某型飞机法兰盘表面缺陷的无损检测方法

2020-12-18张海兵孙红光

无损检测 2020年2期

张海兵,王莉,孙红光

(海军航空大学青岛校区，青岛 266041)

1 概述

主起落架法兰盘是飞机着陆装置的关键部件之一(见图1)，主要作用是固定联接刹车盘。在飞机滑行过程中，当刹车盘对轮毂进行刹车时，刹车盘因受反作用力会对法兰盘施加一定的扭转剪切力，易使得法兰盘的过渡圆角边缘处产生疲劳裂纹，影响刹车工作效率，甚至导致刹车失效。因此，非常有必要定期对法兰盘进行无损检测。

图1 主起落架轮轴法兰盘实物

图2 法兰盘结构示意

2 检测方法

法兰盘结构示意如图2所示，应力集中部位如图中R5处所示。法兰盘表面有一层油漆，如对其实施磁粉检测和渗透检测，油漆层会对检测结果产生较大影响；如果采用涡流检测方法，原理上是可行的，但检测部位形状不规则，会引发大量干扰信号而影响检测的可靠性。故，综合考虑法兰盘表面状况和各类检测方法的适用性，认为超声表面波检测技术是一种较好的原位检测方法[1-3]。

另外法兰盘材料为30GrMnSiA，是一种铁磁性材料，选用磁粉检测方法作为复检的方法比较适用。

3 超声表面波检测

3.1 检测影响因素分析

超声表面波质点运动状态具有纵波和横波的综合特性[4]，表面波检测法兰盘时主要受以下因素影响。

(1) 油污和表面光洁度的影响

表面波波长比横波波长短，衰减也大于横波的，当其沿工件表面传播时，对于表面的油污、不光洁等反应敏感，会发生大幅衰减。利用此特点，检测过程中可以用手指沾少量油在声束传播方向触压工件表面，并观察反射回波波高的变化，从而判断反射源及其所处位置。

(2) 裂纹的影响

当表面波遇到裂纹时，一部分信号在裂纹开口处仍以表面波的形式被反射，并沿工件表面的原路径返回；另一部分信号会沿裂纹表面传播，并在经过裂纹后仍以表面波的形式沿工件表面继续传播，同时部分表面波在裂纹尖端处发生波型转换，转换为变形纵波和变形横波在工件内部传播。

(3) 弧形转角的影响

表面波传播过程中，遇到凸面弧形转角边缘时，部分表面波信号会发生反射和透射；遇到凹面弧形转角边缘时，部分表面波会发生波型转换，出现转换横波在工件内部传播；而另一部分表面波信号将继续沿弧形表面传播。

3.2 超声表面波检测

3.2.1 探头的选择

超声表面波探头主要选择纵波折射法表面波换能器，压电晶片产生的纵波通过一定倾角的斜楔入射到工件表面，经波型转换后在工件中产生表面波。法兰盘的厚度为4 mm(见图2)，待检测表面应较光洁。综合考虑航空机件判废要求和法兰盘尺寸结构，探头频率选择为2.5 MHz，晶片尺寸(长×宽)为6 mm×6 mm，入射角为62°。

3.2.2 扫描范围和灵敏度调整

超声表面波检测时,探头扫描速度调整方法[5]与斜探头的不同。将探头声波发射面涂以耦合剂，放在V-2型试块上，使探头前沿距离φ5 mm孔边沿30 mm,调整深度按键，使孔的反射波位于显示屏水平刻度“9”处，调整抑制读数为40%，使φ5 mm孔的反射波高度达到饱和。或者将探头放置在法兰盘标准试块上，表面波沿法兰盘表面向轮轴的根部传播(见图3)，探头前沿距离过渡圆角R5内侧边(即轮轴外壁)15 mm，使底波(转换横波的回波)位于显示屏水平刻度“7”附近，调整抑制读数为40%，使底波高度达到饱和，此时显示屏水平扫描线与声程比为2∶1。

图3 主起落架法兰盘超声表面波检测波形与探头放置示意

3.2.3 检测步骤

(1) 分解机轮，取下刹车盘螺栓，将法兰盘清洗干净，如果发现探头扫查区存在漆层脱落、起泡，则进行局部除漆或打磨处理(用砂纸)。

(2) 将探头涂上耦合剂后放置在法兰盘上，指向轮轴的根部(见图3)，当在图2 中A>27 mm的区域时，探头前沿距离过渡圆角R5内侧边15 mm，底波(转换横波的回波)位于显示屏水平刻度“7”附近，始波与底波之间的区域为缺陷监视区，尤其注意水平刻度“3.5”至“6”之间的区域。

(3) 当在图2中A<27 mm的区域时，为了使表面波能够完全入射至法兰盘内，探头前沿距离过渡圆角R5内侧边10 mm，底波(转换横波的回波)位于显示屏水平刻度“6”附近，水平刻度“2.5”至“5”之间的区域为缺陷重点监视区。

(4) 由于待检法兰盘表面有保护层，扫查时首先应该进行耦合补偿。调节仪器增益值，在探头和工件耦合良好的前提下，底波波高应达到饱和。

(5) 沿着法兰盘一周缓慢移动探头，探头始终指向轮轴根部圆角R5处，并作角度不大于10°的摆动，使底波基本处于最高波高状态，探头与法兰盘表面要保持耦合良好，注意观察显示屏上的缺陷监视区和底波波高的变化，以判定是否有缺陷，直至扫查一周结束。当缺陷监视区出现回波信号，同时底波波高降低时，应特别注意。

(6) 如果缺陷监视区出现回波信号，首先应将探头前的耦合剂擦拭干净，排除由此造成的干扰杂波。确认此回波是源自工件后，用手指触压法确定出反射源的位置，并观察该处是否有漆层脱落、刀痕、腐蚀坑或者其他凹坑等。若这些因素都排除后，回波仍然存在，应判定该处是否有裂纹，并通过磁粉检测方法验证复查，确定缺陷的性质和大小。当探头前沿距离过渡圆角R5内侧边10 mm时，应特别注意在水平刻度“3”附近有一波高约为40%(相对于满屏高度)的干扰波，此时可将探头适当前后移动少许，观察此回波幅度的变化，如果回波波高变化较大甚至消失，即为干扰波，若回波幅度较稳定，应进一步判定其是否为裂纹回波。

(7) 检测完毕后，将检测区域擦拭干净，对除漆部位及时进行局部补漆；发现缺陷回波信号时，还须及时做好记录。

4 磁轭法检测

4.1 检测影响因素

由于法兰盘检测部位形状不规则，使用磁轭法检测时两个磁极不容易放置，而且两磁极会与检测表面产生间隙。随着接触面间隙的增大，法兰盘表面磁场强度会产生损失，同时还会在接触部位产生相当强的漏磁场，漏磁场会吸附磁粉使得所在区域内的缺陷磁痕无法辨认而形成盲区。

另外，磁轭法为局部磁化方法，两极间的磁力线大体上平行于两极的连线，磁化区为一椭圆形，两极连线为短轴。磁化区内磁场强度的分布是不均匀的，在两极连线方向，两极附近磁场强，中心部位的弱；在垂直连线方向，连线附近的磁场强，远离连线处的弱。因此为了得到较理想的磁场，一是增大两磁极与法兰盘的接触面，二是检测区域尽量调整在两极连线的1/4和3/4处，远离两极端部并避开两级连线的中间部位，以避免盲区的影响以及磁痕堆积。

4.2 检测步骤

将两磁极放在被检法兰盘的表面，并施加一定压力使两磁极与被测件良好接触。按下按钮开关，开始磁化；松开开关，磁化结束。在打开磁轭开关的状态下，将磁粉施加于被测件表面，为保证检测灵敏度，采用黑色油基磁悬液。

因法兰盘检测部位为一圆形，磁轭法检测时应分段磁化，且区段间的有效部位须有一定重叠。

5 检测实例

在起落架周期性检测工作中，运用超声表面波对法兰盘进行检测，发现两例主起落架法兰盘R5圆角处裂纹，长度分别约为42,23 mm。其中一例波形显示如图4所示，可以看出，显示屏显示缺陷回波距离始波大约20 mm，由于显示屏水平扫描线与声程之比为2∶1，因此缺陷实际位置离探头前沿约10 mm，即位于R5过渡圆角起始处。采用磁轭法进行复检验证，证实了缺陷所处位置，磁痕形貌如图5所示，可见其磁痕浓密且两端尖锐，证明该缺陷为裂纹。综合分析裂纹的发展趋势，以及法兰盘受交变扭转剪切力的特点，判定该裂纹属疲劳裂纹。