陳新波，李小麗，柳小江

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空機(jī)械工程與指揮系，青島 266041;2.92785部隊，綏中 125200)

圖1 飛機(jī)導(dǎo)管斷裂外觀

飛機(jī)導(dǎo)管猶如人體血液循環(huán)系統(tǒng)中的血管，對飛機(jī)和發(fā)動機(jī)非常重要。飛機(jī)導(dǎo)管主要用于液壓、氣動、燃料、氧氣和環(huán)境控制系統(tǒng)中。各系統(tǒng)中的導(dǎo)管有其特定的作用，包括：輸送油氣、傳導(dǎo)壓力、保護(hù)電纜等[1]。這些導(dǎo)管在使用中會出現(xiàn)一些故障，如液壓、冷氣系統(tǒng)導(dǎo)管經(jīng)常出現(xiàn)漏油、漏氣的現(xiàn)象，飛機(jī)起落架上的液壓導(dǎo)管在飛機(jī)著陸時受到?jīng)_擊載荷，而易產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致漏油，甚至斷裂(見圖1)，給飛行安全帶來隱患[2]。據(jù)統(tǒng)計，在中國，導(dǎo)管損傷引起的飛機(jī)發(fā)動機(jī)空中停車事故數(shù)量占發(fā)動機(jī)空中停車事故總數(shù)的一半。因此，對導(dǎo)管進(jìn)行定期檢查是必不可少的工作，但是外場檢查通常采用目視檢查，通過有無漏油來判斷導(dǎo)管是否存在裂紋，這種方法屬于故障后檢查，不能很好地預(yù)防事故，而且飛機(jī)上的導(dǎo)管數(shù)量繁多，受安裝位置的限制，簡單通過目視很難進(jìn)行全面檢查，存在著很大的安全隱患。近年來提出的一種無需耦合、無需外加磁化、無需表面清理的新技術(shù)——弱磁檢測技術(shù)可以有效用于管材、板材等焊縫損傷的檢測[3-4]。但對于飛機(jī)導(dǎo)管，尤其是其喇叭口部位的損傷檢測還少有研究，筆者通過試驗(yàn)研究了弱磁檢測技術(shù)在飛機(jī)導(dǎo)管不同部位損傷檢測上的可行性，為飛機(jī)導(dǎo)管的損傷檢測提供了參考。

1 弱磁檢測原理

弱磁檢測技術(shù)是基于“空間磁場矢量合成”原理，采用磁矢量傳感器對缺陷實(shí)現(xiàn)檢測的一種無損檢測技術(shù)[5]。在地磁場H確定的條件下，待測試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是由其自身材料決定的，其間的比值即為材料的磁導(dǎo)率。但是由于缺陷的存在，缺陷處的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，這就導(dǎo)致該處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化，弱磁檢測原理示意如圖2所示。對于非鐵磁性材料來說，在地磁場H恒定的條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與介質(zhì)的磁導(dǎo)率μ成正比。經(jīng)過傳感器探頭的收集和計算機(jī)的處理，其結(jié)果分為以下兩種情況。

(1) 當(dāng)μ′>μ時，缺陷排斥磁感線，磁感線會繞過缺陷，缺陷處試件內(nèi)的磁感線密度變大，從而在缺陷處檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號會產(chǎn)生一個向上凸出的異常。

(2) 當(dāng)μ′﹤μ時，缺陷吸引磁感線，缺陷周圍的磁感線會穿過缺陷，缺陷處試件內(nèi)的磁感線密度變小，從而在缺陷位置處檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號會產(chǎn)生一個向下凸出的異常。

圖2 弱磁檢測原理示意

弱磁無損檢測技術(shù)是基于地磁場環(huán)境的一種被動式檢測技術(shù)，無需外加磁場激勵。其利用高靈敏度磁感應(yīng)探頭，收集穿過待測試件的磁感應(yīng)信號，再經(jīng)過終端計算機(jī)對信號的處理，擬合出數(shù)字圖像，通過分析圖像的變化，還原實(shí)際損傷情況，來實(shí)現(xiàn)對缺陷的定性、定量、定位檢測。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件制作

2.1.1 試件材料的選擇

以某型飛機(jī)發(fā)動機(jī)導(dǎo)管為檢測對象，導(dǎo)管材料為0Cr18Ni10Ti不銹鋼(321不銹鋼)，屬于Ni-Cr-Ti型奧氏體不銹鋼，為非鐵磁性材料，其材料成分如圖3所示。

圖3 某型發(fā)動機(jī)導(dǎo)管材料成分

2.1.2 ANSYS有限元仿真

飛機(jī)導(dǎo)管之間是通過特殊的卡套螺母結(jié)構(gòu)安裝固定的，其易損傷部位結(jié)構(gòu)大都比較復(fù)雜，很難通過簡單的受力分析得到其應(yīng)力集中部位和分布情況[6]。利用ANSYS有限元分析軟件對導(dǎo)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析其受力情況。圖4，5分別為導(dǎo)管喇叭口處和彎折處的應(yīng)力分布圖。從圖4，5中可以看到，在導(dǎo)管喇叭口邊緣、喇叭口過渡處、卡套邊緣、內(nèi)折彎處存在較大的應(yīng)力集中。

圖4 導(dǎo)管喇叭口處應(yīng)力分布圖

圖5 導(dǎo)管彎折處應(yīng)力分布圖

2.1.3 缺陷設(shè)計

根據(jù)實(shí)際發(fā)生的損傷情況，結(jié)合ANSYS軟件的有限元仿真來分析結(jié)果。試驗(yàn)設(shè)計的裂紋分別位于：喇叭口處、喇叭口過渡處、卡套處、折彎處、焊縫處等5個不同的部位，具體設(shè)計方案如表1所示。

表1 導(dǎo)管缺陷設(shè)計方案

2.2 試驗(yàn)方案

檢測設(shè)備為JECO-M8導(dǎo)管原位探傷儀，檢測傳感器為導(dǎo)管專用磁敏電磁探頭；試件為0Cr18Ni10Ti飛機(jī)導(dǎo)管試件。試驗(yàn)步驟為：① 打開數(shù)據(jù)處理軟件，連接探頭，調(diào)好檢測參數(shù)(端口COM3,放大倍數(shù)為3,工件長度為160 mm，工件寬度為20 mm)，對探頭進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)；② 左手固定待測導(dǎo)管，右手握持探頭，使其垂直接觸導(dǎo)管管壁，點(diǎn)擊“開始”命令后沿試驗(yàn)設(shè)計掃描路徑勻速檢測，完成掃描后點(diǎn)擊“暫?！泵?。③ 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”命令，將實(shí)時數(shù)據(jù)、差分處理數(shù)據(jù)和檢測圖像保存。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 損傷檢測結(jié)果與分析

有裂紋時的弱磁檢測曲線如圖6所示，無裂紋時的弱磁檢測曲線如圖7所示。由圖6，7可知：無裂紋時檢測磁場實(shí)時曲線平滑無拐點(diǎn)，有裂紋時檢測磁場實(shí)時曲線在橫坐標(biāo)84 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn)；無裂紋時的處理數(shù)據(jù)一直保持在裂紋判定線內(nèi)，有裂紋處的檢測信號在橫坐標(biāo)8488 mm位置超出了裂紋判定線。

圖6 有裂紋時的弱磁檢測曲線

圖7 無裂紋時的弱磁檢測曲線

探頭磁敏元件檢測到的信號是檢測部位磁場垂直于探頭的分量，受導(dǎo)管自身結(jié)構(gòu)的影響，沿檢測路徑掃描到的信號是連續(xù)變化的。而裂紋結(jié)構(gòu)破壞了導(dǎo)管中地磁場的連續(xù)性分布，因此磁場實(shí)時信號在裂紋處出現(xiàn)拐點(diǎn)，對應(yīng)差分處理信號在裂紋處超出裂紋判定線。因此，可以通過檢測處理信號是否超出裂紋判定線來判定導(dǎo)管是否存在裂紋。

3.2 不同損傷部位的檢測結(jié)果與分析

3.2.1 沿縱向的掃描路徑檢測

圖8 喇叭口過渡處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

首先研究了掃查路徑對不同部位損傷檢測的影響。圖811是沿導(dǎo)管縱向掃描路徑下不同損傷部位的裂紋檢測信號(圖中CH2為通道)。

圖9 卡套處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

圖10 折彎處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

圖11 焊縫處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

由圖811可知，卡套處和折彎處的信號峰值較為尖銳，且明顯超出裂紋判定線，而喇叭口過渡處和焊縫處的信號峰值較為平緩，僅略微超出裂紋判定線。這是因?yàn)樘幚硇盘柺谴艌鰧?shí)時檢測信號通過差分運(yùn)算得到的結(jié)果，其峰值對應(yīng)實(shí)時檢測信號的階躍變化。由于喇叭口過渡處和焊縫處導(dǎo)管自身縱向結(jié)構(gòu)有較大變化，干擾了裂紋階躍信號，因此表現(xiàn)為信號峰值較為平緩。而卡套處和折彎處導(dǎo)管縱向無結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)管自身對磁場的影響恒定不變，因此表現(xiàn)為信號峰值較為突出。因此，在檢測有卡套處和折彎處的缺陷時，宜采用沿導(dǎo)管縱向的掃查方式。

3.2.2 沿周向的掃描路徑檢測

圖1216是沿導(dǎo)管周向掃描路徑下不同損傷部位的裂紋檢測信號。

圖12 喇叭口處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖13 喇叭口過渡處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖14 卡套處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖15 折彎處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖16 焊縫處檢測處理信號(沿周向掃描)

由圖1216可知：檢測信號中均有上下兩個峰值；喇叭口處、喇叭口過渡處、卡套處和焊縫處的信號峰值較為尖銳且明顯超出裂紋判定線，而折彎處的信號峰值較為平緩，僅略微超出裂紋判定線。這是因?yàn)槿醮艡z測是通過檢測磁場的階躍變化確定裂紋的，因此沿裂紋擴(kuò)展方向掃描(試驗(yàn)中的沿周向掃描)時，只有當(dāng)掃描到裂紋的兩個端點(diǎn)時才能檢測出磁場信號的突變，即對應(yīng)處理信號的兩個峰值。由于折彎處導(dǎo)管彎曲使其自身周向結(jié)構(gòu)有較大變化，干擾了裂紋的階躍信號，所以表現(xiàn)為信號峰值較為平緩，僅略微超出裂紋判定線。其他部位導(dǎo)管周向無結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)管自身對磁場的影響恒定不變，表現(xiàn)為信號峰值較為尖銳，且明顯超出裂紋判定線。

4 結(jié)語

介紹了飛機(jī)導(dǎo)管的類型及容易產(chǎn)生裂紋的部位，研究了弱磁檢測技術(shù)對飛機(jī)導(dǎo)管不同部位損傷檢測的可行性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過設(shè)定缺陷判定線，可以檢測出飛機(jī)導(dǎo)管裂紋缺陷；采用不同的掃查方式可以有效地檢測不同部位的缺陷。其中，在檢測有卡套處和折彎處的缺陷時，宜采用沿導(dǎo)管縱向的掃查方式，在檢測導(dǎo)管喇叭口、喇叭口過渡處、焊縫處的缺陷時，宜采用沿導(dǎo)管周向的掃查方式。