲發射信號特征。

3 損傷特征提取實驗設計

3.1 實驗方案

機上檢測實驗方案設計如圖6所示，將振動加載裝置安裝于試樣導管上，以6號硅油作為耦合劑，使用3D打印的專用夾具將聲發射傳感器安裝在試樣側表面上。實驗過程中，試樣與預設靠磨點在振動載荷作用下靠磨損傷，產生聲發射信號，耦合在試樣上的聲發射傳感器采集到聲發射信號后，經聲發射采集卡傳送至外接計算機。計算機記錄試樣導管在載荷作用下產生靠磨損傷的聲發射信號的特征參數和波形，并進行分析和處理。

圖6 機上檢測實驗方案

實驗選用Vallen-AMSY-6型聲發射檢測儀：①采集設備為Vallen MB2-V1；②聲發射傳感器型號為VS150-M，部分參數如圖7所示，其響應頻率范圍100～450 kHz，中心頻率150 kHz。

圖7 VS150-M及其頻率響應曲線

振動加載裝置如圖8所示。導管夾具使用SolidWorks軟件設計建模，由樹脂材料3D打印而成；電機部分選用N20小型振動電機，供電范圍1.5～12 V(調速控制)。

圖8 振動加載裝置

3.2 靠磨損傷檢測實驗

如圖9所示，選取機上某艙段內已知的一處靠磨損傷導管作為試樣進行實驗。兩液壓導管靠磨部位間填充毛氈作為防護措施，隔離兩導管，防止靠磨發生，以便進行對照實驗。聲發射傳感器安裝于距導管預設靠磨位置約30 cm處，與導管表面填充硅油作為耦合劑。振動加載裝置安裝于距導管靠磨位置異側(相對傳感器)約70 cm處，如圖10所示。

圖9 導管靠磨點和聲發射傳感器相對位置

圖10 振動加載裝置安裝

3.3 實驗數據分析

在相同振動載荷作用下，分別檢測試樣導管在導管隔離(無靠磨損傷)和導管靠磨損傷所產生的聲發射信號。圖11、圖12為聲發射幅值-時間關聯圖，圖13、圖14為聲發射能量-時間關聯圖，其中黑色為導管隔離實驗，紅色為導管靠磨損傷實驗。

圖11 聲發射幅值-時間關聯圖(導管隔離)

圖12 聲發射幅值-時間關聯圖(導管靠磨)

對比圖11、圖12，在相同振動載荷條件下，導管靠磨損傷實驗的聲發射信號幅值明顯高于導管隔離實驗，且存在大量高幅值散點分布于聲發射幅值總體的上方。這些存在于聲發射幅值總體的上方的大量高幅值散點可認為是導管靠磨因其間歇碰撞損的傷聲發射幅值-時間特征。但是實際檢測工作是為了發現導管是否存在靠磨損傷的情況，首先建立上述對照實驗是不現實的；其次在電子干擾信號較強的檢測環境中，檢測得到的聲發射信號幅值也可能呈現出圖12的幅值-時間特征。因此，僅通過時間-幅值相關圖并不能達到識別靠磨損傷聲發射信號特征的目的，需進一步對能量-時間作相關處理來輔助模式識別。

圖13 聲發射能量-時間關聯圖(導管隔離)

圖14 聲發射能量-時間關聯圖(導管靠磨)

通過能量-時間關聯可區分出具有較高幅值，但能量卻很小的噪聲信號，對比圖13、圖14，可以看到：在振動載荷周期變化過程中，無靠磨導管的聲發射能量值總體跟隨載荷變化呈周期性變化，且能量數值整體穩定在0～400 eu之間，各時刻的能量值分布密集且均勻。相比之下，導管靠磨損傷的聲發射能量值相差很大，總體分布于0～800 eu之間，且能量值集中在200～400 eu和600～800 eu兩段范圍內，呈平行帶狀分布。平行帶的上半部分是導管靠磨損傷的聲發射特征信號，能量源于靠磨損傷過程中導管間接觸與分離產生碰撞損傷釋放的動能，以及摩擦磨損微觀位錯運動應力場釋放能量，致聲發射能量將明顯高于同振動載荷條件下于導管隔離實驗數值。

通過對實驗數據的特征參數相關分析，能夠實現對導管靠磨損傷的聲發射信號特征的提取，證明了基于聲發射技術檢測飛機液壓系統導管靠磨損傷的方法是可行的。

4 結論

本文明確了導管靠磨損傷的定義，分析了導管靠磨的物理過程和機械損傷機理，提出基于聲發射技術的飛機液壓導管靠磨損傷檢測方法，通過機上實驗證明了該技術路徑對飛機液壓導管靠磨損傷進行檢測的可行性，并得出以下結論:

1)振動載荷作用下，導管因物理接觸所產生的靠磨損傷，其過程包含的碰撞損傷、摩擦磨損，使聲發射幅值、能量參數明顯高于正常數值。

2)導管靠磨損傷的聲發射信號特征是：能量參數散點分布呈平行帶狀分布；幅值參數有較多高幅值散點分布與幅值總體上方。