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(南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室,南昌 330063)
圖1 壓氣機轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)示意
圖2 壓氣機葉片輪盤結(jié)構(gòu)示意圖
壓氣機葉片通常采用軸向燕尾型榫頭榫槽結(jié)構(gòu),以多處面接觸的形式與輪盤連接。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,壓氣機輪盤結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。這種軸向燕尾型榫頭通常用于級數(shù)不多的低壓轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機前幾級轉(zhuǎn)子中。壓氣機轉(zhuǎn)子葉片承受載荷的榫頭面積大,能承受較大的離心載荷,因此在葉片高度較高的前2~4級葉片多采用軸向燕尾榫頭。由于壓氣機葉片承受著離心力、熱應(yīng)力、振動應(yīng)力以及氣動應(yīng)力等復雜載荷的作用,葉片根部不僅易產(chǎn)生較嚴重的應(yīng)力集中,而且受力狀態(tài)較為復雜。壓氣機葉片在服役期間,要經(jīng)過啟動、運轉(zhuǎn)和停車等過程,其中應(yīng)力應(yīng)變溫度的循環(huán)以及葉片振動在葉片根部部位會產(chǎn)生低周和高周疲勞[1-2],故,葉片根部部位成為發(fā)動機事故多發(fā)部位之一。對斷裂葉片榫頭斷口的分析表明,葉片斷裂屬于疲勞擴展開裂,斷裂源在葉片排氣邊,源區(qū)內(nèi)有明顯的疲勞條紋等。
采用渦流檢測法檢測疲勞裂紋,不僅可靠性高、操作簡單,而且在檢測時不需清除零件表面的油脂、積碳和保護層,還可進行原位檢測,因此,在航空維修中得到了廣泛的應(yīng)用。由于壓氣機葉片榫頭根部是不規(guī)則曲面,且受現(xiàn)場空間限制,不能采取傳統(tǒng)的掃查方式對其進行檢測,故對傳感器提出了新的要求,要吻合復雜的檢測面且要能達到在役檢測的要求。目前使用的傳感器大都是從各方購買的普通傳感器,其靈敏度低、可達性差。因此,需根據(jù)葉片根部不規(guī)則形面的變化,設(shè)計與葉片根部曲面相吻合的探頭仿形面,使其適用于葉片根部的檢測。筆者介紹的渦流檢測傳感器正是在這一思想下研制成功的。
傳感器由磁芯、線圈、屏蔽電纜等組成,在線圈中通以一定頻率的電流,變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場,變化的磁場靠近導體,導體表面又感生出變化的電流,即渦流。當試件表面或近表面出現(xiàn)缺陷時,渦流的大小及分布會發(fā)生變化,進而影響探頭線圈的電壓和阻抗大小,通過檢測線圈電壓和阻抗的變化,可分析被測試件表面及近表面是否有缺陷。為了得到線圈阻抗變化的特性,必須知道反磁場的空間分布特性,要知道反磁場的空間分布規(guī)律,就必須研究被測導體上的渦流分布規(guī)律。根據(jù)渦流環(huán)原理,將被測導體看成一個渦流環(huán),其與傳感器的線圈磁性相連,組成一個等效電路,即變成了一個空心的變壓器[4]。基于變壓器原理,將傳感器線圈看成變壓器原邊,被測體中渦流電路看成副邊,即可得到電渦流傳感器的等效電路,如圖3所示。
圖3 電渦流傳感器等效電路
為了實現(xiàn)對微小缺陷的測量,有效拾取磁場量,線圈的體積應(yīng)越小越好。為了增強檢測效果,在線圈中應(yīng)加入磁芯。加入磁芯后,磁感線都集中到了磁芯上,從而磁芯中的磁通密度增大,即磁感應(yīng)強度增大。
圓柱形磁性材料處于交變磁場中的渦流損耗P可用式(1)表示[6-7]
(1)
式中:f為激勵頻率;Bm為飽和磁感應(yīng)強度;d為磁芯的直徑;ρ為磁芯材料電阻率;D為磁芯材料的密度。
從式(1)可知,要使渦流損耗最低,應(yīng)該盡可能地使用較低的飽和磁通密度和電導率,以最大程度地減少磁通衰減。另外,考慮到磁芯中電磁感應(yīng)的存在會不斷地產(chǎn)生焦耳熱,因此磁芯材料需要具有較高的居里溫度Tc。
另外,考慮到磁芯材料高頻環(huán)境的材料特性,磁芯加工的難易程度、成本等因素,文章主要對在中頻下常用的磁芯材料(錳鋅和鎳鋅材料)的特性作了對比(見表1)。
表1 鐵氧體磁芯材料特性對比
錳鋅和鎳鋅材料鐵氧體都具有較低的飽和磁通密度和電阻率,能夠最大程度地減小磁場的衰減;且由于鎳鋅材料電阻率較高,適合在頻率較高的環(huán)境下工作。根據(jù)檢測的壓氣機葉片材料可知,激勵頻率不宜過高,在頻率低于2 MHz時,錳鋅材料的性能明顯好一些。錳鋅材料的初始磁導率高于鎳鋅材料的,在達到磁飽和前將得到更高的磁通密度[8]。因此,傳感器選擇錳鋅材料作為磁芯的材料,以最大程度地減少磁場的衰減,提高檢測靈敏度。
在帶有磁芯的線圈上通以交流電,軸線上的磁感應(yīng)強度可根據(jù)畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律[5]得到
(2)
式中:μ0為真空磁導率;I為激勵電流;r為磁芯線圈的半徑;x為軸線上某點M到線圈平面的距離。
通過設(shè)置不同的磁芯尺寸對比,在保持被測體與探頭距離不變的情況下,設(shè)置不同的磁芯尺寸。
圖4 傳感器線圈電阻、感抗與檢測距離之間的關(guān)系曲線
傳感器線圈電阻、感抗與檢測距離之間的關(guān)系曲線如圖4所示,由圖4可以看出,由于風扇葉片為非鐵磁性材料,磁芯的加入會提高線圈對檢測距離的靈敏度,且在相同的檢測距離下,線圈的電阻和感抗都明顯增大。主要原因是磁芯使線圈中的一次場增強,由一次場在被測體中感應(yīng)的二次場也相應(yīng)增強。雖然一次場和二次場方向相反,但穿過線圈的總磁通鏈增加(耦合系數(shù)小于1),故在相同檢測距離下線圈的電阻和感抗都明顯增加。此外,隨著檢測距離的增加,一次場和二次場的耦合系數(shù)減小,線圈電阻和感抗的變化與空心線圈基本相同,故線圈對檢測距離的靈敏度得到了提高[6]。
磁芯雖然能將大部分磁場限定在被關(guān)注區(qū)域,但仍然有部分磁場散布在空氣中,使得傳感器線圈對檢測距離的靈敏度的提高受限。因此,可以通過優(yōu)化磁芯的幾何結(jié)構(gòu),改變磁路以獲得更高的靈敏度。假設(shè)磁芯高度h和半徑r的比值為λ,當λ=2,3,4,5時,分別研究其對線圈阻抗和檢測距離關(guān)系的影響,結(jié)果如圖5所示。
圖5 磁芯高度與半徑的比值對線圈阻抗與 檢測距離關(guān)系的影響
由于被測體為非鐵磁性材料,磁芯的高度或半徑對線圈電阻的影響極小,但對感抗的影響較大,磁芯高度減小或半徑增大會使得磁芯的靈敏度升高。根據(jù)靈敏度的要求以及線性范圍的要求,文章選取直徑為2~4 mm的錳鋅磁芯。
航空發(fā)動機葉片材料大多是鈦合金和高溫合金材料,其電導率范圍為(2~10)×105S·m-1,非磁性材料的相對磁導率為1。渦流檢測時特征頻率按式(3)選取。
(3)
式中:μr為相對磁導率;σ為電導率;Db為磁芯的直徑。
由式(3)可求得fg范圍為4.129 kHz~20.649 kHz。
在檢測葉片根部的疲勞裂紋時,其工作頻率選取f=(10~50)fg,由此計算出檢測的工作頻率在206.496 kHz~1.032 4 MHz間。
檢測儀器采用實驗室自主研發(fā)的渦流檢測儀器,激勵電流部分采用由場效應(yīng)管組成的柵-漏雙諧振回路振蕩器。振蕩器的振蕩頻率主要由探頭組成的并聯(lián)諧振回路決定,漏極回路作為諧振放大電路,如果探頭回路參數(shù)發(fā)生變化(由于探頭接觸到試件表面的裂紋處),柵極回路電壓會下降及振蕩頻率發(fā)生變化[9]。因此,在漏極諧振回路上產(chǎn)生的電壓也就會發(fā)生變化。圖6所示為柵極回路中由探頭組成的并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)示意以及頻率與電流的關(guān)系曲線。在并聯(lián)諧振電路中,如果線圈中的電流與電容中的電流相等,則電路就達到了并聯(lián)諧振狀態(tài)。此時除LC并聯(lián)部分外,其他部分的阻抗變化幾乎對能量消耗沒有影響。
圖6 柵極回路LC并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)和頻率與電流的關(guān)系曲線
諧振頻率計算公式為
(4)
式中:L為線圈電感;C為電容。
根據(jù)工作頻率f與諧振頻率f0,選取合適的并聯(lián)電容與線圈電感,使諧振頻率達到工作頻率。通過重復試驗得到,線圈電感為15~35 μH,線圈匝數(shù)為20~30。
圖7 葉片根部檢測位置的不規(guī)則曲面
圖8 葉片根部磁芯檢測示意(根部存在R角)
在實際檢測中,渦流檢測的對象是葉片根部,其幾何形狀較為復雜,在渦流檢測時勢必會存在較大的提離效應(yīng)。圖7所示為葉片根部的檢測位置,可以看出,根部位置存在R角。為了保證被測葉片中的磁場強度,必須盡可能地消除提離。圖8為磁芯檢測示意(圖中α為葉片曲率角)。因此,根據(jù)葉片根部的形狀特點,對磁芯檢測面進行加工,使得磁芯的檢測面可以更好地貼合葉片根部檢測部位,減少提離效應(yīng)。具體的做法是:
(1) 確定葉片根部檢測部位的曲率變化,由于檢測部位是一個不規(guī)則的曲面,存在不同程度的曲率,對試驗的葉片根部檢測部位的曲率進行精確測量,葉片根部曲率角測量示意如圖9所示,然后計算出試驗葉片曲率的偏角α1,α2,α3,…,αn的平均值。
(5)
由于葉片根部在出廠前經(jīng)過磨削加工,任何一塊葉片的曲率角都在(-3σ,+3σ)的范圍內(nèi)(σ為葉片曲率角的標準差值),雖然葉片的曲率角會各不相同,但是在磁芯的實際加工過程中發(fā)現(xiàn),曲率角的標準差σ≤0.04 mm,3σ≤0.12 mm,而由正態(tài)分布知識可知,有99%的葉片曲率角的變化在±0.12 mm范圍內(nèi),根據(jù)傳感器的靈敏度(≥0.2 mm的裂紋),可以將曲率角變化范圍內(nèi)的波動忽略。
圖9 葉片根部曲率角測量示意圖(以某點為例)
(3) 實際加工過程中,使用醫(yī)用的咬合紙貼合葉根檢測位置,使磁芯檢測面接觸葉根檢測位置,磁芯自動標記上接觸點位置,使用工具修磨接觸點,重復操作,慢慢地加工磁芯接觸點,直到接觸點完全被標記,即磁芯接觸面完全吻合葉根檢測位置。圖10,11分別為磁芯加工示意和加工后的磁芯形狀。
圖10 磁芯加工示意
圖11 加工后的磁芯(φ4 mm)
加工設(shè)計好磁芯后,把線圈緊密繞制在距離檢測端面1 mm的磁芯上,繞制好一定匝數(shù)后,測量其電感大小,若符合要求,引出接線端,即可用絕緣漆將線圈固定,待絕緣漆風干后用環(huán)氧樹脂封裝好,根據(jù)實際檢測的復雜工況,需要設(shè)計傳感器工裝,將設(shè)計加工好的傳感器固定在工裝的特定位置,圖12(a)為傳感器工裝部分的設(shè)計圖。將線圈的兩根引出線分別連接到同軸電纜線一端的芯線和屏蔽層上,同軸電纜線的另一端連接到射頻連接器的母頭端,圖12(b)為完整的傳感器部分。
圖12 傳感器工裝設(shè)計圖與制作后的外觀
(1) 標準試塊的準備,準備5塊標準葉片,標號分別為1,2,3,4,5 ,其中1,2號為有缺陷葉片,3,4,5號為完好葉片。根據(jù)發(fā)動機葉片的實際狀況,實際檢測中由于受檢測空間狹小、裂紋出現(xiàn)位置的特殊性限制,無法采用動態(tài)掃查的方式檢測,只能采用原位靜態(tài)檢測,即探頭放入葉片根部后保持不動,采集當前位置的渦流信號,與標準試塊的檢測值進行對比來判斷葉片的好壞。
(2) 選擇相同的探頭,在同一條件下對5塊標準試塊進行連續(xù)10次的試驗,對同一塊葉片在試驗時采用重復檢測法,即進行多次檢測判斷數(shù)據(jù)的可靠性,若連續(xù)5次以上采集的數(shù)據(jù)一致,則認為數(shù)據(jù)可靠;若連續(xù)5次采集的數(shù)據(jù)不一致,或相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)不一致,則認為數(shù)據(jù)不可靠,繼續(xù)重復試驗。記錄下數(shù)據(jù),繪制了標準試塊的試驗數(shù)據(jù)折線圖(見圖13),其直觀地顯示了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和差異。
圖13 標準試塊連續(xù)十次的試驗數(shù)據(jù)對比
從圖13可以看出,5塊標準試塊連續(xù)10次試驗數(shù)據(jù)標準差的平均值是0.01,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好,數(shù)據(jù)可靠。1,2號試塊電壓幅值基本上在0.45~0.5 V間,3,4,5號試塊電壓幅值基本上在0.3~0.4 V。由此獲得完好葉片的渦流信號取值范圍為0~0.45 V,這一數(shù)值范圍可用來確定缺陷識別的參考閾值,超過此范圍的渦流信號作為異常信號進行分析。
為了進一步確定葉片根部形態(tài)對渦流檢測信號的影響,現(xiàn)場檢測了某發(fā)動機修理廠壓氣機57塊葉片,圖14為某型號發(fā)動機部分葉片根部的原位檢測連續(xù)重復檢測三次的結(jié)果。
圖14 某型號發(fā)動機壓氣機部分葉片根部的原位檢測結(jié)果
從圖14可以看出,原位靜態(tài)3次檢測的數(shù)據(jù)重復性較好,證明了檢測結(jié)果的穩(wěn)定性,同時數(shù)據(jù)又具有散在分布的特點,與葉片根部形態(tài)不一致的實際情況相符合。數(shù)據(jù)顯示第28塊第3次檢測的數(shù)據(jù)都超出閾值,其余葉片檢測數(shù)據(jù)幾乎全部集中在0~0.45 V間(參考閾值的范圍內(nèi)),懷疑28號葉片根部有缺陷。對其進行分解拆開后,發(fā)現(xiàn)28號葉片根部存在裂紋(深度0.31 mm,長度4 mm),如圖15所示。
圖15 第28號葉片分解后的根部缺陷
通過從外場發(fā)動機葉片原位檢測的要求出發(fā),根據(jù)葉片根部的形狀特點,設(shè)計與制作了符合葉片根部形狀的仿形傳感器。經(jīng)過試驗驗證,設(shè)計的傳感器對葉片根部檢測具有穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點,配合工裝可以達到葉片根部的原位檢測的要求。