燃油泵蝸殼組件厭氧膠涂覆品質(zhì)的超聲檢測

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(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.中國航發(fā)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(tǒng)是軍用航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，其作用是向加力燃燒室提供燃油，系統(tǒng)主要由加力燃油泵、噴口加力調(diào)節(jié)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(zhì)量小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、便于流量調(diào)節(jié)等優(yōu)勢[2]，在當(dāng)代加力燃油控制系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。

國內(nèi)貴州紅林航空動力控制科技有限公司生產(chǎn)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(jìn)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(yàn)過程中出現(xiàn)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(xì)、過程控制不嚴(yán)的問題。故，為了對膠涂覆工藝進(jìn)行細(xì)化完善，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有必要對厭氧膠涂覆品質(zhì)進(jìn)行有效檢測。目前，國內(nèi)外還未見有相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，也少有此類檢測的文獻(xiàn)報(bào)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(jìn)行成像的方法[3]，其可以對超聲檢測信號進(jìn)行全波列采集并存儲，然后按照相應(yīng)的處理方式進(jìn)行對應(yīng)的特征成像顯示。SAMBATH等[4]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于對超聲回波特征的提取，進(jìn)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(yōu)勢，在航空航天材料的無損檢測中有著廣泛應(yīng)用[5-6]?；诔曁卣鲯呙璩上駲z測技術(shù)，提出了一種對加力燃油泵蝸殼組件厭氧膠涂覆品質(zhì)的超聲檢測方法，并給出了若干試驗(yàn)結(jié)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(zhì)。

1 檢測原理

蝸殼組件厭氧膠的涂覆品質(zhì)，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(dāng)超聲波從葉輪襯套內(nèi)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(dāng)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(chǎn)生一個與入射方向相反的反射波，設(shè)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(zhì)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(dāng)螺紋結(jié)合面沒有膠，即介質(zhì)層為空氣時，按式(1)計(jì)算牙頂處的聲壓反射率約為100%；若螺紋結(jié)合面涂滿了膠，按式(1)計(jì)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(dāng)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(zhì)層對回波聲壓的影響與牙頂處的影響相同。

當(dāng)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(chǎn)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?yàn)槎嘟?jīng)歷兩次反射的緣故，其回波能量會有較多的損失。當(dāng)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(cè)聲阻抗差異有關(guān)，還與聲波入射角有關(guān)[7]。在試驗(yàn)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(zhì)層的聲阻抗，而介質(zhì)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(zhì)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象為某型蝸殼組件，其結(jié)構(gòu)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(jié)合面與內(nèi)壁同為豎直面，葉輪襯套上外螺紋的牙頂距內(nèi)壁5 mm。

圖2 某型蝸殼組件結(jié)構(gòu)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(jié)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(jìn)行超聲水浸掃查時，不會有水滲進(jìn)螺紋里。

圖3 超聲特征掃描成像系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

2.2 超聲特征掃描系統(tǒng)

試驗(yàn)用到的超聲特征掃描成像系統(tǒng)由國內(nèi)清華大學(xué)和南昌航空大學(xué)聯(lián)合研制，其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。檢測時，圓管件固定于轉(zhuǎn)盤的中心，探頭置于圓管件內(nèi)合適位置，電機(jī)A每帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)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(yù)設(shè)面積。

掃查結(jié)束以后，專用的F-scan軟件會將圓周展開成一個矩形圖進(jìn)行成像顯示。在數(shù)據(jù)的后處理過程中，可根據(jù)需要選擇不同的回波信號特征進(jìn)行成像。試驗(yàn)利用回波的幅值特征進(jìn)行成像顯示，成像時，將閘門范圍內(nèi)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(yàn)需要，專門在軟件中加入了統(tǒng)計(jì)功能，使用該功能時，利用鼠標(biāo)框選成像圖中的任意矩形區(qū)域，軟件便會自動統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)各種顏色所占的百分比，并給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.3 試樣的檢測結(jié)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(shí)際檢測時，設(shè)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(jié)合面，滿足檢測需求。

首先對5#試樣進(jìn)行檢測，利用葉輪襯套上外螺紋的回波幅值進(jìn)行成像，結(jié)果如圖4所示，橫坐標(biāo)表示圓周，縱坐標(biāo)表示豎直方向上的深度。當(dāng)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(qū)域所示。因?yàn)檠赖诪閳A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?shù)木€條細(xì)，從圖上還可以看出兩者有一定程度的結(jié)合，這是因?yàn)槌暡ㄊ哂幸欢ǖ膶挾取?/p>

圖4 5#試樣的幅值成像結(jié)果

圖5為葉輪襯套上外螺紋牙底和牙頂?shù)某暬夭úㄐ危瑪?shù)據(jù)顯示，牙底距襯套內(nèi)壁3.99 mm，牙頂距襯套內(nèi)壁5.00 mm，與實(shí)際結(jié)構(gòu)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?shù)幕夭ǎ洳ㄊ行膶?zhǔn)區(qū)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?shù)某暬夭úㄐ?/p>

圖6 1#～4#試樣的幅值成像結(jié)果

按照相同的檢測工藝分別對1#～4#試樣進(jìn)行檢測，同樣以葉輪襯套上外螺紋的回波幅值進(jìn)行成像，結(jié)果如圖6所示。從1#～5#試樣的幅值成像結(jié)果中可以直觀地看出，圖上黑色區(qū)域的面積逐漸減少，高回波幅值區(qū)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(qū)域，這是由試樣制作引起的。

3 結(jié)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。以黑色占比近似表征厭氧膠的涂覆品質(zhì)，黑色占比越高，厭氧膠的涂覆品質(zhì)越好。

表1 1#～5#試樣的幅值成像圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

從表1可以看出，當(dāng)以黑色占比近似表征厭氧膠的涂覆品質(zhì)時，其結(jié)果與試樣的制作結(jié)果有一定的出入。經(jīng)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(dǎo)致試樣的制作無法完全滿足預(yù)期的結(jié)果。為了驗(yàn)證厭氧膠的涂覆品質(zhì)對蝸殼使用性能的影響，分別對2#～4#試樣做了扭矩試驗(yàn)，使用CTT1103型微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)記錄轉(zhuǎn)動葉輪襯套過程的最大扭矩，測得結(jié)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(jìn)一步證明了表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)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(zhì)存在一個臨界值，一旦低于該臨界值，將嚴(yán)重影響蝸殼組件的使用性能。因此，在生產(chǎn)過程中，有必要對厭氧膠的涂覆品質(zhì)進(jìn)行檢測。綜合表1與表2的結(jié)果來看，厭氧膠涂覆品質(zhì)的臨界值約為70%，該臨界值的確定對于蝸殼產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定具有非常重要的指導(dǎo)意義。

表2 2#～4#試樣的扭矩試驗(yàn)結(jié)果

在隨后的一段時間里，廠方又陸續(xù)寄來幾批蝸殼組件，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢測，其結(jié)果如表3所示。之后，廠方將參考此檢測結(jié)果，跟蹤觀察這些蝸殼組件在實(shí)際工作條件下的使用情況，完善相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，保證交付的產(chǎn)品能滿足其使用性能。

表3 蝸殼組件的檢測結(jié)果 %

4 結(jié)語

為了有效檢測蝸殼組件厭氧膠的涂覆品質(zhì)，提出了一種基于超聲特征掃描技術(shù)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(tǒng)計(jì)不同幅值區(qū)間的占比，以統(tǒng)計(jì)結(jié)果來評價厭氧膠的涂覆品質(zhì)。結(jié)果表明，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，該方法可應(yīng)用于對厭氧膠涂覆品質(zhì)的無損檢測。