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

摘 要：起落架收放控制系統(tǒng)試驗(yàn)是某型飛機(jī)全機(jī)疲勞試驗(yàn)的一部分，需要聲發(fā)射（AE）監(jiān)測(cè)的區(qū)域包括主起落架和前起落架的上位鎖和作動(dòng)筒接耳、主起落架下位鎖等關(guān)鍵部位。針對(duì)試驗(yàn)過程的強(qiáng)沖擊和噪聲干擾，利用聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的趨勢(shì)分析和相關(guān)分析方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并成功地監(jiān)測(cè)出作動(dòng)筒泄漏和鉸鏈磨損等故障。所用方法分析速度快、實(shí)時(shí)性好，可供后續(xù)疲勞試驗(yàn)過程中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)借鑒。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)；疲勞試驗(yàn)；疲勞裂紋；聲發(fā)射（AE）；趨勢(shì)分析
0 前言
某型飛機(jī)是空軍的第三代主戰(zhàn)飛機(jī)。該機(jī)全機(jī)疲勞試驗(yàn)及在試驗(yàn)過程中的無損檢測(cè)，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(kuò)展規(guī)律，可為此類飛機(jī)疲勞定壽、確定修理周期、其未來改進(jìn)型（B型）疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供重要依據(jù)，因此，該項(xiàng)試驗(yàn)、研究有特別重大意義。
起落架收放控制系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)是該機(jī)全機(jī)疲勞試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)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(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)。過去的起落架疲勞試驗(yàn)AE監(jiān)測(cè)都是單獨(dú)對(duì)起落架本身進(jìn)行，即起落架僅作為一個(gè)獨(dú)立部件，它并未安裝在飛機(jī)上[1]。而本文所述試驗(yàn)的起落架是安裝在飛機(jī)上，作為飛機(jī)的一個(gè)部件來進(jìn)行的，它能更真實(shí)、客觀地反映起落架的損傷過程，其AE監(jiān)測(cè)也具有更大的難度。起落架AE監(jiān)測(cè)特點(diǎn)是要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)目標(biāo)對(duì)象，而且目標(biāo)對(duì)象是運(yùn)動(dòng)的零部件，這給實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來很大困難。
1 監(jiān)測(cè)的原則和策略
在試驗(yàn)過程中需要利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的部位很多，信號(hào)采集和處理的工作量太大，因此，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化、確定關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位至關(guān)重要，這樣可以保證監(jiān)測(cè)工作的順利進(jìn)行。另一必須考慮的重要問題采用合適的信號(hào)處理方式。由于疲勞試驗(yàn)是連續(xù)進(jìn)行而且試驗(yàn)過程中噪聲干擾特別嚴(yán)重，試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)量很大，采用恰當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方式以便能利用AE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(shí)別疲勞裂紋和噪聲干擾信號(hào)，考慮到監(jiān)測(cè)工作的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理工作的時(shí)效性，僅在認(rèn)為十分有必要時(shí)才會(huì)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(cè)儀器系統(tǒng)和模擬加載系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的飛機(jī)起落架附屬零部件疲勞試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的加載系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)而言，如果某一個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)對(duì)象的信號(hào)發(fā)生明顯的變化，說明該目標(biāo)對(duì)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(dāng)該種情況發(fā)生時(shí)，再輔之以其它方法（例如，幅度分布、相關(guān)分析等）進(jìn)行分析和驗(yàn)證，并用其它的無損檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)來進(jìn)一步驗(yàn)證。
AE信號(hào)的處理和分析，涉及多種方法[2-5]。為適應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)對(duì)象多、信號(hào)數(shù)據(jù)量大和多采用諧振式傳感器（對(duì)源波形的畸變較大）等特點(diǎn)，選擇經(jīng)典的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)分析方法，該方法簡(jiǎn)單、直觀、分析速度快、實(shí)時(shí)性好、適宜于工程監(jiān)測(cè)。通過對(duì)特定參數(shù)（撞擊次數(shù)Hits）隨起落架收放次數(shù)的變化，進(jìn)行趨勢(shì)分析[2]，來判斷相關(guān)區(qū)域的狀態(tài)變化。趨勢(shì)分析技術(shù)能夠成功應(yīng)用的一個(gè)先決條件是所用的聲發(fā)射儀器應(yīng)當(dāng)具有低噪聲、高穩(wěn)定性、足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)范圍和很高的數(shù)據(jù)傳輸率。
2 監(jiān)測(cè)對(duì)象、儀器設(shè)置和傳感器安裝
共有11個(gè)目標(biāo)對(duì)象需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，它們是左、右主起落架和前起落架的上位鎖（3個(gè)），左右主起落架的下位鎖（2個(gè)），左、右主起落架和前起落架作動(dòng)筒兩端的接耳（與起落架的接耳3個(gè)，與機(jī)體的接耳3個(gè)），它們都是起落架收放試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)筒接耳
監(jiān)測(cè)儀器是經(jīng)升級(jí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的順利實(shí)施，必須把傳感器安裝、固定在靠近目標(biāo)對(duì)象的適當(dāng)位置。由于可操作空間有限（見圖1、2），且在疲勞試驗(yàn)過程中存在強(qiáng)烈的振動(dòng)，根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)，采用704硅橡膠作為耦合劑把傳感器粘結(jié)在目標(biāo)對(duì)象上，該耦合劑能提供十分良好的聲傳遞功能（即聲波衰減?。?，粘結(jié)能力強(qiáng)，在疲勞試驗(yàn)過程中不會(huì)導(dǎo)致傳感器跌落或者產(chǎn)生與粘結(jié)面的剝離，同時(shí)在需要時(shí)，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(diǎn)是要固定好前置放大器和連接信號(hào)線，以免與運(yùn)動(dòng)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(cè)。
3 結(jié)果和討論
共進(jìn)行了7500個(gè)循環(huán)的起落架收放試驗(yàn)（每個(gè)循環(huán)約為45s），每做500循環(huán)進(jìn)行一次常規(guī)無損監(jiān)測(cè)和檢修。前1000循環(huán)進(jìn)行試做和監(jiān)測(cè)儀器調(diào)整，實(shí)際監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)從1260循環(huán)開始?？紤]到下列因素：a、疲勞損傷有一個(gè)發(fā)展過程，損傷產(chǎn)生后一般不會(huì)在很少幾個(gè)循環(huán)內(nèi)突然消失；b、聲發(fā)射傳感器很敏感，目標(biāo)對(duì)象的狀態(tài)變化會(huì)引起采集信號(hào)的明顯變化；c、信號(hào)數(shù)據(jù)量雖然很大，但如果目標(biāo)對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，起落架每收放30-40循環(huán)采集10個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)，進(jìn)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(hào)具有很強(qiáng)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(shì)分析對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行初步判斷的根據(jù)。
數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析是這樣進(jìn)行的：每次采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先粗略地根據(jù)各目標(biāo)對(duì)象撞擊次數(shù)（AE hits）的相對(duì)量是否有較大的變化（各目標(biāo)對(duì)象的撞擊次數(shù)差別較大，但其相對(duì)的差別量相對(duì)穩(wěn)定），如果發(fā)生變化（見圖5、6），則判別目標(biāo)對(duì)象撞擊次數(shù)是否有較大的增加，相對(duì)增加量β（=△hits數(shù)/hits數(shù)）的值超過30%，就要利用其它方法進(jìn)行詳細(xì)的分析，否則就沒有進(jìn)一步分析的必要。

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

圖4 主起左作動(dòng)筒在10個(gè)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(jìn)行到4500循環(huán)后，目標(biāo)對(duì)象左主起落架作動(dòng)筒上安裝于接耳處圖2和活塞缸中部處（未示出）的兩個(gè)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(shì)圖（a、4500周期之前信號(hào)平穩(wěn)，3020周期信號(hào)有小突變，由作動(dòng)筒球型鉸鏈磨損引起；b、4500-5540周期信號(hào)劇烈變化，由作動(dòng)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(dòng)筒，證實(shí)密封圈已嚴(yán)重磨損（圖8）。換密封橡膠圈，重新安裝傳感器，信號(hào)恢復(fù)正常（低AE撞擊數(shù)），7250周期后信號(hào)劇烈變化，也是由作動(dòng)筒密封橡膠圈磨損和液壓油泄漏引起。由于接近試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)沒有停機(jī)，直到完成7500次試驗(yàn)任務(wù)。

圖7 左主起落架作動(dòng)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(dòng)筒位于隱蔽的位置，目測(cè)不到其泄漏，也能夠通過分析目標(biāo)對(duì)象的AE信號(hào)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(hào)為例進(jìn)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(cè)的正常信號(hào)如圖9所示：信號(hào)是平穩(wěn)的、規(guī)律性很強(qiáng)。如果監(jiān)測(cè)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(hào)較大的變化，而實(shí)際監(jiān)測(cè)到的故障信號(hào)見圖10，信號(hào)變的不平穩(wěn)、沒有規(guī)律，而且在起落架的下停位時(shí)（不應(yīng)該有信號(hào)），有大量的AE信號(hào)，而其它目標(biāo)對(duì)象的信號(hào)沒有變化?？梢耘袛喑鍪亲鲃?dòng)筒有泄漏，而不是產(chǎn)生了疲勞裂紋。

起落架收放試驗(yàn)進(jìn)行到3000次后，運(yùn)行過程中左主起作動(dòng)筒發(fā)出咯吱聲，是作動(dòng)筒與機(jī)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(yàn)，該位置的AE信號(hào)可以被安裝于作動(dòng)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(duì)增量剛超過30%，但通過AE信號(hào)的相關(guān)分析，可以看出信號(hào)的明顯變化。AE信號(hào)的相關(guān)分析是通過分析兩個(gè)特征參數(shù)之間的關(guān)系，獲得信號(hào)的特征，以評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)目標(biāo)對(duì)象的狀態(tài)。圖11和圖12分別是正常信號(hào)和故障信號(hào)的撞擊次數(shù)與幅度的相關(guān)分布，有故障時(shí)，幅度100dB的撞擊數(shù)由低于5猛增到65，且低幅度的信號(hào)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(cè)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(rùn)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(yàn)過程中，聲發(fā)射技術(shù)是對(duì)其附屬零部件疲勞損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)到了相對(duì)較弱的泄漏故障和干摩擦、磨損故障。
聲發(fā)射信號(hào)典型參數(shù)如撞擊數(shù)（hits）能夠提供關(guān)于目標(biāo)對(duì)象狀態(tài)的非常有價(jià)值的信息，聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的趨勢(shì)分析方法和相關(guān)分析方法，具有簡(jiǎn)單、直觀、分析速度快、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，避免發(fā)生突發(fā)性事故，對(duì)后續(xù)的全機(jī)疲勞試驗(yàn)有指導(dǎo)性意義。當(dāng)然，需要指出的是，上述分析的一個(gè)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(cè)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(jìn)行的研究說明，聲發(fā)射技術(shù)在工程疲勞損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。