發(fā)動機固定螺樁超聲波檢測探頭設(shè)計

謝小榮

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

0 引言

某型飛機發(fā)動機在維護過程中發(fā)現(xiàn)固定螺樁斷裂脫落，為保障飛行安全，需要加強對該螺樁的檢測。該型發(fā)動機固定螺樁的裝配要求較高，平時盡量不拆卸，因此只能采取原位超聲波檢測。為保證檢測準(zhǔn)確可靠，需要設(shè)計合適的檢測探頭。另外，在原位檢測條件下，受檢測空間限制，夾具也是必須的。

1 檢測原理

圖1 螺樁裝配示意圖Fig.1 The assembly drawing of screw

發(fā)動機固定螺樁裝配如圖1所示，由于其受力特點，容易在嚙合面下端第一或第二螺牙槽處產(chǎn)生裂紋。采用超聲縱波檢測原理如圖2所示。探頭發(fā)射超聲波，在螺樁底部反射，儀器顯示始波T和底波 B；有裂紋時，還會在裂紋處反射，產(chǎn)生裂紋波F。由于螺樁較細長，以及有螺紋，因此儀器還會顯示一些延遲波和草狀雜波。

圖2 螺樁超聲縱波檢測原理Fig.2 Longitudinal Ultrasonic wave testing principle for screw

2 探頭設(shè)計

2.1 基本結(jié)構(gòu)

螺樁呈長桿型，端頭直徑較小，縱波法檢測時，必須考慮聲束指向性問題，即盡量使聲束收窄，減小側(cè)面波影響，提高信噪比。經(jīng)試驗證明，雙晶縱波檢測比單晶縱波檢測效果更好。圖3為雙晶探頭結(jié)構(gòu)。雙晶片一發(fā)一收，超聲近場區(qū)落在有機玻璃延遲塊內(nèi)，晶片背面超聲波被阻尼吸收，超聲波發(fā)射區(qū)與接收區(qū)有隔聲層分開，以免雜亂波干擾。

圖3 雙晶探頭結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of dualcrystal probe

2.2 探頭頻率

探頭的頻率決定檢測靈敏度、分辨力、近場區(qū)、聲束角，影響超聲波的衰減。頻率越高，檢測靈敏度越高，分辨力也越高，但是衰減越大。螺樁長度不大，只有38mm，衰減影響不大。綜合考慮選取探頭頻率為5MHz。

雙晶探頭近場區(qū)在有機玻璃延遲快內(nèi)，不對檢測造成影響，只需要計算指向角（晶片尺寸按6mm×6mm計算）。聲束指向角：

2.3 縱波折射角

如圖4所示，從晶片發(fā)射的超聲波由有機玻璃進入螺樁中，縱波發(fā)生折射。折射的縱波必須能夠覆蓋螺樁容易產(chǎn)生裂紋區(qū)域。即折射角β：

圖4 縱波傳播路徑Fig.4 The travelling route of longitudinal wave

2.4 晶片傾斜角（入射角）

縱波由有機玻璃折射到鋼螺樁中，有機玻璃中聲速2700m/s，鋼中聲速5850m/s，根據(jù)斯奈爾定律，可求出晶片最小傾斜角（入射角）為：

2.5 探頭尺寸

晶片尺寸越大，聲束能量越大，對檢測有利。限于螺樁直徑，雙晶探頭直徑最大為10mm。原位檢測時，檢測空間有限，探頭高度至多為14mm，否則探頭不能進入探測位置。 晶片至探頭端面距離（有機玻璃延遲塊高度）必須保證近場區(qū)不能進入螺樁。近場長度為：

即晶片到探頭端面距離 （有機玻璃延遲塊高度）必須大于7.7mm。

3 檢測應(yīng)用

3.1 儀器選擇

使用DPT-1002超聲波檢測儀，該儀器是手持式智能檢測儀器，體積小，重量輕，分辨力高，定位定量準(zhǔn)確，彩屏顯示，可靜態(tài)和動態(tài)存儲，在外場高強光條件下使用也很方便。

3.2 試塊制作

收集螺樁2個，制作成參考試塊：完好螺樁1個，有0.5mm深人工刻槽模擬裂紋的螺樁1個。

3.3 靈敏度確定

靈敏度確定可采用兩種方式：底波法和試塊法。螺樁直徑不大，超聲波傳播至底面并返回時，有大量超聲波傳播到螺樁側(cè)面，因此根據(jù)底波高度來計算確定靈敏度是不準(zhǔn)確的，最好的方法是采用試塊法確定檢測靈敏度。

將雙晶探頭分別放在兩個螺樁參考試件頭部，耦合良好，觀察儀器屏幕顯示。當(dāng)把探頭置于完好螺樁試件頭部時，儀器屏幕上只有界面波S和底波B（始波T已被置于屏幕以外），見圖2；當(dāng)把探頭置于有人工裂紋螺樁試件頭部時，儀器屏幕上監(jiān)視閘門內(nèi)出現(xiàn)缺陷波F，且缺陷波幅度超過閘門高度，如圖5所示。

3.4 原位檢測

將探頭置于飛機發(fā)動機待檢螺樁頭部，保持適當(dāng)壓力，耦合良好，輕微轉(zhuǎn)動探頭。判斷耦合良好的方法是：儀器屏幕上底波具有超過80%的較高幅度，除非閘門報警區(qū)出現(xiàn)缺陷波。觀察儀器屏幕，對波形進行判別。

圖5 波形示意圖Fig.5 The diagram of pulses

（1）如果閘門報警區(qū)出現(xiàn)新的波形，則可判斷該螺樁存在裂紋， 如圖6所示。發(fā)現(xiàn)裂紋時，可從儀器上直接讀出裂紋深度位置。

（2）當(dāng)裂紋較大時，螺樁的反射底波幅度可能顯著減小或消失。

（3）注意排除其他雜波干擾。可能出現(xiàn)的干擾波有兩種：一是螺紋草波，由螺樁上的螺紋產(chǎn)生，幅度較低，一般小于10%，影響較小，容易排除；另一種是二次界面回波，由探頭端面反復(fù)反射的回波引起，位于閘門報警區(qū)鄰近左側(cè)，當(dāng)給探頭壓力太大、靈敏度設(shè)置太高時可能出現(xiàn)。

圖6 現(xiàn)場檢測波形Fig.6 In situ detecting pulses

為能檢測出更小裂紋，防止漏檢，提高檢測靈敏度，可在探頭置于螺樁頭部中心檢測后，向外側(cè)稍微移動2mm左右，環(huán)繞一周，同時轉(zhuǎn)動探頭，保持探頭隔聲層指向螺樁中心。

4 結(jié)論

實踐證明，采用設(shè)計的雙晶探頭檢測發(fā)動機固定螺樁，波形易于識別，對裂紋反應(yīng)敏感，檢測效果好于普通單晶探頭，有效地保證了飛機飛行安全。