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)動機(jī)渦輪葉片，壓縮器葉片是其中的關(guān)鍵之一。它們在高溫、高壓、高載荷等較為復(fù)雜的環(huán)境中發(fā)揮作用，同時很容易出現(xiàn)裂痕。在飛機(jī)檢測中視為重點(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，這樣我們通常會采取原處檢測的方法。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、視頻孔探等一些沒有損害的方法。但這種方法并不是對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渦輪盤齒嚙合，探頭不能準(zhǔn)確到達(dá)，所以對它不能進(jìn)行原位檢測。

1 飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片榫槽超聲波檢測探頭的現(xiàn)狀和意義

因?yàn)槲覈@項(xiàng)技術(shù)的起步比較晚，所以無法對葉片榫槽進(jìn)行超聲檢測，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正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門技術(shù)，只有少數(shù)的西方國家才能夠完全掌握這門技術(shù)，而我國在此項(xiàng)技術(shù)上還不夠成熟。

隨著我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展，我國的飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片榫槽超聲波檢測技術(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，使我國的無損檢測技術(shù)越來越數(shù)字化和信息化，在生產(chǎn)上也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，可以說為推動我國的航空事業(yè)起到了巨大的作用。

2 超聲波檢測原理

超聲波傳播時需要大量的能量，而其中大部分的能量主要集中在一個特定的很小的范圍里。超聲波對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，它對工件表面的各種狀況和材料晶粒度沒有什么敏感性。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、焊接接頭的無損檢測。在超聲波檢測缺陷時，超聲波的檢測在葉身部分，超聲波通過葉榫從而到達(dá)榫槽，如果在這個過程中遇到缺陷，那么它就會被反射，然后探傷儀就會接受被反射的超聲波，從而相關(guān)的缺陷信號就會在熒光屏上顯示出來，并且超聲波不會在榫槽處反射，因此確保了熒光屏上顯示出的缺陷波不摻加其他雜波，同時在很大程度上提高了信噪比。

3 超聲波探頭設(shè)計

3.1 確定探頭型式

探頭在飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片榫槽超聲波的原位檢測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，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，從而對榫槽進(jìn)行高靈敏度檢測。我們通過建立平面直角坐標(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，晶片面積無限大時我們就認(rèn)為主瓣角度達(dá)到直角。因?yàn)榫娣e不能無限大，所以這個假定在現(xiàn)實(shí)中并不可行。這樣，我們通常會對晶片的尺寸進(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，同時也會提高探測榫槽缺陷的靈敏度，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度、最小寬度、最小高度、晶片的長度、寬度、考慮探測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，對發(fā)動機(jī)葉片榫槽裂痕的檢測更具有高效性。當(dāng)葉片榫槽出現(xiàn)裂痕時，會同時觀察到裂痕回波，并且端面回波高度會受裂痕的影響，輕則高度降低，嚴(yán)重會出現(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)在電力絕緣子檢測上。事實(shí)上，超聲波檢測某些焊縫或是一些較難檢測的零件部位有一定的特別之處是其他檢測物不能及得上的。堅信超生波檢測儀器會不斷進(jìn)步，并會有很廣闊的發(fā)展前景。

[1]江濤.發(fā)動機(jī)葉片榫槽爬波原位檢測系統(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)動機(jī)葉片榫槽超聲爬波檢測探頭設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011.03.007.