КОНТРОЛЬ ЛОПАСТЕЙ ВОЗДУШНОГО ВИНТА СРЕДСТВАМИ НИЗКОЧАСТОТНОЙ АКУСТИКИ
Контроль лопастей воздушного винта средствами низкочастотной акустики
Бакунов А.С. (ЗАО НИИИН МНПО «Спектр»)
Мурашов В.В. (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ)
Сысоев А.М. (ЗАО НИИИН МНПО «Спектр»)
Лопасти воздушного винта самолёта являются чрезвычайно ответственными деталями, от надёжности которых зависит жизнь людей и сохранность больших материальных ценностей. Наиболее актуальной проблемой повышения надёжности изделий авиационной техники является проблема повышения их качества как главного показателя оценки изделий ответственного назначения. Весьма эффективным средством повышения надёжности летательных аппаратов являются неразрушающие методы выявления нарушений сплошности материалов ответственных деталей [1].
При рассмотрении вопросов повышения надёжности композитных лопастей воздушного винта были выделены две проблемы, которые должны быть решены в первую очередь:
ñ выявление трещин во внутреннем пенопластовом элементе и зон отслаивания его от лонжерона и оболочки из полимерного композиционного материала (ПКМ);
ñ определение качества приклейки нагревательной накладки к композитной лопасти воздушного винта.
Типовыми дефектами пенопластовых деталей лопасти воздушного винта, выявление которых необходимо для обеспечения высокой надёжности лопасти, являются трещины во внутреннем пенопластовом элементе и зоны отслаивания его от лонжерона и оболочки из ПКМ.
Типовыми дефектами зоны соединений нагревательной накладки с композитной лопастью являются дефекты клеевого соединения, которые существенно ухудшают качество приклейки нагревательной накладки к композитной лопасти воздушного винта и, следовательно, понижают надёжность лопасти и всего изделия в целом.
Среди методов неразрушающего контроля деталей из ПКМ и многослойных клееных конструкций акустические методы по объёму применения занимают первое место. Эти методы основаны на взаимодействии упругих колебаний и волн широкого диапазона частот с контролируемой деталью или конструкцией. Акустический метод свободных колебаний (МСК) является эффективным средством неразрушающего контроля (НК) конструкций из пластиков и соединений в многослойных конструкциях из неметаллических материалов. Метод основан на возбуждении в контролируемой конструкции колебаний широкого диапазона частот и регистрации изменений спектров принятых сигналов в дефектных зонах по сравнению со спектрами, наблюдаемыми на доброкачественных участках. Для возбуждения колебаний чаще всего используют периодические удары по поверхности конструкции, иногда «белый» шум [2].
МСК является одним из старейших способов неразрушающего контроля. Простейший его вариант — простукивание — широко используется для контроля посуды, колёсных пар железнодорожного подвижного состава, обнаружения пустот, дефектов клеевых соединений и т. п. Недостаток простукивания — субъективность, связанная с оценкой результатов контроля на слух. В настоящее время метод усовершенствован в направлении замены субъективного индикатора (человеческого уха) объективным индикатором (прибором) [3].
Наибольшее применение получил механический (электромеханический) способ ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемой конструкции, в качестве возбудителя в котором используют, например, устройства, подвижные системы которых приводятся в движение электромагнитными механизмами. В таких вибраторах подвижная система соприкасается с контролируемой конструкцией в течение коротких промежутков времени, малых по сравнению с периодом следования импульсов. Ход подвижных систем относительно велик (более 1,5 мм). Спектр возбуждаемых импульсов существенно зависит от упругих свойств и других параметров контролируемой конструкции.
Для приёма упругих колебаний в дефектоскопах, позволяющих реализовать МСК, используют пьезоэлектрические приёмники или микрофоны. Пьезоприёмники контактируют с контролируемой конструкцией и воспринимают колебания непосредственно от конструкции. Недостатками пьезоприёмников являются подверженность фрикционным шумам, возникающим при перемещении по шероховатой поверхности объекта контроля (ОК), и неравномерность амплитудно-частотной характеристики. В преобразователях с микрофонными приёмниками упругих колебания конструкции передаются к микрофону через воздух. Преимуществом микрофона перед пьезоприёмником является отсутствие непосредственного контакта и меньшая чувствительность к фрикционным шумам, недостатком — чувствительность к внешним акустическим шумам. Влияние последних в значительной степени ослабляется корпусом преобразователя.
Принятые акустические сигналы преобразуются приёмником в электрические сигналы, обработка которых осуществляется в электронном блоке дефектоскопа. Так как информативным параметром метода является изменение спектра принятых сигналов, то цель обработки информации состоит в обнаружении и выделении этого изменения [3].
Преимуществом МСК перед другими низкочастотными акустическими методами неразрушающего контроля (импедансным, велосометрическим, акустико-топографическим и т. п.) являются:
ñ возможность обнаружения дефекта на больших глубинах;
ñ возможность контроля конструкций из материалов с малыми модулями упругости;
ñ возможность контроля конструкций из материалов с высокими коэффициентами затухания упругих колебаний (например, пенопласт, резина).
Последнее из перечисленных достоинств МСК является особенно важным ввиду того, что заполнителем в лопасти является пенопласт, а нагревательная накладка содержит элемент из резины [1].
Для реализации МСК может быть использован разработанный с учётом проблемы контроля лопастей из ПКМ и выпускающийся в России по заказам предприятий акустический спектральный дефектоскоп АД-64М (Рис. 1).
Рис. 1 Акустический дефектоскоп АД-64М.
Дефектоскоп предназначен для обнаружения дефектов в многослойных конструкциях, содержащих элементы из материалов с высоким коэффициентом затухания упругих колебаний (пенопласт, резина и т. п.), методом свободных колебаний. При настройке на бездефектном участке запоминаются максимальные значения амплитуд каждой гармоники в спектре принятого сигнала. Порог для каждой гармоники устанавливается как произведение максимума на коэффициент, лежащий в диапазоне от 1,00 до 2,00. Во время контроля превышение амплитуды какой-либо гармоники над порогом сигнализирует о наличии дефекта.
Настройка дефектоскопа для обнаружения дефектов типа нарушение сплошности пенопласта зависит от толщины улглепластика, под которым находится выявляемый дефект. В первом приближении контролируемую лопасть можно разбить на две зоны контроля: зону лонжерона, то есть на зону толстого углепластика (от 8 до 12 мм) и зону оболочки, то есть на зону тонкого углепластика (2,5 мм). Соответственно для выявления дефектов в зоне лонжерона и в зоне оболочки установлены разные программы настройки дефектоскопа, отличающиеся в основном порогом и спектрами принятых сигналов в доброкачественных зонах образцов. В зонах толстого углепластика выявляются дефекты шириной 25 — 30 мм на глубине 13 — 47 мм. В зоне тонкого углепластика выявляются дефекты шириной 10 — 30 мм на глубине 5 — 30 мм. Чувствительность контроля качества приклейки нагревательной накладки к телу лопасти составляет 10 мм (дальше от зоны скругления лопасти) и 15 мм (ближе к зоне скругления лопасти). Погрешность выявления границ дефектов составляет ±1,5 мм.
С целью повышения чувствительности контроля можно увеличить количество настроечных зон на стандартном образце (СО). Например, можно выделить зону с поверхностью, близкой к плоскости и зону с выпуклой поверхностью с высокой степенью криволинейности. Это обусловлено тем, что механический импеданс конструкции в зоне плоской и криволинейной поверхности будет отличаться, что может оказать некоторое влияние на выявляемость дефектов и, соответственно, на чувствительность контроля.
Процедура контроля состоит в плавном перемещении преобразователя по поверхности изделия и наблюдении за сигнальным светодиодом, находящимся на корпусе преобразователя. Очевидно, что сканирование лопасти в зонах контроля необходимо проводить поочерёдно с обеих сторон. Для настройки прибора и периодической проверки его работоспособности необходимо применять СО с искусственными дефектами, имитирующими трещины во внутреннем пенопластовом элементе и зоны отслаивания его от лонжерона и оболочки из ПКМ.
Для обеспечения удобства, при разметке лопастей на зоны контроля целесообразно иметь специальные шаблоны, изготовленные в соответствии с конструкторской документацией на лопасть, что позволит разбить контролируемые лопасти на зоны с близкими значениями толщины элементов из углепластика. Такие шаблоны должны быть изготовлены из плёночного материала практически не растягивающегося при наложении на объект контроля и имеющего специальные прорези для отметки зон контроля на поверхности лопасти. Для обеспечения скольжения преобразователя акустического дефектоскопа рекомендуется применять тонкую (от 0,02 до 0,04 мм) фторопластовую или полиамидную плёнку. Размеры плёнки в плане должны обеспечивать закрытие нагревательной накладки лопасти, что позволит проводить полный контроль качества соединения накладки с телом лопасти путём сканирования поверхности нагревательной накладки при плавном перемещении преобразователя по плёнке. Для фиксации полиамидной плёнки на лопасти возможно применение ленты с подклеивающим слоем типа «скотч».
Технико-экономическая эффективность применения МСК вытекает из повышения качества и, соответственно, надёжности изготовления лопастей воздушного винта из полимерных композиционных материалов благодаря контролю материалов и неразъёмных соединений деталей лопастей с использованием неразрушающего контроля.
Литература
1. Ланге Ю.В. «Акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных конструкций» М.: Машиностроение, 1991. - 272 с.
2. Мужицкий В.Ф., Лихопой А.А., Сысоев А.М. Контроль многослойных конструкций низкочастотным акустическим дефектоскопом АД-42ИП. - В кн.: XVII Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика». Тезисы докл. - Екатеринбурк, 5 — 11 сентября 2005 г., ТС 2-2, с.125.
3. Лихопой А.А. Сысоев А.М. Приборы для контроля акустическими низкочастотными методами. - В кн.: Молодежная научно-техническая конференция «Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы 2003». Сборник научных трудов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 16 — 17 апреля 2003 г., с. 215 — 218.
