燃油泵蜗壳组件厌氧胶涂覆品质的超声检测

2018-09-19，，，

无损检测 2018年9期

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(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵阳 550009)

加力燃油控制系统是军用航空发动机控制系统的关键部位，其作用是向加力燃烧室提供燃油，系统主要由加力燃油泵、喷口加力调节器、加力燃油分布器等部件组成[1]。其中，加力燃油泵为主要部件。加力燃油泵主要分为离心泵、柱塞泵和气心泵，离心泵因具有流量大、单位流量的泵质量小、成本低、结构简单、便于流量调节等优势[2]，在当代加力燃油控制系统中得到普遍应用。

国内贵州红林航空动力控制科技有限公司生产了某型离心式加力燃油泵，其叶轮衬套通过螺纹紧固在蜗壳上，并在螺纹处涂厌氧胶使其进一步锁固。一旦螺纹连接失效，则会引起叶轮衬套串位以及叶轮与叶轮衬套碰磨。该燃油泵蜗壳组件就曾在试验过程中出现过叶轮与叶轮衬套的碰磨故障，暴露出胶涂覆工艺要求不细、过程控制不严的问题。故，为了对胶涂覆工艺进行细化完善，提高产品质量，有必要对厌氧胶涂覆品质进行有效检测。目前，国内外还未见有相关的检测标准，也少有此类检测的文献报道。

超声特征扫描成像检测是一种通过提取超声信号特征进行成像的方法[3]，其可以对超声检测信号进行全波列采集并存储，然后按照相应的处理方式进行对应的特征成像显示。SAMBATH等[4]将人工神经网络应用于对超声回波特征的提取，进一步提高了检测的可靠性和精确性。超声特征扫描成像检测因其特有的优势，在航空航天材料的无损检测中有着广泛应用[5-6]。基于超声特征扫描成像检测技术，提出了一种对加力燃油泵蜗壳组件厌氧胶涂覆品质的超声检测方法，并给出了若干试验结果，说明了该方法可以有效检测蜗壳组件厌氧胶的涂覆品质。

1 检测原理

蜗壳组件厌氧胶的涂覆品质，即螺纹连接之间的涂覆胶的有效连接面积与整个螺纹连接面积之比。叶轮衬套由钢制成，当超声波从叶轮衬套内壁入射时，其在外螺纹处的反射路径示意如图1所示。

外螺纹的牙顶为平面，当超声波入射到牙顶处时，可视为超声波垂直入射到单一平界面时的情况，此时将在叶轮衬套中产生一个与入射方向相反的反射波，设入射波的声压为P0，反射波的声压为Pr，则在界面上的纵波声压反射率γB为

(1)

式中:Z1为钢的声阻抗；Z2为介质层的声阻抗。

图1 外螺纹处的超声反射路径示意

钢的声阻抗为4.53×106g·cm-2·s-1，空气的声阻抗为40 g·cm-2·s-1，厌氧胶的声阻抗约为3×105g·cm-2·s-1。当螺纹结合面没有胶，即介质层为空气时，按式(1)计算牙顶处的声压反射率约为100%；若螺纹结合面涂满了胶，按式(1)计算得到此时的声压反射率约为87.6%，随着声压反射率的下降，反射回波的幅值将降低。

外螺纹的牙底为圆弧面，当超声波入射到牙底时，将有部分回波因偏离入射波的轴线方向而不能被探头接收，介质层对回波声压的影响与牙顶处的影响相同。

当超声波入射到外螺纹牙的斜面时，由牙型角为60°可推得声波在斜面上的入射角为60°，故其纵波反射角同为60°，且其反射纵波将垂直入射到相对的另一斜面上，并产生一个与之方向相反的反射波，该反射回波能被探头接收，但因为多经历两次反射的缘故，其回波能量会有较多的损失。当超声波倾斜入射到单一平界面时，其反射波的声压不仅与界面两侧声阻抗差异有关，还与声波入射角有关[7]。在试验中，声波入射到牙斜面的入射角是一定的，故其上的回波声压仅取决于介质层的声阻抗，而介质层对其回波声压的影响与牙顶处的影响相同。

综上所述，可利用超声回波的幅值特征来近似评估厌氧胶的涂覆品质。

2 试验过程

2.1 试验对象

试验对象为某型蜗壳组件，其结构示意如图2所示。其中，叶轮衬套上外螺纹的公称直径为52 mm，牙距为1.5 mm，螺纹共5个丝扣。螺纹结合面与内壁同为竖直面，叶轮衬套上外螺纹的牙顶距内壁5 mm。

图2 某型蜗壳组件结构示意

检测对象为5个特制的试样。其中，1#试样在整个螺纹结合面都涂满了厌氧胶，2#试样少涂了1扣，3#试样少涂了2扣，4#试样少涂了3扣，5#试样完全没有涂厌氧胶。所有试样均对螺纹处做了密封处理，在进行超声水浸扫查时，不会有水渗进螺纹里。

图3 超声特征扫描成像系统机械结构示意

2.2 超声特征扫描系统

试验用到的超声特征扫描成像系统由国内清华大学和南昌航空大学联合研制，其机械结构示意如图3所示。检测时，圆管件固定于转盘的中心，探头置于圆管件内合适位置，电机A每带动转盘旋转一圈，电机B就带动探头按照既定步长下降一定距离，直至扫查完全部预设面积。

扫查结束以后，专用的F-scan软件会将圆周展开成一个矩形图进行成像显示。在数据的后处理过程中，可根据需要选择不同的回波信号特征进行成像。试验利用回波的幅值特征进行成像显示，成像时，将闸门范围内超过闸门高度的最高波的幅值按满幅的百分比赋予不同的颜色，得到幅值特征的彩色图。为了满足试验需要，专门在软件中加入了统计功能，使用该功能时，利用鼠标框选成像图中的任意矩形区域，软件便会自动统计该区域内各种颜色所占的百分比，并给出统计结果。

2.3 试样的检测结果

检测用的探头是频率为5 MHz的水浸聚焦探头，其在水中的焦距为25.4 mm。实际检测时，设置水距为5 mm，已知钢的纵波声速为5 900 m·s-1，水的声速为1 480 m·s-1，故其在钢中的焦距为5.1 mm，超声波聚焦的焦柱覆盖到螺纹结合面，满足检测需求。

首先对5#试样进行检测，利用叶轮衬套上外螺纹的回波幅值进行成像，结果如图4所示，横坐标表示圆周，纵坐标表示竖直方向上的深度。当超声波入射到牙的斜面上时，由前面的分析可知，其回波幅值较低。而牙底和牙顶均具有一定的反射平面，故其回波幅值较高，如图中红色区域所示。因为牙底为圆弧面，牙顶为平面，由前面的分析可知，表征牙底的线条要比表征牙顶的线条细，从图上还可以看出两者有一定程度的结合，这是因为超声波束具有一定的宽度。

图4 5#试样的幅值成像结果

图5为叶轮衬套上外螺纹牙底和牙顶的超声回波波形，数据显示，牙底距衬套内壁3.99 mm，牙顶距衬套内壁5.00 mm，与实际结构相符。由于超声波束具有一定的宽度，故探头会同时接收到来自牙底和牙顶的回波，其波束中心对准区域反射回波的幅值较高。

图5 叶轮衬套上外螺纹牙底和牙顶的超声回波波形

图6 1#～4#试样的幅值成像结果

按照相同的检测工艺分别对1#～4#试样进行检测，同样以叶轮衬套上外螺纹的回波幅值进行成像，结果如图6所示。从1#～5#试样的幅值成像结果中可以直观地看出，图上黑色区域的面积逐渐减少，高回波幅值区域逐渐增多。在试样的幅值成像图上仍有少部分回波幅值较高的区域，这是由试样制作引起的。

3 结果分析

分别对1#～ 5#试样的幅值成像图中各颜色所占百分比进行统计，结果如表1所示。以黑色占比近似表征厌氧胶的涂覆品质，黑色占比越高，厌氧胶的涂覆品质越好。

表1 1#～5#试样的幅值成像图的统计结果 %

从表1可以看出，当以黑色占比近似表征厌氧胶的涂覆品质时，其结果与试样的制作结果有一定的出入。经分析，由于厌氧胶是先涂覆在螺纹上，再拧紧螺纹的，而在拧螺纹的过程中，其厌氧胶的位移变化不可控，从而导致试样的制作无法完全满足预期的结果。为了验证厌氧胶的涂覆品质对蜗壳使用性能的影响，分别对2#～4#试样做了扭矩试验，使用CTT1103型微机控制电子扭转试验机记录转动叶轮衬套过程的最大扭矩，测得结果如表2所示。2#～4#试样的扭矩依次下降，与试样的制作情况相符，也进一步证明了表1中统计结果的正确性。从表2还可以看出，4#试样相对2#和3#试样，其扭矩大幅度减小，说明厌氧胶的涂覆品质存在一个临界值，一旦低于该临界值，将严重影响蜗壳组件的使用性能。因此，在生产过程中，有必要对厌氧胶的涂覆品质进行检测。综合表1与表2的结果来看，厌氧胶涂覆品质的临界值约为70%，该临界值的确定对于蜗壳产品验收标准的制定具有非常重要的指导意义。