樊 森,王召巴,金 永,陳友興

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原030051)

0 引 言

絕熱層作為燃燒室與殼體間的隔熱結(jié)構(gòu),其作用是防止發(fā)動(dòng)機(jī)殼體達(dá)到危及其結(jié)構(gòu)完整性的溫度[1]。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體/絕熱層界面間的粘接質(zhì)量直接影響火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全和工作性能。國內(nèi)多家單位從事發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層粘接質(zhì)量方面的研究。中國航天科技集團(tuán)公司四院和上海航天技術(shù)研究院分別采用直接接觸式的超聲檢測方法對殼體/絕熱層界面和殼體/絕熱層/推進(jìn)劑界面脫粘檢測進(jìn)行了研究[2-3]。中北大學(xué)和北航現(xiàn)代無損檢測中心分別提出并采用板波誘發(fā)波超聲檢測技術(shù)和超聲波聚焦探頭雙模式檢測技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)包覆粘接情況進(jìn)行檢測[4-5]。

針對某型大口徑固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有殼體橢圓度較大,且為增加殼體/絕熱層界面粘接的接觸面積和粘接強(qiáng)度,殼體內(nèi)壁采用噴砂工藝進(jìn)行處理,內(nèi)壁粗糙且顆粒感較強(qiáng)的特點(diǎn),直接接觸式檢測容易磨損殼體和探頭,而且較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測;經(jīng)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,由于板波誘發(fā)波和聚焦探頭雙模式波在該殼體內(nèi)多次反射,對殼體與探頭間離要求較高,并且容易在顆粒狀界面產(chǎn)生散射,路徑變化較大,特征信號較難提取,無法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的測量。因此本文采用超聲水浸式方法實(shí)現(xiàn)非接觸測量,并通過試驗(yàn)選用受粘接面粗糙度影響較小的單探頭聚焦脈沖回波法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,研制了一套殼體/絕熱層界面粘接質(zhì)量自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)檢測原理

根據(jù)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)殼體橢圓度大且內(nèi)壁采用噴砂工藝處理的特點(diǎn),經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)采用焦柱長,能量集中,特征信號受上述因素影響較小的水浸式單聚焦脈沖回波法對其殼體/絕熱層結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測。檢測對象及原理如圖1所示。

圖1 檢測對象及原理示意圖Fig.1 Detection object and theory

由于探頭直徑遠(yuǎn)小于被測殼體直徑,故將殼體弧面簡化為平面進(jìn)行計(jì)算。如圖1所示,探頭在水介質(zhì)中焦距為f,焦點(diǎn)位于f1,鋼殼中焦點(diǎn)位于 f2,聲束在水中行程h,鋼殼板厚度a,鋼板下表面至f 1距離b,由水入射至鋼界面入射角α,在鋼中折射角β。根據(jù)圖示幾何關(guān)系可以得出:

探頭入射至殼體,入射角度小于水/鋼第一臨界角,根據(jù)波形轉(zhuǎn)換聲壓關(guān)系,折射中縱波分量占主導(dǎo)[6],通過Snell定律則有:

將水、鋼中的聲速及殼體厚度a代入(2),(3)式,得到探頭中心距殼體距離h。

為保證特征信號的能量和分辨率,系統(tǒng)選用晶片直徑 Ф10 mm,頻率 5 MHz,焦距40 mm的聚焦探頭。調(diào)節(jié)探頭中心距殼體外表面距離滿足上述計(jì)算所得高度,從而使探頭的聚焦至殼體/絕熱層的界面f2處。信號能量分布及特征區(qū)間選定如圖2所示。

圖2 粘接狀態(tài)特征信號波形Fig.2 Signaturewaveform of bond state

經(jīng)試驗(yàn)證明,使用單聚焦測頭脈沖回波法,將聚焦焦點(diǎn)調(diào)整到殼體/絕熱層界面時(shí),脫粘與好粘信號所選特征區(qū)間內(nèi)能量值區(qū)分度達(dá)到38.29%,可以通過對該特征值的判斷以獲得檢測位的粘接質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求在檢測范圍內(nèi)可以設(shè)定脫粘測量的起始和結(jié)束位置,能夠準(zhǔn)確確定缺陷位置且分辨率達(dá)到Ф5 mm以下。

基于上述檢測原理和檢測要求,系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)圓周旋轉(zhuǎn),超聲探頭直線進(jìn)給從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層粘接質(zhì)量進(jìn)行螺旋C掃描。自動(dòng)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Detection system composition

系統(tǒng)采用工控機(jī)作為控制和處理核心,通過各模塊對機(jī)械動(dòng)作和檢測參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分布示意圖Fig.4 System structural and function distribution

其中發(fā)動(dòng)機(jī)圓周向旋轉(zhuǎn)和超聲波探頭盒軸向移動(dòng)由I/O和D/A模塊分別對兩個(gè)變頻電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。通過兩個(gè)方向上速度的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對被測筒體按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行螺旋C掃描。掃描過程中,霍爾開關(guān)負(fù)責(zé)圓周向起始和結(jié)束位置的確定;編碼器信號提供超聲測頭的采集頻率;而位于絲杠端部的光電開關(guān)則反饋絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)情況以控制探頭盒的進(jìn)給,通過上述參數(shù)的記錄從而獲得缺陷的位置參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)自動(dòng)檢測實(shí)現(xiàn)

采用上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層粘接質(zhì)量自動(dòng)檢測過程如下圖5所示。

圖5 檢測過程示意圖Fig.5 Sketch of detection process

系統(tǒng)自動(dòng)檢測過程如下:

(1)裝卡發(fā)動(dòng)機(jī)至檢測臺,啟動(dòng)檢測系統(tǒng)并按照待檢對象設(shè)定檢測起始及結(jié)束位置的參數(shù);

(2)探頭盒內(nèi)的水和發(fā)動(dòng)機(jī)筒體良好接觸后,啟動(dòng)檢測程序,系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)開啟轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī),筒體按照設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行圓周向旋轉(zhuǎn);

(3)控制脫粘電機(jī)將探頭盒復(fù)位至檢測起始位傳感器處,復(fù)位完成后,系統(tǒng)根據(jù)絲杠光電開關(guān)輸出的脈沖將探頭盒移動(dòng)至設(shè)定的檢測位置;

(4)檢測開始,零點(diǎn)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)圓周向檢測起始點(diǎn)確定,系統(tǒng)控制超聲采集卡按照編碼器信號提供的工作頻率進(jìn)行采集,依據(jù)特征回波的能量判斷發(fā)動(dòng)機(jī)殼體/絕熱層界面的粘接狀態(tài);

(5)預(yù)設(shè)的檢測范圍全部完成后,系統(tǒng)將探頭盒重新復(fù)位,并對所測范圍內(nèi)的脫粘情況處理后成像顯示。

系統(tǒng)自動(dòng)檢測過程由程序控制,其流程圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)檢測結(jié)果

系統(tǒng)對已制作人工缺陷的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體/絕熱層界面粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行螺旋C掃描。獲得的界面粘接質(zhì)量圖像如圖7所示。

圖6 自動(dòng)檢測控制程序流程圖Fig.6 Auto-detection control flowchart

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)粘接情況C掃描圖Fig.7 C-scan of SMRbond state

原始掃描圖較直觀地顯示制作的33個(gè)人工缺陷全部檢出。其中橫向A,B位置20個(gè)缺陷位于粘接面采用透明膠粘貼圓片制作,從中間到兩側(cè)依次為 Ф12 mm,Ф10 mm,Ф8 mm,Ф5 mm,Ф3 mm;縱向 C位置和D處的缺陷采用將粘接好的絕熱層人工挖空的方法制作,C位置7個(gè)缺陷從上到下依次為Ф12 mm圓,邊長30 mm等腰直角三角形,長軸24 mm、短軸15 mm類橢圓,邊長8 mm正方形,Ф5 mm圓,45 mm×9 mm長方形,邊長8.5 mm等腰直角三角形,Ф8 mm圓;D位置缺陷采用標(biāo)準(zhǔn)皮帶沖制作,從上到下從左到右面積依次為Ф8 mm,Ф5 mm,Ф3 mm,Ф12 mm,Ф10 mm 。

由于殼體為旋壓成型,超聲能量聚焦至粘接面位置,原始掃描圖含有殼體旋壓螺紋的檢測噪聲。為改善掃描圖質(zhì)量,系統(tǒng)采用橫向與縱向兩次一維中值濾波的方法獲得掃描結(jié)果的背景螺紋信息并與原始信號做差,從而減小殼體紋理對背景對缺陷特征信號的影響以提高信噪比。

如圖8(a)所示。經(jīng)過中值濾波降噪后,C掃描圖8(a)所示脫粘區(qū)域信號信噪比較高,能量分布較為均勻,便于閾值的設(shè)定從而確定缺陷的面積。

圖8 脫粘缺陷中值濾波及二值化圖Fig.8 Median filtering anebinary image

表1 檢測結(jié)果/實(shí)際缺陷對比Table1 Test result/actual flaws

由于不同殼體特征能量存在差異,系統(tǒng)在閾值設(shè)定上,采用基于均值和方差的浮動(dòng)閾值將掃描結(jié)果進(jìn)行二值化,得到圖8(b)所示的脫粘缺陷二值化圖。對缺陷面積的計(jì)算系統(tǒng)選用種子填充算法實(shí)現(xiàn),并根據(jù)起始檢測位置的參數(shù)設(shè)置和霍爾開關(guān)的零位標(biāo)記計(jì)算得到對應(yīng)缺陷的軸向及圓周向位置。將檢測結(jié)果與界面實(shí)際制作人工缺陷的面積相比較,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

其中,11#檢測面積為制作缺陷時(shí)貼合膠帶的整個(gè)面積,判斷該缺陷在絕熱層加工時(shí)空氣溢出,充斥整個(gè)膠帶,從而出現(xiàn)上述檢測結(jié)果。除該缺陷外,系統(tǒng)對位于A、B、D處采用面積準(zhǔn)確的圓片和皮帶沖制作的人工缺陷檢測較為準(zhǔn)確。而C位置的缺陷采用對成型絕熱層進(jìn)行人工挖空的方法制作,其精度較難保證,故出現(xiàn)缺陷面積檢測的差異。

通過與標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷面積對比得出系統(tǒng)對缺陷面積計(jì)算較為準(zhǔn)確,面積為Ф3 mm的4個(gè)人工缺陷全部檢出,系統(tǒng)的最小分辨率達(dá)到了Ф3 mm。

4 結(jié) 論

針對發(fā)動(dòng)機(jī)殼體橢圓度較大,且粘接面經(jīng)噴砂處理粗糙的特點(diǎn),該檢測系統(tǒng)采用超聲波單聚焦測頭反射回波法對殼體/絕熱層界面脫粘質(zhì)量進(jìn)行檢測,通過螺旋C掃描的方式,獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)界面粘接質(zhì)量圖像,缺陷位置和面積計(jì)算較為準(zhǔn)確,其脫粘檢測分辨率達(dá)到Ф3 mm。系統(tǒng)較好地解決了該系列固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體/絕熱層粘接質(zhì)量的自動(dòng)檢測問題,實(shí)現(xiàn)了檢測過程自動(dòng)化,檢測結(jié)果直觀化、智能化。同時(shí),系統(tǒng)具有一定的通用性,針對不同規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層粘接質(zhì)量的檢測,可以通過調(diào)整支撐輪的間距予以實(shí)現(xiàn)。同時(shí),由于聚焦測頭焦柱較長,殼體厚度相似的發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用相同的探頭盒進(jìn)行檢測。

但由于工藝的革新,該絕熱復(fù)合材料超聲聲衰減較大,目前無法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對其絕熱層/襯層結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測。

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