发动机固定螺桩超声波检测探头设计

谢小荣

（空军第一航空学院，河南 信阳 464000）

0 引言

某型飞机发动机在维护过程中发现固定螺桩断裂脱落，为保障飞行安全，需要加强对该螺桩的检测。该型发动机固定螺桩的装配要求较高，平时尽量不拆卸，因此只能采取原位超声波检测。为保证检测准确可靠，需要设计合适的检测探头。另外，在原位检测条件下，受检测空间限制，夹具也是必须的。

1 检测原理

图1 螺桩装配示意图Fig.1 The assembly drawing of screw

发动机固定螺桩装配如图1所示，由于其受力特点，容易在啮合面下端第一或第二螺牙槽处产生裂纹。采用超声纵波检测原理如图2所示。探头发射超声波，在螺桩底部反射，仪器显示始波T和底波 B；有裂纹时，还会在裂纹处反射，产生裂纹波F。由于螺桩较细长，以及有螺纹，因此仪器还会显示一些延迟波和草状杂波。

图2 螺桩超声纵波检测原理Fig.2 Longitudinal Ultrasonic wave testing principle for screw

2 探头设计

2.1 基本结构

螺桩呈长杆型，端头直径较小，纵波法检测时，必须考虑声束指向性问题，即尽量使声束收窄，减小侧面波影响，提高信噪比。经试验证明，双晶纵波检测比单晶纵波检测效果更好。图3为双晶探头结构。双晶片一发一收，超声近场区落在有机玻璃延迟块内，晶片背面超声波被阻尼吸收，超声波发射区与接收区有隔声层分开，以免杂乱波干扰。

图3 双晶探头结构Fig.3 The structure of dualcrystal probe

2.2 探头频率

探头的频率决定检测灵敏度、分辨力、近场区、声束角，影响超声波的衰减。频率越高，检测灵敏度越高，分辨力也越高，但是衰减越大。螺桩长度不大，只有38mm，衰减影响不大。综合考虑选取探头频率为5MHz。

双晶探头近场区在有机玻璃延迟快内，不对检测造成影响，只需要计算指向角（晶片尺寸按6mm×6mm计算）。声束指向角：

2.3 纵波折射角

如图4所示，从晶片发射的超声波由有机玻璃进入螺桩中，纵波发生折射。折射的纵波必须能够覆盖螺桩容易产生裂纹区域。即折射角β：

图4 纵波传播路径Fig.4 The travelling route of longitudinal wave

2.4 晶片倾斜角（入射角）

纵波由有机玻璃折射到钢螺桩中，有机玻璃中声速2700m/s，钢中声速5850m/s，根据斯奈尔定律，可求出晶片最小倾斜角（入射角）为：

2.5 探头尺寸

晶片尺寸越大，声束能量越大，对检测有利。限于螺桩直径，双晶探头直径最大为10mm。原位检测时，检测空间有限，探头高度至多为14mm，否则探头不能进入探测位置。 晶片至探头端面距离（有机玻璃延迟块高度）必须保证近场区不能进入螺桩。近场长度为：

即晶片到探头端面距离 （有机玻璃延迟块高度）必须大于7.7mm。

3 检测应用

3.1 仪器选择

使用DPT-1002超声波检测仪，该仪器是手持式智能检测仪器，体积小，重量轻，分辨力高，定位定量准确，彩屏显示，可静态和动态存储，在外场高强光条件下使用也很方便。

3.2 试块制作

收集螺桩2个，制作成参考试块：完好螺桩1个，有0.5mm深人工刻槽模拟裂纹的螺桩1个。

3.3 灵敏度确定

灵敏度确定可采用两种方式：底波法和试块法。螺桩直径不大，超声波传播至底面并返回时，有大量超声波传播到螺桩侧面，因此根据底波高度来计算确定灵敏度是不准确的，最好的方法是采用试块法确定检测灵敏度。

将双晶探头分别放在两个螺桩参考试件头部，耦合良好，观察仪器屏幕显示。当把探头置于完好螺桩试件头部时，仪器屏幕上只有界面波S和底波B（始波T已被置于屏幕以外），见图2；当把探头置于有人工裂纹螺桩试件头部时，仪器屏幕上监视闸门内出现缺陷波F，且缺陷波幅度超过闸门高度，如图5所示。

3.4 原位检测

将探头置于飞机发动机待检螺桩头部，保持适当压力，耦合良好，轻微转动探头。判断耦合良好的方法是：仪器屏幕上底波具有超过80%的较高幅度，除非闸门报警区出现缺陷波。观察仪器屏幕，对波形进行判别。

图5 波形示意图Fig.5 The diagram of pulses

（1）如果闸门报警区出现新的波形，则可判断该螺桩存在裂纹， 如图6所示。发现裂纹时，可从仪器上直接读出裂纹深度位置。

（2）当裂纹较大时，螺桩的反射底波幅度可能显著减小或消失。

（3）注意排除其他杂波干扰。可能出现的干扰波有两种：一是螺纹草波，由螺桩上的螺纹产生，幅度较低，一般小于10%，影响较小，容易排除；另一种是二次界面回波，由探头端面反复反射的回波引起，位于闸门报警区邻近左侧，当给探头压力太大、灵敏度设置太高时可能出现。

图6 现场检测波形Fig.6 In situ detecting pulses

为能检测出更小裂纹，防止漏检，提高检测灵敏度，可在探头置于螺桩头部中心检测后，向外侧稍微移动2mm左右，环绕一周，同时转动探头，保持探头隔声层指向螺桩中心。

4 结论

实践证明，采用设计的双晶探头检测发动机固定螺桩，波形易于识别，对裂纹反应敏感，检测效果好于普通单晶探头，有效地保证了飞机飞行安全。