燃油泵蝸殼組件厭氧膠涂覆品質的超聲檢測

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(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴陽 550009)

加力燃油控制系統是軍用航空發動機控制系統的關鍵部位，其作用是向加力燃燒室提供燃油，系統主要由加力燃油泵、噴口加力調節器、加力燃油分布器等部件組成[1]。其中，加力燃油泵為主要部件。加力燃油泵主要分為離心泵、柱塞泵和氣心泵，離心泵因具有流量大、單位流量的泵質量小、成本低、結構簡單、便于流量調節等優勢[2]，在當代加力燃油控制系統中得到普遍應用。

國內貴州紅林航空動力控制科技有限公司生產了某型離心式加力燃油泵，其葉輪襯套通過螺紋緊固在蝸殼上，并在螺紋處涂厭氧膠使其進一步鎖固。一旦螺紋連接失效，則會引起葉輪襯套串位以及葉輪與葉輪襯套碰磨。該燃油泵蝸殼組件就曾在試驗過程中出現過葉輪與葉輪襯套的碰磨故障，暴露出膠涂覆工藝要求不細、過程控制不嚴的問題。故，為了對膠涂覆工藝進行細化完善，提高產品質量，有必要對厭氧膠涂覆品質進行有效檢測。目前，國內外還未見有相關的檢測標準，也少有此類檢測的文獻報道。

超聲特征掃描成像檢測是一種通過提取超聲信號特征進行成像的方法[3]，其可以對超聲檢測信號進行全波列采集并存儲，然后按照相應的處理方式進行對應的特征成像顯示。SAMBATH等[4]將人工神經網絡應用于對超聲回波特征的提取，進一步提高了檢測的可靠性和精確性。超聲特征掃描成像檢測因其特有的優勢，在航空航天材料的無損檢測中有著廣泛應用[5-6]。基于超聲特征掃描成像檢測技術，提出了一種對加力燃油泵蝸殼組件厭氧膠涂覆品質的超聲檢測方法，并給出了若干試驗結果，說明了該方法可以有效檢測蝸殼組件厭氧膠的涂覆品質。

1 檢測原理

蝸殼組件厭氧膠的涂覆品質，即螺紋連接之間的涂覆膠的有效連接面積與整個螺紋連接面積之比。葉輪襯套由鋼制成，當超聲波從葉輪襯套內壁入射時，其在外螺紋處的反射路徑示意如圖1所示。

外螺紋的牙頂為平面，當超聲波入射到牙頂處時，可視為超聲波垂直入射到單一平界面時的情況，此時將在葉輪襯套中產生一個與入射方向相反的反射波，設入射波的聲壓為P0，反射波的聲壓為Pr，則在界面上的縱波聲壓反射率γB為

(1)

式中:Z1為鋼的聲阻抗；Z2為介質層的聲阻抗。

圖1 外螺紋處的超聲反射路徑示意

鋼的聲阻抗為4.53×106g·cm-2·s-1，空氣的聲阻抗為40 g·cm-2·s-1，厭氧膠的聲阻抗約為3×105g·cm-2·s-1。當螺紋結合面沒有膠，即介質層為空氣時，按式(1)計算牙頂處的聲壓反射率約為100%；若螺紋結合面涂滿了膠，按式(1)計算得到此時的聲壓反射率約為87.6%，隨著聲壓反射率的下降，反射回波的幅值將降低。

外螺紋的牙底為圓弧面，當超聲波入射到牙底時，將有部分回波因偏離入射波的軸線方向而不能被探頭接收，介質層對回波聲壓的影響與牙頂處的影響相同。

當超聲波入射到外螺紋牙的斜面時，由牙型角為60°可推得聲波在斜面上的入射角為60°，故其縱波反射角同為60°，且其反射縱波將垂直入射到相對的另一斜面上，并產生一個與之方向相反的反射波，該反射回波能被探頭接收，但因為多經歷兩次反射的緣故，其回波能量會有較多的損失。當超聲波傾斜入射到單一平界面時，其反射波的聲壓不僅與界面兩側聲阻抗差異有關，還與聲波入射角有關[7]。在試驗中，聲波入射到牙斜面的入射角是一定的，故其上的回波聲壓僅取決于介質層的聲阻抗，而介質層對其回波聲壓的影響與牙頂處的影響相同。

綜上所述，可利用超聲回波的幅值特征來近似評估厭氧膠的涂覆品質。

2 試驗過程

2.1 試驗對象

試驗對象為某型蝸殼組件，其結構示意如圖2所示。其中，葉輪襯套上外螺紋的公稱直徑為52 mm，牙距為1.5 mm，螺紋共5個絲扣。螺紋結合面與內壁同為豎直面，葉輪襯套上外螺紋的牙頂距內壁5 mm。

圖2 某型蝸殼組件結構示意

檢測對象為5個特制的試樣。其中，1#試樣在整個螺紋結合面都涂滿了厭氧膠，2#試樣少涂了1扣，3#試樣少涂了2扣，4#試樣少涂了3扣，5#試樣完全沒有涂厭氧膠。所有試樣均對螺紋處做了密封處理，在進行超聲水浸掃查時，不會有水滲進螺紋里。

圖3 超聲特征掃描成像系統機械結構示意

2.2 超聲特征掃描系統

試驗用到的超聲特征掃描成像系統由國內清華大學和南昌航空大學聯合研制，其機械結構示意如圖3所示。檢測時，圓管件固定于轉盤的中心，探頭置于圓管件內合適位置，電機A每帶動轉盤旋轉一圈，電機B就帶動探頭按照既定步長下降一定距離，直至掃查完全部預設面積。

掃查結束以后，專用的F-scan軟件會將圓周展開成一個矩形圖進行成像顯示。在數據的后處理過程中，可根據需要選擇不同的回波信號特征進行成像。試驗利用回波的幅值特征進行成像顯示，成像時，將閘門范圍內超過閘門高度的最高波的幅值按滿幅的百分比賦予不同的顏色，得到幅值特征的彩色圖。為了滿足試驗需要，專門在軟件中加入了統計功能，使用該功能時，利用鼠標框選成像圖中的任意矩形區域，軟件便會自動統計該區域內各種顏色所占的百分比，并給出統計結果。

2.3 試樣的檢測結果

檢測用的探頭是頻率為5 MHz的水浸聚焦探頭，其在水中的焦距為25.4 mm。實際檢測時，設置水距為5 mm，已知鋼的縱波聲速為5 900 m·s-1，水的聲速為1 480 m·s-1，故其在鋼中的焦距為5.1 mm，超聲波聚焦的焦柱覆蓋到螺紋結合面，滿足檢測需求。

首先對5#試樣進行檢測，利用葉輪襯套上外螺紋的回波幅值進行成像，結果如圖4所示，橫坐標表示圓周，縱坐標表示豎直方向上的深度。當超聲波入射到牙的斜面上時，由前面的分析可知，其回波幅值較低。而牙底和牙頂均具有一定的反射平面，故其回波幅值較高，如圖中紅色區域所示。因為牙底為圓弧面，牙頂為平面，由前面的分析可知，表征牙底的線條要比表征牙頂的線條細，從圖上還可以看出兩者有一定程度的結合，這是因為超聲波束具有一定的寬度。

圖4 5#試樣的幅值成像結果

圖5為葉輪襯套上外螺紋牙底和牙頂的超聲回波波形，數據顯示，牙底距襯套內壁3.99 mm，牙頂距襯套內壁5.00 mm，與實際結構相符。由于超聲波束具有一定的寬度，故探頭會同時接收到來自牙底和牙頂的回波，其波束中心對準區域反射回波的幅值較高。

圖5 葉輪襯套上外螺紋牙底和牙頂的超聲回波波形

圖6 1#～4#試樣的幅值成像結果

按照相同的檢測工藝分別對1#～4#試樣進行檢測，同樣以葉輪襯套上外螺紋的回波幅值進行成像，結果如圖6所示。從1#～5#試樣的幅值成像結果中可以直觀地看出，圖上黑色區域的面積逐漸減少，高回波幅值區域逐漸增多。在試樣的幅值成像圖上仍有少部分回波幅值較高的區域，這是由試樣制作引起的。

3 結果分析

分別對1#～ 5#試樣的幅值成像圖中各顏色所占百分比進行統計，結果如表1所示。以黑色占比近似表征厭氧膠的涂覆品質，黑色占比越高，厭氧膠的涂覆品質越好。

表1 1#～5#試樣的幅值成像圖的統計結果 %

從表1可以看出，當以黑色占比近似表征厭氧膠的涂覆品質時，其結果與試樣的制作結果有一定的出入。經分析，由于厭氧膠是先涂覆在螺紋上，再擰緊螺紋的，而在擰螺紋的過程中，其厭氧膠的位移變化不可控，從而導致試樣的制作無法完全滿足預期的結果。為了驗證厭氧膠的涂覆品質對蝸殼使用性能的影響，分別對2#～4#試樣做了扭矩試驗，使用CTT1103型微機控制電子扭轉試驗機記錄轉動葉輪襯套過程的最大扭矩，測得結果如表2所示。2#～4#試樣的扭矩依次下降，與試樣的制作情況相符，也進一步證明了表1中統計結果的正確性。從表2還可以看出，4#試樣相對2#和3#試樣，其扭矩大幅度減小，說明厭氧膠的涂覆品質存在一個臨界值，一旦低于該臨界值，將嚴重影響蝸殼組件的使用性能。因此，在生產過程中，有必要對厭氧膠的涂覆品質進行檢測。綜合表1與表2的結果來看，厭氧膠涂覆品質的臨界值約為70%，該臨界值的確定對于蝸殼產品驗收標準的制定具有非常重要的指導意義。

表2 2#～4#試樣的扭矩試驗結果

在隨后的一段時間里，廠方又陸續寄來幾批蝸殼組件，并在實驗室進行了檢測，其結果如表3所示。之后，廠方將參考此檢測結果，跟蹤觀察這些蝸殼組件在實際工作條件下的使用情況，完善相應的驗收標準，保證交付的產品能滿足其使用性能。

表3 蝸殼組件的檢測結果 %

4 結語

為了有效檢測蝸殼組件厭氧膠的涂覆品質，提出了一種基于超聲特征掃描技術的檢測方法。該方法通過提取回波信號的幅值特征并成像，然后利用軟件統計不同幅值區間的占比，以統計結果來評價厭氧膠的涂覆品質。結果表明，統計結果與實際情況相吻合，該方法可應用于對厭氧膠涂覆品質的無損檢測。