艦載直升機主槳轂軸頸缺陷的渦流檢測

(1.海軍航空大學 青島校區，青島 266041;2.青島持恒工程技術有限公司，青島 266033)

為了控制飛機結構的可靠性、保證飛行安全、提高執行作戰能力，某型直升機的維護規程及某型直升機的無損檢測工藝對某型直升機的主槳轂軸頸螺紋變截面處提出了無損檢測要求。筆者在對主槳轂軸頸螺紋變截面處損傷特征進行分析的基礎上，提出了渦流檢測方法，并設計制作了一種基于自比較的差動式渦流傳感器，通過試驗優化了傳感器的設計參數，獲得了一種有效檢測主槳轂軸頸螺紋變截面處疲勞裂紋的渦流檢測方法。

1 缺陷特征分析

某型艦載直升機主槳轂是全鉸接式的金屬槳轂，其軸頸是組成主槳轂軸向鉸的關鍵件，主槳轂軸頸結構示意如圖1所示，其主要功能是與主槳轂軸向鉸軸套一起組成軸向鉸組件，傳遞由旋翼槳葉產生的氣動力，并允許槳葉在操縱系統的控制下實現對主槳葉的變距運動[1]。該結構承載較大，在軸頸螺紋變截面附近，特別是內數第二、三齒處易出現疲勞裂紋，且裂紋方向與螺紋方向一致，軸頸螺紋檢測部位示意如圖2所示。

圖1 主槳轂軸頸結構示意

圖2 軸頸螺紋檢測部位示意

2 檢測方法選擇

在航空維修中，常用的無損檢測方法有超聲檢測、磁粉檢測、渦流檢測、射線檢測和滲透檢測等[2]。對于表面疲勞裂紋，主要以磁粉、渦流、滲透檢測方法為主。然而，磁粉檢測需要利用缺陷處的漏磁場吸附磁粉形成磁痕顯示來判斷工件表面及近表面有無缺陷，而螺紋的變截面處也會產生部分漏磁場，極易形成偽磁痕且造成誤判，磁粉檢測后的剩磁有可能會影響工件的使用；滲透檢測對被測物表面要求較高，要對被測物表面進行預處理，且該方法僅限于針對表面開口的不連續性缺陷的檢測，容易受到溫度的影響，程序復雜，可重復性差，也不宜使用；渦流檢測是一種基于電磁感應原理的無損檢測方法，該方法不需要對所檢測物體進行表面預處理，不需要施加耦合劑，還可以實現非接觸的快速檢測，特別適合金屬構件的表面和近表面缺陷的不連續性檢測。因此，從檢測可靠性和使用安全性考慮，選擇渦流檢測法最佳。

3 傳感器設計特點

3.1 傳感器的結構特點

在實際檢測中，主槳轂軸頸螺紋結構特殊，其螺紋根部與傳感器不能很好接觸，導致檢測線圈與被測工件之間存在間隙，這種間隙的變化會對檢測線圈阻抗產生影響，即產生提離效應，其引起的線圈阻抗的變化往往大于裂紋對線圈阻抗的影響[3]。目前，使用的傳感器采用絕對式線圈設計，存在截面變化的螺紋結構對這類檢測線圈的干擾因素多，很難實現對缺陷，尤其是對沿掃查方向的缺陷的準確檢測，因此需要根據主槳轂軸頸螺紋的螺距、材料以及缺陷的方位等條件設計專用渦流傳感器。

為了避免檢測面結構的微小變化以及探頭晃動引起的干擾信號，傳感器采用了自比較式差動傳感器，其檢測線圈的接線方式示意如圖3所示。差動式線圈有利于抑制材料、形狀的緩慢變化及環境帶來的影響[4]。使用兩個繞組對同一個試件的不同部位進行檢測，當試件性能穩定且無缺陷時，兩個繞組的電勢差為零；當出現不連續性缺陷且兩個繞組感應電勢出現差異時，將給出一個差值電壓信號。這種檢測線圈類型可以抑制由于試件尺寸和電導率等引起的變化緩慢的信號，對提離間隙變化、工件傳輸時的抖動以及周圍環境影響的敏感度較低，但對于突然出現的不連續性缺陷有明顯的信號反應，檢測效率高。

圖3 自比較式差動檢測線圈的接線方式示意

此外，根據主槳轂軸頸結構和缺陷的檢測特點以及便于原位檢測的需要，將傳感器設計為放置式結構類型，并在檢測線圈內部安裝磁芯，增強檢測區域的磁場強度，提高檢測靈敏度。圖4為該傳感器結構外觀，其鴨嘴式設計特別適合類似螺紋間隙這類狹小區域的表面缺陷檢測。

圖4 傳感器結構外觀

3.2 線圈參數的選擇與優化

渦流傳感器的設計參數包括線圈直徑、線圈匝數、導線線徑、線圈間距和檢測頻率等，這些參數決定了傳感器的線性度、靈敏度和測量范圍。

3.2.1 檢測頻率的選擇

根據渦流環理論，放置式線圈檢測試件的特征頻率[5]為

(1)

式中：μ為磁導率；σ為電導率；rb為線圈的外半徑。

其中，主槳轂軸頸材料為30CrNi4MoA，其電導率約為9.6 MS·m-1，相對磁導率約為8 000，故工作頻率f1=(10～50)fg。

軸頸螺紋變截面處由于應力集中，在長期交變載荷的作用下，容易產生疲勞裂紋，傳感器放在深1.0 mm、寬0.15 mm、長2 mm的人工裂紋上，儀器示值為滿刻度的40%。由于[6]

(2)

式中：y為裂紋深度；f為檢測頻率。

確定工作頻率f2，由f1、f2綜合分析確定檢測頻率f。計算可得，檢測頻率f=1.2 MHz。

3.2.2 導線線徑的選擇

對于一定的激勵頻率，存在著一個最佳導線直徑。只考慮趨膚效應時，線圈損耗隨著導線直徑d0的增加而減小。然而，當導線直徑d0增加時，由鄰近效應而產生的交流電阻也增大。導線交流電阻R和其直徑的關系如圖5所示。圖5中，RF為給定頻率下只考慮趨膚效應時導線的交流電阻，RG為鄰近效應引起的電阻。當RF=RG時，導線交流電阻最小[4]。計算得出，激勵線圈導線的最佳線徑為0.08 mm。

圖5 導線交流電阻和其直徑的關系

3.2.3 線圈直徑的確定

線圈直徑的確定主要考慮以下幾個因素：① 線圈的直徑越大，敏感范圍越大，線性范圍就越大，線性范圍一般為線圈外徑的1/3～1/5；② 線圈的直徑越大，靈敏度越低；③ 線圈厚度越薄，靈敏度越高；④ 線圈的直徑越大，有效作用范圍越大，線圈直徑一般為磁芯直徑的3倍。

根據以上分析因素，依據檢測靈敏度要求和線性范圍的要求，選取磁芯的直徑為1 mm，即線圈內徑為1 mm、外徑約為1.08 mm。

3.2.4 線圈匝數的確定

航空維修時使用的渦流儀的阻抗取值范圍為1 kΩ～2 kΩ，線圈的匝數如式(3)所示。

(3)

式中：L為電感；μs為磁芯有效磁導率；N為線圈匝數；l為線圈長度；D0為線圈平均直徑。

經計算，激勵線圈匝數范圍為20～25，檢測線圈匝數范圍為35～40時最佳。

3.2.5 線圈間距的確定

該差動線圈主要采用兩個相鄰線圈同時對同一試件相鄰部位進行檢測，由于主槳轂軸頸結構特殊且在變截面附近易出現裂紋，所以兩個線圈之間的間距對檢測結果有很大的影響。間距大，變截面的影響大；間距小，兩個線圈之間的磁場會出現相互干擾。因此，在兩個線圈的磁場互不干擾的情況下，其間距以小為宜。線圈的外徑R=1.08 mm，則單個線圈磁場的有效作用范圍的直徑為3.24 mm，半徑為1.62 mm，兩個線圈互不干擾的最小距離為3.24 mm。

4 試驗驗證

4.1 試驗條件

(1)渦流檢測儀

試驗采用FET-1型渦流檢測儀。該儀器的驅動頻率為10 Hz～8 MHz，驅動輸出電流峰值為100 mA，采樣頻率為50 Hz～10 kHz，具有數字高/低/帶通濾波器，可以獲得較高的信噪比和檢測穩定性，其y軸擴展功能可降低結構變化導致的提離信號的影響，有利于非光滑平面的不連續性缺陷檢測。

(2)參考試塊

為了驗證渦流檢測方法對缺陷的檢出能力，設計制作了主槳轂軸頸參考試塊。為了保證檢測效果，選用的參考試塊材料與該主槳轂軸頸螺紋變截面處的材料相同，且經過檢測無缺陷指示的部位。考慮到軸頸螺紋變截面處的疲勞裂紋通常呈線性，因此選擇矩形槽形狀的人工裂紋，人工裂紋的尺寸為1.0mm×0.15 mm×2 mm (深×寬×長)，主槳轂軸頸參考試塊缺陷部位外觀如圖6所示。

圖6 主槳轂軸頸參考試塊缺陷部位外觀

(3)檢測參數設置

利用參考試塊設置檢測參數。為了更好地識別缺陷信號，在參數設置時，人工缺陷信號相位為64.6°，幅值為40%,檢測頻率為1.2 MHz，前置放大為12 dB，后置放大器增益為28 dB。

4.2 試驗結果

圖7為對主槳轂軸頸裂紋的檢測結果，圖7(a)為提離效應的阻抗平面圖，提離信號為水平位置；圖7(b)為無缺陷時螺紋變截面處的阻抗平面圖，由于螺紋的截面變化，信號相位為-146°；圖7(c)為人工缺陷的阻抗平面圖，缺陷信號幅值為181.5，相位為64.6°；圖7(d)為自然缺陷的阻抗平面圖，缺陷信號幅值為63.1，相位為22.6°。后對其進行磁粉檢測，驗證了渦流檢測結果。

圖7 主槳轂軸頸裂紋檢測阻抗平面圖

5 結語

渦流檢測法是檢測某型艦載直升機主槳轂軸頸螺紋變截面附近裂紋的有效方法。經過理論分析和反復試驗，設計制作的鴨嘴型自比較式差動傳感器可以抑制被測工件結構變化帶來的干擾，能夠檢測出螺紋變截面附近尺寸大于0.6 mm×0.15 mm×2 mm (深×寬×長)的不連續性缺陷，檢測靈敏度高，滿足了該型直升機主槳轂軸頸的裂紋損傷檢測需要。