應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某型直升機(jī)防扭支架疲勞試驗(yàn)裂紋

摘 要：通過應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)，及時(shí)捕捉疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的過程，給判定疲勞試驗(yàn)件是否破壞帶來更準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)，從而能為直升機(jī)動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)件的準(zhǔn)確定壽提供一種科學(xué)的輔助手段。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；直升機(jī)防扭支架；監(jiān)測(cè)疲勞裂紋
0 前言
直升機(jī)關(guān)鍵部件或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞破壞一直是危及直升機(jī)安全的一個(gè)重要因素。現(xiàn)階段，預(yù)防疲勞破壞的有效方法之一就是進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，從而給出直升機(jī)的飛行壽命。因此，在疲勞試驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)確獲取疲勞試驗(yàn)件的破壞過程對(duì)直升機(jī)的疲勞定壽有著十分重要的意義。目前，在我國(guó)的直升機(jī)疲勞試驗(yàn)中，疲勞試驗(yàn)件是否破壞主要以試驗(yàn)人員目視檢查試驗(yàn)件出現(xiàn)裂紋為主，無法掌握裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂的全過程。但從疲勞裂紋的形成機(jī)理來看，微觀裂紋發(fā)展成宏觀裂紋再到臨界破壞點(diǎn)是有一個(gè)擴(kuò)展過程的，如果不把這個(gè)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于試驗(yàn)件的壽命計(jì)算上，給直升機(jī)的準(zhǔn)確定壽會(huì)帶來一定的誤差，這將會(huì)增加直升機(jī)的使用和維修成本，并最終將會(huì)直接影響直升機(jī)的飛行安全。因此，我們必須要引入一種能對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，如果他能在試驗(yàn)狀態(tài)下實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)件的破壞全過程，我們就能對(duì)關(guān)鍵部件或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞定壽提供可靠、科學(xué)、全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為其準(zhǔn)確定壽提供保障。超聲波物位計(jì)通過對(duì)各種檢測(cè)方法的技術(shù)分析我們發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射技術(shù)滿足我們的要求。他具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，預(yù)先警報(bào)和覆蓋面大的特點(diǎn)。通過運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)，可以對(duì)正在試驗(yàn)中的動(dòng)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，對(duì)疲勞破壞的萌生點(diǎn)、擴(kuò)展速度和擴(kuò)展時(shí)間都有較全面的了解。如果這一技術(shù)能夠在疲勞試驗(yàn)中運(yùn)用成功，將會(huì)給判定疲勞試驗(yàn)件是否破壞帶來更準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)，從而為直升機(jī)動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)件的準(zhǔn)確定壽提供科學(xué)的技術(shù)保障[5]。
1 聲發(fā)射技術(shù)在疲勞試驗(yàn)中運(yùn)用的原理
在疲勞試驗(yàn)中，構(gòu)件在足夠大的交變載荷的多次作用下，可能發(fā)生疲勞破壞。通常，在這種破壞之前，構(gòu)件往往沒有變形征兆，而是直接形成疲勞初始裂紋。在交變載荷的作用下，裂紋以一定的速率擴(kuò)展，擴(kuò)展是緩慢且不連續(xù)的，它隨著應(yīng)力水平的大小，時(shí)而持續(xù)時(shí)而停滯。隨著裂紋的擴(kuò)展，構(gòu)件截面逐步削弱，削弱到一定極限時(shí)，構(gòu)件便突然斷裂。超聲波液位計(jì)因此，裂紋的形成和擴(kuò)展在疲勞試驗(yàn)中是一種主要的有效聲發(fā)射源。在試驗(yàn)件出現(xiàn)裂紋時(shí)，高度集中的多余能量被釋放出來，形成聲發(fā)射信號(hào)。裂紋形成后，在發(fā)展成為宏觀裂紋之前，需要經(jīng)過裂紋的緩慢擴(kuò)展階段。并且裂紋擴(kuò)展所需的能量比裂紋形成時(shí)大得多（約100-1000倍），因此裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)比裂紋形成時(shí)更強(qiáng)。超聲波測(cè)厚儀裂紋向前擴(kuò)展一步，將積蓄的能量釋放出來，裂紋尖端地區(qū)卸載，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到接近臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí)，試件就開始進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展，繼而快速斷裂。這時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射強(qiáng)度更大，如斷裂韌性實(shí)驗(yàn)中，就能產(chǎn)生人耳可聽見的聲音。由于裂紋形成和擴(kuò)展都是一個(gè)不可逆的、突發(fā)的過程，只要裂紋形成或擴(kuò)展就會(huì)在采集的信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)增量。通過對(duì)這種增量的對(duì)比分析，我們就能及時(shí)了解裂紋的發(fā)展動(dòng)向，及時(shí)預(yù)測(cè)或捕捉試驗(yàn)件裂紋就成為可能[1-4]。
在試驗(yàn)過程中，通過聲發(fā)射傳感器，采集來自試驗(yàn)件的聲信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的剔噪處理，提取出有用的聲發(fā)射信號(hào)。通過用各種聲發(fā)射參數(shù)（這些參數(shù)包括有能量、幅度、振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、平均頻率、絕對(duì)頻率等，超聲波清洗機(jī)其中比較重要的參數(shù)包括AE撞擊數(shù)、事件數(shù)、AE幅值分布、AE能量分布等）對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行表征，然后對(duì)這些聲信號(hào)參數(shù)增量變化進(jìn)行分析，我們就能預(yù)測(cè)裂紋的發(fā)展趨勢(shì)，最終對(duì)試件是否破壞做出判斷，并對(duì)裂紋的位置進(jìn)行定位。
2 裂紋監(jiān)測(cè)
2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象
本次試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的對(duì)象是某型機(jī)防扭支架疲勞試驗(yàn)，加載載荷為拉－拉載荷，其加載圖如圖1所示。通過用聲發(fā)射設(shè)備對(duì)疲勞試驗(yàn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解防扭支架的疲勞裂紋情況。經(jīng)應(yīng)力分析認(rèn)為2個(gè)連接螺栓孔為應(yīng)力集中點(diǎn)，產(chǎn)生裂紋的機(jī)率比較大，因此選擇把螺栓孔作為主要裂紋監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
2.2 監(jiān)測(cè)方法
由于疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展是一個(gè)持續(xù)的過程，洗片機(jī)為了能及時(shí)捕捉到裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展的全過程，我們采用的是連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，用聲發(fā)射設(shè)備對(duì)試件的疲勞試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。
2.3 聲發(fā)射設(shè)備及參數(shù)設(shè)置
本次試驗(yàn)采用的聲發(fā)射設(shè)備是PAC公司的24通道DiSP系統(tǒng)。由于試驗(yàn)件可布置傳感器的位置非常有限（試驗(yàn)件寬度為100mm左右），因此只能布置2個(gè)聲發(fā)射傳感器。我們把傳感器布置在如圖1的位置，傳感器與試件之間用耦合劑耦合，2個(gè)傳感器之間的距離為50mm。由于只能布置2個(gè)傳感器，因此只能采用線定位的方式對(duì)裂紋進(jìn)行定位，這也給準(zhǔn)確定位帶來了很大的難度。
聲發(fā)射技術(shù)能否成功應(yīng)用，聲發(fā)射各技術(shù)參數(shù)的設(shè)置是一關(guān)鍵因素，由于試驗(yàn)件材料和結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致聲發(fā)射參數(shù)必須隨不同的試驗(yàn)件而改變。如何找到適合本次試驗(yàn)的聲發(fā)射參數(shù)將是試驗(yàn)前要解決的第一個(gè)問題。為了找到合適的參數(shù)設(shè)置，我們通過用斷鉛摸擬聲發(fā)射信號(hào)對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)試，最后才初步設(shè)定聲發(fā)射設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)如下：幅值門檻值設(shè)為40 dB，前放增益設(shè)為40 dB，峰值定義時(shí)間（PDT）設(shè)為300us，聲發(fā)射事件定義時(shí)間（HDT）超聲波液位計(jì)設(shè)為600us，撞擊閉鎖時(shí)間（HLT）設(shè)為1000us。Event Definition Value (事件定義值)設(shè)為50mm，Event Lockout Value（事件閉鎖值）設(shè)為100mm，Overcal設(shè)為5。通過斷鉛試驗(yàn)計(jì)算出平均波速v為6×106mm/s(v=s/t s：傳感器之間的距離；t:傳感器接收信號(hào)的時(shí)差，可用線性顯示模式讀出，然后通過斷鉛試驗(yàn)校正得出平均波速)。
在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)夾具之間的摩擦噪聲是我們要解決的第二個(gè)難題，因?yàn)閵A具之間的摩擦噪聲跟聲發(fā)射信號(hào)的頻率非常相似，只有盡可能多的剔除多余的噪聲，才不會(huì)影響正常的裂紋聲發(fā)射信號(hào)的接收。為了解決這個(gè)問題，我們通過調(diào)整前放增益和PDT、HDT、HLT等參數(shù)都沒得到理想結(jié)果，最后發(fā)現(xiàn)調(diào)整幅值門檻值能有效減少噪聲信號(hào)，但是幅值門檻調(diào)高了有用的裂紋聲發(fā)射信號(hào)也將會(huì)被剔除在外，調(diào)得不夠，噪聲又不能有效剔除，超聲波物位計(jì)怎么找到合適的門檻值，是又一個(gè)面臨在我們面前必須要解決的問題。為了解決這個(gè)問題，我們先是通過機(jī)械方面去考慮，盡量減少夾具之間的間隙，減少夾具摩擦和撞擊，然后通過在試驗(yàn)時(shí)用斷鉛試驗(yàn)模擬突發(fā)聲發(fā)射信號(hào)，來調(diào)整幅值門檻值。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最后找到了一個(gè)比較合適的門檻值為45dB。從而解決了夾具摩擦噪聲的干擾問題，為試驗(yàn)的順利進(jìn)行打下了很好的基礎(chǔ)。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
試驗(yàn)件在初始疲勞載荷加載時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)Hits數(shù)變化比較平穩(wěn)，幅值較低（見圖2），并且大部分的聲發(fā)射信號(hào)的幅值都在45－55 dB之間（見圖3）。由此我們可以推斷，這些比較有規(guī)律的信號(hào)是由機(jī)械摩擦噪聲引起的。
經(jīng)過1.0×106次試驗(yàn)循環(huán)后，試驗(yàn)載荷升級(jí)。升級(jí)后聲發(fā)射信號(hào)幅值有一定的上升（幅值范圍在45－65dB之間），Hits數(shù)有所增加，但變化還是比較平穩(wěn)，聲發(fā)射能量值有比較大的上升。經(jīng)分析認(rèn)為是由于載荷加大摩擦加劇造成的。
繼續(xù)0.115×106次試驗(yàn)循環(huán)后，2＃聲發(fā)射傳感器附近的位置Hits數(shù)有較明顯的上升（見圖4），靠近2＃聲發(fā)射傳感器的信號(hào)幅值（最大值）也有了快速的增加，超聲波測(cè)厚儀最大值上升到90dB（見圖5）。2＃聲發(fā)射傳感器接收到的信號(hào)能量也有了比較大的增加（見圖6）。根據(jù)上述情況判斷試驗(yàn)件可能出現(xiàn)了異常情況，我們對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行表面裂紋檢查（沒有拆開孔連接），沒有發(fā)現(xiàn)表面裂紋。當(dāng)時(shí)我們判斷聲發(fā)射信號(hào)的變化可能是由試驗(yàn)臺(tái)架上突然來的摩擦或撞擊而引起的噪聲信號(hào)。
繼續(xù)試驗(yàn)，在此過程中，聲信號(hào)一直很強(qiáng)，Hits數(shù)一直維持在增長(zhǎng)較快速的水平，幅值最大值超過90 dB的次數(shù)明顯增多（見圖7），10分鐘后我們對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了再一次的檢查，發(fā)現(xiàn)在2＃傳感器附近已經(jīng)出現(xiàn)一條5mm長(zhǎng)的裂紋（見圖8）。
由于裂紋形成和擴(kuò)展時(shí)都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的聲信號(hào)，通過以上的試驗(yàn)結(jié)果分析我們可知，第一次聲發(fā)射信號(hào)迅速上升時(shí)期，也即在0.115×106次試驗(yàn)循環(huán)時(shí)，疲勞裂紋可能就已經(jīng)形成，由于被上加載板遮住，而沒有能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。按此推算，在接下來的試驗(yàn)循環(huán)就應(yīng)該算是裂紋的擴(kuò)展期。通過運(yùn)用裂紋擴(kuò)展速率公式即Forman公式，我們就可以計(jì)算出裂紋的擴(kuò)展速度。
聲發(fā)射系統(tǒng)除了給出了裂紋萌生和擴(kuò)展時(shí)間外，也給出裂紋的萌生點(diǎn)和擴(kuò)展的方向。通過試驗(yàn)結(jié)果分析我們可知，2＃傳感器接收的信號(hào)數(shù)量增長(zhǎng)率一直比1＃傳感器要多（見圖4），高幅值高能量的信號(hào)也集中在2＃傳感器附近。通過圖5和圖7分析我們可知，裂紋是從離2＃傳感器10mm左右的距離開始，并由此向靠近2＃傳感器一邊擴(kuò)展的。經(jīng)試驗(yàn)件檢查證明，聲發(fā)射系統(tǒng)給出的裂紋位置和擴(kuò)展方向都比較準(zhǔn)確。
通過對(duì)第一件防扭支架疲勞試樣裂紋監(jiān)測(cè)采集的眾多AE參數(shù)分析我們發(fā)現(xiàn)，Hits變化率、能量變化率和最大幅值這幾個(gè)參數(shù)對(duì)于裂紋的發(fā)現(xiàn)有比較直觀的反映。并且，在出現(xiàn)裂紋時(shí)其最大幅值信號(hào)為90dB左右。為了能在下一件試驗(yàn)件監(jiān)測(cè)時(shí)減少工作強(qiáng)度，在接下來的另外幾件防扭支架試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中我們?cè)O(shè)定了最大幅值超過90dB作為裂紋報(bào)警門檻，并結(jié)合Hits變化率、能量變化率這2個(gè)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)件是否出現(xiàn)裂紋進(jìn)行判斷。通過這種方法，我們分別對(duì)另外2件防扭支架試驗(yàn)件的疲勞裂紋做出了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。這說明利用幅值、Hits變化率、超聲波清洗機(jī)能量變化率這3個(gè)參數(shù)對(duì)裂紋進(jìn)行預(yù)警是可行的。
4 結(jié)論
通過應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)疲勞試驗(yàn)件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)裂紋的萌生和擴(kuò)展過程，并能對(duì)裂紋進(jìn)行初步定位，解決了長(zhǎng)期困擾直升機(jī)疲勞試驗(yàn)的實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞破壞點(diǎn)的問題。通過對(duì)一些聲發(fā)射有效參數(shù)的具體量化后，聲發(fā)射技術(shù)完全能夠建立疲勞破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)，為今后的直升機(jī)疲勞試驗(yàn)裂紋判斷提供科學(xué)、客觀、有效的判據(jù)。