某型飛機疲勞試驗過程中的聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究--起落架收放控制試驗過程中的聲發(fā)射監(jiān)測

摘 要：起落架收放控制系統(tǒng)試驗是某型飛機全機疲勞試驗的一部分，需要聲發(fā)射（AE）監(jiān)測的區(qū)域包括主起落架和前起落架的上位鎖和作動筒接耳、主起落架下位鎖等關(guān)鍵部位。針對試驗過程的強沖擊和噪聲干擾，利用聲發(fā)射信號參數(shù)的趨勢分析和相關(guān)分析方法，實現(xiàn)了對于多目標、動態(tài)對象的實時監(jiān)測并成功地監(jiān)測出作動筒泄漏和鉸鏈磨損等故障。所用方法分析速度快、實時性好，可供后續(xù)疲勞試驗過程中聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)借鑒。
關(guān)鍵詞：飛機；疲勞試驗；疲勞裂紋；聲發(fā)射（AE）；趨勢分析
0 前言
某型飛機是空軍的第三代主戰(zhàn)飛機。該機全機疲勞試驗及在試驗過程中的無損檢測，其主要目的旨在掌握關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件（特別是一些不可接近的結(jié)構(gòu)件）的疲勞損傷和疲勞裂紋擴展規(guī)律，可為此類飛機疲勞定壽、確定修理周期、其未來改進型（B型）疲勞細節(jié)設(shè)計改進提供重要依據(jù)，因此，該項試驗、研究有特別重大意義。
起落架收放控制系統(tǒng)疲勞試驗是該機全機疲勞試驗的一部分，主要目的是為了確定在收放過程中起落架附屬零部件（例如主起落架上位鎖、下位鎖和作動筒支座和接耳等）的疲勞壽命和疲勞損傷狀況。為保證在試驗過程中不發(fā)生起落架附屬零部件的突然失效，以獲得有用的疲勞損傷數(shù)據(jù)，利用AE技術(shù)對試驗過程進行實時跟蹤監(jiān)測。過去的起落架疲勞試驗AE監(jiān)測都是單獨對起落架本身進行，即起落架僅作為一個獨立部件，它并未安裝在飛機上[1]。而本文所述試驗的起落架是安裝在飛機上，作為飛機的一個部件來進行的，它能更真實、客觀地反映起落架的損傷過程，其AE監(jiān)測也具有更大的難度。起落架AE監(jiān)測特點是要同時監(jiān)測多個目標對象，而且目標對象是運動的零部件，這給實時監(jiān)測帶來很大困難。
1 監(jiān)測的原則和策略
在試驗過程中需要利用聲發(fā)射監(jiān)測的部位很多，信號采集和處理的工作量太大，因此，對監(jiān)測點進行優(yōu)化、確定關(guān)鍵監(jiān)測部位至關(guān)重要，這樣可以保證監(jiān)測工作的順利進行。另一必須考慮的重要問題采用合適的信號處理方式。由于疲勞試驗是連續(xù)進行而且試驗過程中噪聲干擾特別嚴重，試驗中的數(shù)據(jù)量很大，采用恰當?shù)男盘柼幚矸绞揭员隳芾肁E技術(shù)獲取同疲勞損傷、疲勞裂紋有關(guān)的信息就顯得特別重要。雖然在一定的條件下，波形分析（包括模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)）能有效識別疲勞裂紋和噪聲干擾信號，考慮到監(jiān)測工作的實時性和數(shù)據(jù)處理工作的時效性，僅在認為十分有必要時才會在局部范圍采用這種方法。
判斷是否有損傷發(fā)生是基于如下原則：由監(jiān)測儀器系統(tǒng)和模擬加載系統(tǒng)構(gòu)成一個完整的飛機起落架附屬零部件疲勞試驗監(jiān)測系統(tǒng)，針對穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的加載系統(tǒng)和監(jiān)測儀器系統(tǒng)而言，如果某一個監(jiān)測目標對象的信號發(fā)生明顯的變化，說明該目標對象所在的一定區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定環(huán)境可能發(fā)生變化，也就是說可能發(fā)生了損傷。當該種情況發(fā)生時，再輔之以其它方法（例如，幅度分布、相關(guān)分析等）進行分析和驗證，并用其它的無損檢測方法進行詳細檢測來進一步驗證。
AE信號的處理和分析，涉及多種方法[2-5]。為適應(yīng)實時監(jiān)測、目標對象多、信號數(shù)據(jù)量大和多采用諧振式傳感器（對源波形的畸變較大）等特點，選擇經(jīng)典的聲發(fā)射信號特征參數(shù)分析方法，該方法簡單、直觀、分析速度快、實時性好、適宜于工程監(jiān)測。通過對特定參數(shù)（撞擊次數(shù)Hits）隨起落架收放次數(shù)的變化，進行趨勢分析[2]，來判斷相關(guān)區(qū)域的狀態(tài)變化。趨勢分析技術(shù)能夠成功應(yīng)用的一個先決條件是所用的聲發(fā)射儀器應(yīng)當具有低噪聲、高穩(wěn)定性、足夠?qū)挼膭討B(tài)范圍和很高的數(shù)據(jù)傳輸率。
2 監(jiān)測對象、儀器設(shè)置和傳感器安裝
共有11個目標對象需要進行實時監(jiān)測，它們是左、右主起落架和前起落架的上位鎖（3個），左右主起落架的下位鎖（2個），左、右主起落架和前起落架作動筒兩端的接耳（與起落架的接耳3個，與機體的接耳3個），它們都是起落架收放試驗中需要關(guān)注的關(guān)鍵部位。圖1和圖2分別是右主起落架的上位鎖和左主起落架作動筒與起落架的接耳。

圖1 右主起落架上位鎖 圖2 左主起落架作動筒接耳
監(jiān)測儀器是經(jīng)升級的PAC公司全數(shù)字式聲發(fā)射系統(tǒng)MISTRAS 2001，后又換用PAC公司的全數(shù)字式20通道DiSP聲發(fā)射系統(tǒng)，傳感器是諧振式R15型，配以增益為40dB的1801A型前置放大器，1MHz采樣率，門檻值設(shè)為40dB。
為保證實時監(jiān)測的順利實施，必須把傳感器安裝、固定在靠近目標對象的適當位置。由于可操作空間有限（見圖1、2），且在疲勞試驗過程中存在強烈的振動，根據(jù)以前的經(jīng)驗，采用704硅橡膠作為耦合劑把傳感器粘結(jié)在目標對象上，該耦合劑能提供十分良好的聲傳遞功能（即聲波衰減小），粘結(jié)能力強，在疲勞試驗過程中不會導(dǎo)致傳感器跌落或者產(chǎn)生與粘結(jié)面的剝離，同時在需要時，可以較方便地取走傳感器且又不至于破壞它。需要注意之點是要固定好前置放大器和連接信號線，以免與運動過程中的零部件發(fā)生干擾，引起不必要的損壞并影響正常監(jiān)測。
3 結(jié)果和討論
共進行了7500個循環(huán)的起落架收放試驗（每個循環(huán)約為45s），每做500循環(huán)進行一次常規(guī)無損監(jiān)測和檢修。前1000循環(huán)進行試做和監(jiān)測儀器調(diào)整，實際監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)從1260循環(huán)開始。考慮到下列因素：a、疲勞損傷有一個發(fā)展過程，損傷產(chǎn)生后一般不會在很少幾個循環(huán)內(nèi)突然消失；b、聲發(fā)射傳感器很敏感，目標對象的狀態(tài)變化會引起采集信號的明顯變化；c、信號數(shù)據(jù)量雖然很大，但如果目標對象的局部區(qū)域沒有狀態(tài)的突然變化，采集、處理的都是重復(fù)性的數(shù)據(jù)，沒有必要全部采集和處理。因此在實時監(jiān)測時，起落架每收放30-40循環(huán)采集10個循環(huán)的數(shù)據(jù)，進行處理和分析。圖3和4說明在正常狀態(tài)下，接收到的聲發(fā)射信號具有很強的規(guī)律性，其變化幅度在合理的范圍之內(nèi)，這也正是能利用趨勢分析對系統(tǒng)狀態(tài)進行初步判斷的根據(jù)。
數(shù)據(jù)的趨勢分析是這樣進行的：每次采集數(shù)據(jù)時，首先粗略地根據(jù)各目標對象撞擊次數(shù)（AE hits）的相對量是否有較大的變化（各目標對象的撞擊次數(shù)差別較大，但其相對的差別量相對穩(wěn)定），如果發(fā)生變化（見圖5、6），則判別目標對象撞擊次數(shù)是否有較大的增加，相對增加量β（=△hits數(shù)/hits數(shù)）的值超過30%，就要利用其它方法進行詳細的分析，否則就沒有進一步分析的必要。

X軸：時間/s Y軸：hit數(shù)
圖3 主起右上位鎖在起落架收放一個周期（45s）的聲發(fā)射撞擊數(shù)與時間的關(guān)系圖

圖4 主起左作動筒在10個加載循環(huán)內(nèi)（1257-1266）的AE撞擊數(shù)變化情況x:t/s; y:AE 撞擊數(shù)

起落架收放進行到4500循環(huán)后，目標對象左主起落架作動筒上安裝于接耳處圖2和活塞缸中部處（未示出）的兩個傳感器的撞擊次數(shù)開始明顯增大，圖7示出活塞缸中部處傳感器的撞擊次數(shù)趨勢圖（a、4500周期之前信號平穩(wěn)，3020周期信號有小突變，由作動筒球型鉸鏈磨損引起；b、4500-5540周期信號劇烈變化，由作動筒密封橡膠圈磨損和液壓油泄漏引起；c、在5540周期分解作動筒，證實密封圈已嚴重磨損（圖8）。換密封橡膠圈，重新安裝傳感器，信號恢復(fù)正常（低AE撞擊數(shù)），7250周期后信號劇烈變化，也是由作動筒密封橡膠圈磨損和液壓油泄漏引起。由于接近試驗結(jié)束，此時沒有停機，直到完成7500次試驗任務(wù)。

圖7 左主起落架作動筒撞擊數(shù)與收放循環(huán)數(shù)的關(guān)系曲線
以上結(jié)果說明，雖然作動筒位于隱蔽的位置，目測不到其泄漏，也能夠通過分析目標對象的AE信號變化，做出正確的判斷。再以左主起落架接耳處（見圖2）的信號為例進行分析。起落架收放過程是這樣的：收起到上位鎖7秒→上停8秒→放下到下位鎖5秒→下停25秒。監(jiān)測的正常信號如圖9所示：信號是平穩(wěn)的、規(guī)律性很強。如果監(jiān)測區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋，應(yīng)該在其克服外加載荷的收起過程引起AE信號較大的變化，而實際監(jiān)測到的故障信號見圖10，信號變的不平穩(wěn)、沒有規(guī)律，而且在起落架的下停位時（不應(yīng)該有信號），有大量的AE信號，而其它目標對象的信號沒有變化。可以判斷出是作動筒有泄漏，而不是產(chǎn)生了疲勞裂紋。

起落架收放試驗進行到3000次后，運行過程中左主起作動筒發(fā)出咯吱聲，是作動筒與機身連接的球型鉸鏈發(fā)生了干摩擦，產(chǎn)生一定量的磨損。在安裝完傳感器后，已經(jīng)做過斷鉛試驗，該位置的AE信號可以被安裝于作動筒中部的傳感器接受。雖然其撞擊次數(shù)增加的不是很多，由平均14次增加到19次，其相對增量剛超過30%，但通過AE信號的相關(guān)分析，可以看出信號的明顯變化。AE信號的相關(guān)分析是通過分析兩個特征參數(shù)之間的關(guān)系，獲得信號的特征，以評價監(jiān)測目標對象的狀態(tài)。圖11和圖12分別是正常信號和故障信號的撞擊次數(shù)與幅度的相關(guān)分布，有故障時，幅度100dB的撞擊數(shù)由低于5猛增到65，且低幅度的信號也有增加。因此，即使沒有聽到摩擦磨損產(chǎn)生的聲音，也可以監(jiān)測到該故障。經(jīng)分解球型鉸鏈，發(fā)現(xiàn)有明顯的磨損損傷。后經(jīng)潤滑處理，該故障現(xiàn)象消失。
5 結(jié)論
在起落架收放控制試驗過程中，聲發(fā)射技術(shù)是對其附屬零部件疲勞損傷進行實時監(jiān)測的一種行之有效的方法。雖然沒有疲勞裂紋產(chǎn)生，但監(jiān)測到了相對較弱的泄漏故障和干摩擦、磨損故障。
聲發(fā)射信號典型參數(shù)如撞擊數(shù)（hits）能夠提供關(guān)于目標對象狀態(tài)的非常有價值的信息，聲發(fā)射信號參數(shù)的趨勢分析方法和相關(guān)分析方法，具有簡單、直觀、分析速度快、實時性好的特點，實現(xiàn)了對于多目標、動態(tài)對象的實時監(jiān)測，可以保證試驗的順利進行，避免發(fā)生突發(fā)性事故，對后續(xù)的全機疲勞試驗有指導(dǎo)性意義。當然，需要指出的是，上述分析的一個重要前提是，性能穩(wěn)定、可靠、本底噪聲極低的全數(shù)字式聲發(fā)射檢測儀是保證結(jié)果可靠的必不可少的物質(zhì)保證條件。
作者進行的研究說明，聲發(fā)射技術(shù)在工程疲勞損傷的實時監(jiān)測方面具有良好的應(yīng)用前景。