液氧/煤油發(fā)動機多余物自動檢測技術(shù)

牛書鋒，張國悅

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

液體火箭發(fā)動機是運載火箭或航天器的推進系統(tǒng)，隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，對液體火箭發(fā)動機提出了更高的可靠性要求。液體火箭發(fā)動機多余物為內(nèi)腔中存在的與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)無關(guān)的物質(zhì)，發(fā)動機的制造需要通過諸多工藝環(huán)節(jié)完成，在焊接、裝配等工藝過程中，由于管理或技術(shù)措施落實不到位，裝焊完成后會在產(chǎn)品內(nèi)腔形成多余物。在液體火箭發(fā)動機工作過程中，多余物將嚴重影響發(fā)動機的工作可靠性，引起運轉(zhuǎn)部件損壞、閥門控制失效等故障，直接導致火箭飛行試驗失敗[1-2]。

多余物的控制是航天型號產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵，多余物檢查及排除是保證發(fā)動機可靠工作的重要環(huán)節(jié)。目前由于條件限制，液氧/煤油發(fā)動機總裝后，尚未進行整機狀態(tài)多余物滾動檢測，給發(fā)動機質(zhì)量留下隱患。為確保交付發(fā)動機質(zhì)量，提高發(fā)動機多余物檢測的有效性，開展了發(fā)動機多余物自動檢測工藝技術(shù)研究[3-5]，通過聲發(fā)射傳感器采集多余物在發(fā)動機滾動過程中的聲波信號實現(xiàn)多余物的自動檢測[6]。

1 發(fā)動機多余物自動檢測系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

多余物自動檢測系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、信號預處理系統(tǒng)、信號連續(xù)傳遞機構(gòu)、信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機及專用檢測軟件等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多余物自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of automatic redundancy detection system

1.2 檢測原理

聲發(fā)射是指因能量的快速釋放而導致材料局部發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，其本質(zhì)也是一種機械波。在不同的應用場合，聲發(fā)射波的頻率范圍通?？梢詮膸缀掌澋綆渍缀掌?。一般而言，人耳無法聽見該信號，而需要高靈敏度的傳感器來輔助監(jiān)測，從而聲發(fā)射傳感器應運而生[7-8]。

發(fā)動機多余物自動檢測技術(shù)是通過將被檢查產(chǎn)品進行滾動，使存在于產(chǎn)品內(nèi)腔的金屬多余物與其內(nèi)壁發(fā)生碰撞和滑動。在此過程中產(chǎn)生的聲信號以彈性波的形式傳播到產(chǎn)品的外壁，通過聲發(fā)射傳感器監(jiān)測此信號，并轉(zhuǎn)換成相對應電信號輸出[9-10]。通過信號處理系統(tǒng)對信號進行數(shù)據(jù)校正，經(jīng)過上位機內(nèi)的軟件進行信號分析、波形處理與綜合判定，然后將波形及判定信息進行動態(tài)顯示，并給出多余物有無的判定信息和存在位置的參考信息。

1.3 檢測方式

1.3.1 檢測方法和步驟

由于液氧/煤油發(fā)動機結(jié)構(gòu)比較復雜，檢測點數(shù)量多，聲發(fā)射傳感器可采集距其800 mm(機械連接)以內(nèi)的多余物信號，根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和傳感器可檢測范圍,并通過多次試驗設計16組傳感器進行聲發(fā)射信號檢測，選用諧振式窄帶聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器將聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)化為交流信號，并經(jīng)前置放大器放大后，該交流信號一般含有各種噪聲信號并且僅為毫伏級[11-12]。因此，在前置放大器后設計調(diào)理電路(包含濾波器和功率放大器)，來對信號進一步放大和濾波，最終實現(xiàn)多余物有無判定和提供多余物存在位置參考信息。通過對檢測信號的采樣分析，由系統(tǒng)軟件通過程序運行判定是否存在多余物信號。通過對首次采集的信號進行分析，若存在多余物，再對存在疑似多余物的區(qū)域進行詳細檢測分析。然后在此區(qū)域內(nèi)布置多組傳感器進行第二次或多次檢測，進一步確定多余物小區(qū)域范圍和位置。圖2為多余物信號采集處理系統(tǒng)圖。

圖2 多余物信號采集處理系統(tǒng)圖Fig.2 Signal acquisition and processing system for redundancy

1.3.2 可檢測多余物類型

可檢測多余物類型包括產(chǎn)品內(nèi)腔活動的金屬焊渣及裝配過程中掉入產(chǎn)品內(nèi)部并可活動的螺釘、螺母、墊片、密封墊、鉛封及保險絲等具有一定尺寸及重量的顆粒狀金屬多余物[13]。

1.3.3 系統(tǒng)檢測精度

系統(tǒng)采用高靈敏度聲發(fā)射傳感器，最高精度可以采集到體積和重量相當于Φ1 mm鋼珠大小的多余物信號。

2 浮動環(huán)及電磁干擾噪聲屏蔽技術(shù)

2.1 浮動環(huán)響聲干擾和電磁干擾

在開展液氧/煤油發(fā)動機多余物檢測工藝試驗時，發(fā)現(xiàn)渦輪泵內(nèi)的浮動環(huán)在發(fā)動機轉(zhuǎn)動過程中會不定時發(fā)出響聲，由于浮動環(huán)的尺寸和重量較大，多余物檢測系統(tǒng)的多個傳感器都能檢測到浮動環(huán)響聲信號，檢測系統(tǒng)判定為多余物，影響了發(fā)動機多余物檢測結(jié)果的判定。針對渦輪泵內(nèi)浮動環(huán)的響聲影響[14]，開展了浮動環(huán)干擾響聲影響規(guī)律的試驗研究。為了檢測發(fā)動機浮動環(huán)的響聲，將原本用于檢測環(huán)境噪音的16號傳感器固定在離浮動環(huán)最近的導管組件上，這樣16號傳感器既能接收到浮動環(huán)響聲，也可以接收到環(huán)境噪音及其他干擾信號，通過試驗發(fā)現(xiàn)浮動環(huán)每次發(fā)出響聲時總有6～10個傳感器會同時接收到觸發(fā)信號，并且固定在導管組件上的16號傳感器每次都能接收到觸發(fā)信號。

另外，在液氧/煤油發(fā)動機多余物自動檢測時，傳感器經(jīng)常會不定時地接收到干擾信號，檢測系統(tǒng)判定為多余物。根據(jù)干擾信號的波形初步判定為電磁干擾，通過對周圍設備的排查沒有發(fā)現(xiàn)干擾源，而且干擾信號出現(xiàn)的時間和每次持續(xù)的時間都毫無規(guī)律，因此開展了電磁干擾影響規(guī)律的試驗研究。通過試驗發(fā)現(xiàn)電磁干擾每次出現(xiàn)時總有8～16個傳感器同時接收到觸發(fā)信號，并且閾值越低的傳感器越容易接收到干擾信號。圖3為電磁干擾信號的波形圖。

圖3 電磁干擾信號波形圖 Fig.3 Oscillogram of electromagnetic interference signal

2.2 干擾信號屏蔽方法

浮動環(huán)響聲與電磁干擾對發(fā)動機多余物檢測的影響規(guī)律有共同的特點，即干擾出現(xiàn)時至少有6個以上傳感器同時接收到觸發(fā)信號。通過研究，在多余物檢測系統(tǒng)后處理軟件中增加干擾信號屏蔽處理功能，可有效消除干擾信號的影響[15]，具體方法如下：

將固定在導管組件上的16號傳感器確定為檢測發(fā)動機浮動環(huán)響聲和電磁干擾的基準，軟件后處理以該通道信號為判定基準，第16通道有觸發(fā)信號且其它通道A秒內(nèi)同時有觸發(fā)信號時(A值可調(diào))，默認為浮動環(huán)響聲或電磁干擾引起的非多余物信號，系統(tǒng)判斷為無多余物；第16通道無觸發(fā)信號，其他通道有觸發(fā)信號時，系統(tǒng)判斷有多余物。圖4為屏蔽干擾后的多余物檢測信號(人為放置的多余物)。

3 發(fā)動機多余物自動檢測工藝參數(shù)研究

針對液氧/煤油發(fā)動機總裝過程中可能產(chǎn)生多余物的類型和大小，開展了多余物檢測工藝參數(shù)研究，通過試驗確定了發(fā)動機滾動的轉(zhuǎn)速、傳感器的閾值和觸發(fā)信號同步接受時間。

圖4 屏蔽干擾后的多余物輸出信號 Fig.4 Output signal of redundancy after shielding interference

3.1 發(fā)動機滾動轉(zhuǎn)速的確定

發(fā)動機多余物滾動檢查設備的轉(zhuǎn)速范圍為1～30轉(zhuǎn)/min。將發(fā)動機安裝在機械轉(zhuǎn)臺上后，在發(fā)動機機架側(cè)桿上捆綁內(nèi)腔有多余物的標準試件，在試件上安裝傳感器進行檢測。進行了發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1～30轉(zhuǎn)/min的檢測試驗。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速較低時，多余物在試件內(nèi)的撞擊次數(shù)少，傳感器檢測到的多余物信號的次數(shù)也較少；轉(zhuǎn)速較高時發(fā)動機自身的振動量較大，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性較差，綜合考慮確定發(fā)動機滾動的轉(zhuǎn)速為8轉(zhuǎn)/min。

3.2 傳感器閾值的確定

傳感器閾值是指能激發(fā)傳感器的最小能量值，為電壓值。通過對發(fā)動機裝配過程可能產(chǎn)生的多余物進行梳理，主要有密封墊、鉛封、卡尺上的螺釘、螺栓、螺母、墊片、鐵屑、保險絲等。采用Φ1 mm，Φ2 mm，Φ4 mm，Φ6 mm及Φ8 mm標準鋼球和定尺度的保險絲、鐵屑、密封墊等試件進行傳感器的閾值確定試驗，試驗結(jié)果如表1所示。試驗結(jié)果表明，發(fā)動機裝配過程可能產(chǎn)生的多余物的傳感器閾值為0.08～0.004，且當傳感器閾值大于0.028時，系統(tǒng)穩(wěn)定、檢測結(jié)果準確；當傳感器閾值低于0.028時，容易出現(xiàn)噪聲，造成誤判(分析認為是發(fā)動機轉(zhuǎn)動過程中自身振動引起的信號，而非多余物造成的信號)。綜合考慮，將1～15號傳感器閾值設定為0.028。由于16號傳感器是檢測發(fā)動機浮動環(huán)響聲和電磁干擾的基準，將16號傳感器的閾值設定為0.015(閾值低于其他傳感器)，使其更容易接收到浮動環(huán)響聲和電磁干擾信號。

3.3 觸發(fā)信號同步接受時間的確定

觸發(fā)信號同步接收時間是指在16號傳感器與其他傳感器同時接收觸發(fā)信號的最短時間。系統(tǒng)可設定的最小值為20 ms，且可按20 ms的倍數(shù)增加。從20～200 ms進行發(fā)動機多余物檢測試驗，當時間小于等于40 ms，由于浮動環(huán)響聲傳到發(fā)動機某些傳感器測點的時間大于40 ms，系統(tǒng)判定為有多余物；當時間大于等于60 ms時，系統(tǒng)檢測穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，綜合考慮將1～15號傳感器與16號傳感器同時接收觸發(fā)信號的時間設定為60 ms。

表1 多余物類型與傳感器閾值對照表

Tab.1 Comparison between redundancytype and sensor threshold

多余物類型傳感器閾值/VΦ1 mm鋼球0.015Φ2 mm鋼球0.018Φ4 mm鋼球0.028Φ6 mm鋼球0.050Φ8 mm鋼球0.190Φ0.5mm×5 mm保險絲0.0043mm×1mm×0.5 mm鐵屑0.004L4密封墊0.030T4密封墊0.032M5墊片0.028M5螺母0.084M5螺栓0.150鉛封0.050卡尺上的螺釘0.080

4 驗證試驗

在確定發(fā)動機多余物自動檢測的轉(zhuǎn)速、傳感器的閾值和觸發(fā)信號同步接受時間3個工藝參數(shù)后，用液氧/煤油發(fā)動機樣機進行了多余物模擬檢測試驗。將1～14號傳感器固定在發(fā)動機上，15傳感器固定在標準試件上，標準試件捆綁在發(fā)動機機架側(cè)桿上，在標準試件內(nèi)分別放置L4密封墊、T4密封墊、鉛封、卡尺上的螺釘、M5螺栓、M5螺母和M5墊片，系統(tǒng)均能檢出多余物，而且沒有誤判。

此外，開展了發(fā)動機內(nèi)腔多余物驗證試驗，分解發(fā)動機導管與氧預壓泵連接處，將M5螺母系線繩放入導管內(nèi)，固定在導管上的10號傳感器可檢測到多余物信號，其他傳感器無觸發(fā)信號，檢測結(jié)果準確可靠。

5 結(jié)語

通過試驗研究，獲得了液氧/煤油發(fā)動機多余物自動檢測中發(fā)動機浮動環(huán)和電磁干擾噪聲屏蔽方法，確定了發(fā)動機多余物自動檢測工藝參數(shù)。形成的發(fā)動機多余物自動檢測技術(shù)、干擾信號屏蔽方法以及自動檢測工藝參數(shù)的確定，為其他型號發(fā)動機多余物的檢測提供了技術(shù)借鑒。