壓氣機(jī)葉片根部原位檢測傳感器的設(shè)計(jì)與制作

， ，，

(南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

圖1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)示意

圖2 壓氣機(jī)葉片輪盤結(jié)構(gòu)示意圖

壓氣機(jī)葉片通常采用軸向燕尾型榫頭榫槽結(jié)構(gòu),以多處面接觸的形式與輪盤連接。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，壓氣機(jī)輪盤結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。這種軸向燕尾型榫頭通常用于級(jí)數(shù)不多的低壓轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)轉(zhuǎn)子中。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片承受載荷的榫頭面積大，能承受較大的離心載荷，因此在葉片高度較高的前2～4級(jí)葉片多采用軸向燕尾榫頭。由于壓氣機(jī)葉片承受著離心力、熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力以及氣動(dòng)應(yīng)力等復(fù)雜載荷的作用，葉片根部不僅易產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而且受力狀態(tài)較為復(fù)雜。壓氣機(jī)葉片在服役期間，要經(jīng)過啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和停車等過程，其中應(yīng)力應(yīng)變溫度的循環(huán)以及葉片振動(dòng)在葉片根部部位會(huì)產(chǎn)生低周和高周疲勞[1-2]，故，葉片根部部位成為發(fā)動(dòng)機(jī)事故多發(fā)部位之一。對(duì)斷裂葉片榫頭斷口的分析表明，葉片斷裂屬于疲勞擴(kuò)展開裂，斷裂源在葉片排氣邊，源區(qū)內(nèi)有明顯的疲勞條紋等。

采用渦流檢測法檢測疲勞裂紋，不僅可靠性高、操作簡單，而且在檢測時(shí)不需清除零件表面的油脂、積碳和保護(hù)層，還可進(jìn)行原位檢測，因此，在航空維修中得到了廣泛的應(yīng)用。由于壓氣機(jī)葉片榫頭根部是不規(guī)則曲面，且受現(xiàn)場空間限制，不能采取傳統(tǒng)的掃查方式對(duì)其進(jìn)行檢測，故對(duì)傳感器提出了新的要求，要吻合復(fù)雜的檢測面且要能達(dá)到在役檢測的要求。目前使用的傳感器大都是從各方購買的普通傳感器，其靈敏度低、可達(dá)性差。因此，需根據(jù)葉片根部不規(guī)則形面的變化，設(shè)計(jì)與葉片根部曲面相吻合的探頭仿形面，使其適用于葉片根部的檢測。筆者介紹的渦流檢測傳感器正是在這一思想下研制成功的。

1 傳感器設(shè)計(jì)原理與方法

1.1 工作原理介紹

傳感器由磁芯、線圈、屏蔽電纜等組成，在線圈中通以一定頻率的電流，變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場靠近導(dǎo)體，導(dǎo)體表面又感生出變化的電流，即渦流。當(dāng)試件表面或近表面出現(xiàn)缺陷時(shí)，渦流的大小及分布會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響探頭線圈的電壓和阻抗大小，通過檢測線圈電壓和阻抗的變化，可分析被測試件表面及近表面是否有缺陷。為了得到線圈阻抗變化的特性，必須知道反磁場的空間分布特性，要知道反磁場的空間分布規(guī)律，就必須研究被測導(dǎo)體上的渦流分布規(guī)律。根據(jù)渦流環(huán)原理，將被測導(dǎo)體看成一個(gè)渦流環(huán)，其與傳感器的線圈磁性相連，組成一個(gè)等效電路，即變成了一個(gè)空心的變壓器[4]?；谧儔浩髟恚瑢鞲衅骶€圈看成變壓器原邊，被測體中渦流電路看成副邊，即可得到電渦流傳感器的等效電路，如圖3所示。

圖3 電渦流傳感器等效電路

1.2 傳感器磁芯材料的選擇

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微小缺陷的測量，有效拾取磁場量，線圈的體積應(yīng)越小越好。為了增強(qiáng)檢測效果，在線圈中應(yīng)加入磁芯。加入磁芯后，磁感線都集中到了磁芯上，從而磁芯中的磁通密度增大，即磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。

圓柱形磁性材料處于交變磁場中的渦流損耗P可用式(1)表示[6-7]

(1)

式中:f為激勵(lì)頻率;Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;d為磁芯的直徑;ρ為磁芯材料電阻率;D為磁芯材料的密度。

從式(1)可知，要使渦流損耗最低，應(yīng)該盡可能地使用較低的飽和磁通密度和電導(dǎo)率，以最大程度地減少磁通衰減。另外，考慮到磁芯中電磁感應(yīng)的存在會(huì)不斷地產(chǎn)生焦耳熱，因此磁芯材料需要具有較高的居里溫度Tc。

另外，考慮到磁芯材料高頻環(huán)境的材料特性，磁芯加工的難易程度、成本等因素,文章主要對(duì)在中頻下常用的磁芯材料(錳鋅和鎳鋅材料)的特性作了對(duì)比(見表1)。

表1 鐵氧體磁芯材料特性對(duì)比

錳鋅和鎳鋅材料鐵氧體都具有較低的飽和磁通密度和電阻率，能夠最大程度地減小磁場的衰減；且由于鎳鋅材料電阻率較高，適合在頻率較高的環(huán)境下工作。根據(jù)檢測的壓氣機(jī)葉片材料可知，激勵(lì)頻率不宜過高，在頻率低于2 MHz時(shí)，錳鋅材料的性能明顯好一些。錳鋅材料的初始磁導(dǎo)率高于鎳鋅材料的，在達(dá)到磁飽和前將得到更高的磁通密度[8]。因此，傳感器選擇錳鋅材料作為磁芯的材料，以最大程度地減少磁場的衰減，提高檢測靈敏度。

1.3 傳感器磁芯尺寸的確定

在帶有磁芯的線圈上通以交流電，軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度可根據(jù)畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律[5]得到

(2)

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率；I為激勵(lì)電流；r為磁芯線圈的半徑；x為軸線上某點(diǎn)M到線圈平面的距離。

通過設(shè)置不同的磁芯尺寸對(duì)比，在保持被測體與探頭距離不變的情況下，設(shè)置不同的磁芯尺寸。

圖4 傳感器線圈電阻、感抗與檢測距離之間的關(guān)系曲線

傳感器線圈電阻、感抗與檢測距離之間的關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可以看出，由于風(fēng)扇葉片為非鐵磁性材料，磁芯的加入會(huì)提高線圈對(duì)檢測距離的靈敏度，且在相同的檢測距離下，線圈的電阻和感抗都明顯增大。主要原因是磁芯使線圈中的一次場增強(qiáng)，由一次場在被測體中感應(yīng)的二次場也相應(yīng)增強(qiáng)。雖然一次場和二次場方向相反，但穿過線圈的總磁通鏈增加(耦合系數(shù)小于1)，故在相同檢測距離下線圈的電阻和感抗都明顯增加。此外，隨著檢測距離的增加，一次場和二次場的耦合系數(shù)減小，線圈電阻和感抗的變化與空心線圈基本相同，故線圈對(duì)檢測距離的靈敏度得到了提高[6]。

磁芯雖然能將大部分磁場限定在被關(guān)注區(qū)域，但仍然有部分磁場散布在空氣中，使得傳感器線圈對(duì)檢測距離的靈敏度的提高受限。因此，可以通過優(yōu)化磁芯的幾何結(jié)構(gòu)，改變磁路以獲得更高的靈敏度。假設(shè)磁芯高度h和半徑r的比值為λ，當(dāng)λ=2,3,4,5時(shí)，分別研究其對(duì)線圈阻抗和檢測距離關(guān)系的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 磁芯高度與半徑的比值對(duì)線圈阻抗與 檢測距離關(guān)系的影響

由于被測體為非鐵磁性材料，磁芯的高度或半徑對(duì)線圈電阻的影響極小，但對(duì)感抗的影響較大，磁芯高度減小或半徑增大會(huì)使得磁芯的靈敏度升高。根據(jù)靈敏度的要求以及線性范圍的要求，文章選取直徑為2～4 mm的錳鋅磁芯。

1.4 線圈參數(shù)的確定

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料大多是鈦合金和高溫合金材料，其電導(dǎo)率范圍為(2～10)×105S·m-1，非磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。渦流檢測時(shí)特征頻率按式(3)選取。

(3)

式中:μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；Db為磁芯的直徑。

由式(3)可求得fg范圍為4.129 kHz～20.649 kHz。

在檢測葉片根部的疲勞裂紋時(shí)，其工作頻率選取f=(10～50)fg，由此計(jì)算出檢測的工作頻率在206.496 kHz～1.032 4 MHz間。

檢測儀器采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的渦流檢測儀器，激勵(lì)電流部分采用由場效應(yīng)管組成的柵-漏雙諧振回路振蕩器。振蕩器的振蕩頻率主要由探頭組成的并聯(lián)諧振回路決定，漏極回路作為諧振放大電路，如果探頭回路參數(shù)發(fā)生變化(由于探頭接觸到試件表面的裂紋處)，柵極回路電壓會(huì)下降及振蕩頻率發(fā)生變化[9]。因此，在漏極諧振回路上產(chǎn)生的電壓也就會(huì)發(fā)生變化。圖6所示為柵極回路中由探頭組成的并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)示意以及頻率與電流的關(guān)系曲線。在并聯(lián)諧振電路中，如果線圈中的電流與電容中的電流相等，則電路就達(dá)到了并聯(lián)諧振狀態(tài)。此時(shí)除LC并聯(lián)部分外，其他部分的阻抗變化幾乎對(duì)能量消耗沒有影響。

圖6 柵極回路LC并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)和頻率與電流的關(guān)系曲線

諧振頻率計(jì)算公式為

(4)

式中：L為線圈電感；C為電容。

根據(jù)工作頻率f與諧振頻率f0，選取合適的并聯(lián)電容與線圈電感，使諧振頻率達(dá)到工作頻率。通過重復(fù)試驗(yàn)得到，線圈電感為15～35 μH，線圈匝數(shù)為20～30。

1.5 傳感器磁芯的加工設(shè)計(jì)

圖7 葉片根部檢測位置的不規(guī)則曲面

圖8 葉片根部磁芯檢測示意(根部存在R角)

在實(shí)際檢測中，渦流檢測的對(duì)象是葉片根部，其幾何形狀較為復(fù)雜，在渦流檢測時(shí)勢必會(huì)存在較大的提離效應(yīng)。圖7所示為葉片根部的檢測位置，可以看出，根部位置存在R角。為了保證被測葉片中的磁場強(qiáng)度，必須盡可能地消除提離。圖8為磁芯檢測示意(圖中α為葉片曲率角)。因此，根據(jù)葉片根部的形狀特點(diǎn)，對(duì)磁芯檢測面進(jìn)行加工，使得磁芯的檢測面可以更好地貼合葉片根部檢測部位，減少提離效應(yīng)。具體的做法是：

(1) 確定葉片根部檢測部位的曲率變化，由于檢測部位是一個(gè)不規(guī)則的曲面，存在不同程度的曲率，對(duì)試驗(yàn)的葉片根部檢測部位的曲率進(jìn)行精確測量，葉片根部曲率角測量示意如圖9所示，然后計(jì)算出試驗(yàn)葉片曲率的偏角α1，α2，α3，…，αn的平均值。

(5)

由于葉片根部在出廠前經(jīng)過磨削加工，任何一塊葉片的曲率角都在(-3σ，+3σ)的范圍內(nèi)(σ為葉片曲率角的標(biāo)準(zhǔn)差值)，雖然葉片的曲率角會(huì)各不相同，但是在磁芯的實(shí)際加工過程中發(fā)現(xiàn)，曲率角的標(biāo)準(zhǔn)差σ≤0.04 mm，3σ≤0.12 mm，而由正態(tài)分布知識(shí)可知，有99%的葉片曲率角的變化在±0.12 mm范圍內(nèi)，根據(jù)傳感器的靈敏度(≥0.2 mm的裂紋)，可以將曲率角變化范圍內(nèi)的波動(dòng)忽略。

圖9 葉片根部曲率角測量示意圖(以某點(diǎn)為例)

(3) 實(shí)際加工過程中，使用醫(yī)用的咬合紙貼合葉根檢測位置，使磁芯檢測面接觸葉根檢測位置，磁芯自動(dòng)標(biāo)記上接觸點(diǎn)位置，使用工具修磨接觸點(diǎn)，重復(fù)操作，慢慢地加工磁芯接觸點(diǎn)，直到接觸點(diǎn)完全被標(biāo)記，即磁芯接觸面完全吻合葉根檢測位置。圖10,11分別為磁芯加工示意和加工后的磁芯形狀。

圖10 磁芯加工示意

圖11 加工后的磁芯(φ4 mm)

1.6 傳感器的制作

加工設(shè)計(jì)好磁芯后，把線圈緊密繞制在距離檢測端面1 mm的磁芯上，繞制好一定匝數(shù)后，測量其電感大小，若符合要求，引出接線端，即可用絕緣漆將線圈固定，待絕緣漆風(fēng)干后用環(huán)氧樹脂封裝好，根據(jù)實(shí)際檢測的復(fù)雜工況，需要設(shè)計(jì)傳感器工裝，將設(shè)計(jì)加工好的傳感器固定在工裝的特定位置，圖12(a)為傳感器工裝部分的設(shè)計(jì)圖。將線圈的兩根引出線分別連接到同軸電纜線一端的芯線和屏蔽層上，同軸電纜線的另一端連接到射頻連接器的母頭端，圖12(b)為完整的傳感器部分。

圖12 傳感器工裝設(shè)計(jì)圖與制作后的外觀

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊試驗(yàn)

(1) 標(biāo)準(zhǔn)試塊的準(zhǔn)備，準(zhǔn)備5塊標(biāo)準(zhǔn)葉片，標(biāo)號(hào)分別為1，2，3，4，5 ，其中1，2號(hào)為有缺陷葉片，3，4，5號(hào)為完好葉片。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的實(shí)際狀況，實(shí)際檢測中由于受檢測空間狹小、裂紋出現(xiàn)位置的特殊性限制，無法采用動(dòng)態(tài)掃查的方式檢測，只能采用原位靜態(tài)檢測，即探頭放入葉片根部后保持不動(dòng)，采集當(dāng)前位置的渦流信號(hào)，與標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測值進(jìn)行對(duì)比來判斷葉片的好壞。

(2) 選擇相同的探頭，在同一條件下對(duì)5塊標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行連續(xù)10次的試驗(yàn)，對(duì)同一塊葉片在試驗(yàn)時(shí)采用重復(fù)檢測法，即進(jìn)行多次檢測判斷數(shù)據(jù)的可靠性，若連續(xù)5次以上采集的數(shù)據(jù)一致，則認(rèn)為數(shù)據(jù)可靠；若連續(xù)5次采集的數(shù)據(jù)不一致，或相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)不一致，則認(rèn)為數(shù)據(jù)不可靠，繼續(xù)重復(fù)試驗(yàn)。記錄下數(shù)據(jù)，繪制了標(biāo)準(zhǔn)試塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖(見圖13)，其直觀地顯示了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和差異。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)試塊連續(xù)十次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖13可以看出，5塊標(biāo)準(zhǔn)試塊連續(xù)10次試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值是0.01，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)可靠。1,2號(hào)試塊電壓幅值基本上在0.45～0.5 V間，3,4,5號(hào)試塊電壓幅值基本上在0.3～0.4 V。由此獲得完好葉片的渦流信號(hào)取值范圍為0～0.45 V，這一數(shù)值范圍可用來確定缺陷識(shí)別的參考閾值，超過此范圍的渦流信號(hào)作為異常信號(hào)進(jìn)行分析。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定葉片根部形態(tài)對(duì)渦流檢測信號(hào)的影響，現(xiàn)場檢測了某發(fā)動(dòng)機(jī)修理廠壓氣機(jī)57塊葉片，圖14為某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)部分葉片根部的原位檢測連續(xù)重復(fù)檢測三次的結(jié)果。

圖14 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部分葉片根部的原位檢測結(jié)果

從圖14可以看出，原位靜態(tài)3次檢測的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，證明了檢測結(jié)果的穩(wěn)定性，同時(shí)數(shù)據(jù)又具有散在分布的特點(diǎn)，與葉片根部形態(tài)不一致的實(shí)際情況相符合。數(shù)據(jù)顯示第28塊第3次檢測的數(shù)據(jù)都超出閾值，其余葉片檢測數(shù)據(jù)幾乎全部集中在0～0.45 V間(參考閾值的范圍內(nèi))，懷疑28號(hào)葉片根部有缺陷。對(duì)其進(jìn)行分解拆開后，發(fā)現(xiàn)28號(hào)葉片根部存在裂紋(深度0.31 mm，長度4 mm)，如圖15所示。

圖15 第28號(hào)葉片分解后的根部缺陷

3 結(jié)語

通過從外場發(fā)動(dòng)機(jī)葉片原位檢測的要求出發(fā)，根據(jù)葉片根部的形狀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與制作了符合葉片根部形狀的仿形傳感器。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)葉片根部檢測具有穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點(diǎn)，配合工裝可以達(dá)到葉片根部的原位檢測的要求。