于春風，王小祥，王秉卓，孟 欣

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

飛機液壓系統(tǒng)管路作為實現(xiàn)液壓傳遞的重要環(huán)節(jié)，通常工作在高壓狀態(tài)，且受振動較強，易與相鄰導管、機體結(jié)構(gòu)或其它機載設(shè)備間發(fā)生靠磨損傷乃至破損，若導管斷裂導致液壓系統(tǒng)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(xiàn)靠磨損傷的可能是多樣的：①導管固定卡箍在振動環(huán)境下出現(xiàn)松動，導管振幅增大，與相鄰物體間歇接觸，從而產(chǎn)生摩擦和碰撞。②導管在其他設(shè)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(jié)構(gòu)接觸等。

實際保障工作對于液壓系統(tǒng)管路的保養(yǎng)維護普遍停留在目視檢查階段，并且部分導管敷設(shè)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(xiàn)役飛機中出現(xiàn)，應(yīng)得到足夠重視。然而，目前對于飛機液壓管路檢測技術(shù)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(fā)射檢測是一種無源被動式的無損檢測技術(shù)，兼具可動態(tài)實時監(jiān)控、檢測區(qū)域面積大、信號處理方法多樣，檢測過程不影響設(shè)備正常工作等技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)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(fā)射技術(shù)的飛機液壓管路靠磨損傷檢測方法：提取飛機液壓系統(tǒng)導管靠磨損傷的聲發(fā)射信號，在時域內(nèi)進行特征參數(shù)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(jīng)常使用的詞語，是在飛行裝備保障實際工作中實踐總結(jié)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(xiàn)象做出定義：液壓導管與其他各類導管、結(jié)構(gòu)件、線纜、設(shè)備機箱等其他除設(shè)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(chǎn)生的摩擦磨損。

1.1 碰撞損傷

碰撞損傷發(fā)生在導管靜態(tài)下未與其他物體發(fā)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(guī)律開始受迫振動，與相鄰物體之間發(fā)生間歇接觸(分離)，進而產(chǎn)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(xiàn)為A與B發(fā)生碰撞。需要指出：在該接觸形式下?lián)p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(yīng)力波)的形式向外輻射，即聲發(fā)射。

1.2 摩擦磨損

摩擦磨損表現(xiàn)在導管在靜態(tài)時已經(jīng)受力F與其他物體持續(xù)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(chǎn)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(chǎn)生的，是相互接觸的物體相對運動時，表層材料不斷發(fā)生損耗的過程或者產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)生黏結(jié)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(zhì)是一種微觀動態(tài)的過程，在剪應(yīng)力作用下，材料原子發(fā)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(yīng)力場即成為聲發(fā)射源，進而釋放能量，從而產(chǎn)生聲發(fā)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(fā)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(chǎn)生聲發(fā)射向外釋放能量的共性，不加區(qū)分地對二者聲發(fā)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(fā)射檢測技術(shù)

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

2.1 聲發(fā)射檢測原理

靠磨導管在振動載荷作用下產(chǎn)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(fā)射檢測可以找出導管或構(gòu)件中的聲發(fā)射源，并確定聲發(fā)射源的性質(zhì)，進而判斷是否有導管靠磨損傷發(fā)生。

聲發(fā)射檢測的一般原理如圖4所示。聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性振動以應(yīng)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(fā)射傳感器內(nèi)置壓電元件敏感材料產(chǎn)生的表面位移，受力產(chǎn)生形變，表面出現(xiàn)電荷，從而將被測材料表面振動轉(zhuǎn)換為電信號。典型的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中，聲發(fā)射傳感器將材料表面形變轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器放大、濾波器濾波、主放大器再放大后，由數(shù)據(jù)采集卡(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)進行采集，送入計算機進行數(shù)據(jù)處理和分析，判定聲發(fā)射源的特性。

圖4 聲發(fā)射檢測的一般原理

2.2 AE特征參數(shù)分析

AE特征參數(shù)分析是對測得的聲發(fā)射信號進行初步的處理和整理，變換成不同的聲發(fā)射信號特征參數(shù)，并對這些特征參數(shù)加以統(tǒng)計分析，從而對聲發(fā)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(shù)有振鈴計數(shù)、幅值、能量、上升時間、持續(xù)時間和撞擊數(shù)等，如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射特征參數(shù)定義

特征參數(shù)分析可以從不同角度描述同一物理過程的聲發(fā)射信號的特征。設(shè)計該類方法作為模式識別中的特征提取與選擇環(huán)節(jié)，具有對設(shè)備硬件的要求較低，分析速度快，易于實現(xiàn)實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)波形直觀易于判斷故障模式的優(yōu)勢。選用合適的數(shù)據(jù)處理方法，可減弱其簡化波形所帶來的局限性影響。

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

3 損傷特征提取實驗設(shè)計

3.1 實驗方案

機上檢測實驗方案設(shè)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(fā)射傳感器安裝在試樣側(cè)表面上。實驗過程中，試樣與預設(shè)靠磨點在振動載荷作用下靠磨損傷，產(chǎn)生聲發(fā)射信號，耦合在試樣上的聲發(fā)射傳感器采集到聲發(fā)射信號后，經(jīng)聲發(fā)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(chǎn)生靠磨損傷的聲發(fā)射信號的特征參數(shù)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(fā)射檢測儀：①采集設(shè)備為Vallen MB2-V1；②聲發(fā)射傳感器型號為VS150-M，部分參數(shù)如圖7所示，其響應(yīng)頻率范圍100～450 kHz，中心頻率150 kHz。

圖7 VS150-M及其頻率響應(yīng)曲線

振動加載裝置如圖8所示。導管夾具使用SolidWorks軟件設(shè)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(diào)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(nèi)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(fā)生，以便進行對照實驗。聲發(fā)射傳感器安裝于距導管預設(shè)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(cè)(相對傳感器)約70 cm處，如圖10所示。

圖9 導管靠磨點和聲發(fā)射傳感器相對位置

圖10 振動加載裝置安裝

3.3 實驗數(shù)據(jù)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(chǎn)生的聲發(fā)射信號。圖11、圖12為聲發(fā)射幅值-時間關(guān)聯(lián)圖，圖13、圖14為聲發(fā)射能量-時間關(guān)聯(lián)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(fā)射幅值-時間關(guān)聯(lián)圖(導管隔離)

圖12 聲發(fā)射幅值-時間關(guān)聯(lián)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(fā)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(fā)射幅值總體的上方。這些存在于聲發(fā)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(fā)射幅值-時間特征。但是實際檢測工作是為了發(fā)現(xiàn)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(xiàn)實的；其次在電子干擾信號較強的檢測環(huán)境中，檢測得到的聲發(fā)射信號幅值也可能呈現(xiàn)出圖12的幅值-時間特征。因此，僅通過時間-幅值相關(guān)圖并不能達到識別靠磨損傷聲發(fā)射信號特征的目的，需進一步對能量-時間作相關(guān)處理來輔助模式識別。

圖13 聲發(fā)射能量-時間關(guān)聯(lián)圖(導管隔離)

圖14 聲發(fā)射能量-時間關(guān)聯(lián)圖(導管靠磨)

通過能量-時間關(guān)聯(lián)可區(qū)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(fā)射能量值總體跟隨載荷變化呈周期性變化，且能量數(shù)值整體穩(wěn)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(fā)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(nèi)，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(fā)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(chǎn)生碰撞損傷釋放的動能，以及摩擦磨損微觀位錯運動應(yīng)力場釋放能量，致聲發(fā)射能量將明顯高于同振動載荷條件下于導管隔離實驗數(shù)值。

通過對實驗數(shù)據(jù)的特征參數(shù)相關(guān)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對導管靠磨損傷的聲發(fā)射信號特征的提取，證明了基于聲發(fā)射技術(shù)檢測飛機液壓系統(tǒng)導管靠磨損傷的方法是可行的。

4 結(jié)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(fā)射技術(shù)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(shù)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(jié)論:

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

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