(1.海军航空大学 青岛校区，青岛 266041;2.青岛持恒工程技术有限公司，青岛 266033)

为了控制飞机结构的可靠性、保证飞行安全、提高执行作战能力，某型直升机的维护规程及某型直升机的无损检测工艺对某型直升机的主桨毂轴颈螺纹变截面处提出了无损检测要求。笔者在对主桨毂轴颈螺纹变截面处损伤特征进行分析的基础上，提出了涡流检测方法，并设计制作了一种基于自比较的差动式涡流传感器，通过试验优化了传感器的设计参数，获得了一种有效检测主桨毂轴颈螺纹变截面处疲劳裂纹的涡流检测方法。

1 缺陷特征分析

某型舰载直升机主桨毂是全铰接式的金属桨毂，其轴颈是组成主桨毂轴向铰的关键件，主桨毂轴颈结构示意如图1所示，其主要功能是与主桨毂轴向铰轴套一起组成轴向铰组件，传递由旋翼桨叶产生的气动力，并允许桨叶在操纵系统的控制下实现对主桨叶的变距运动[1]。该结构承载较大，在轴颈螺纹变截面附近，特别是内数第二、三齿处易出现疲劳裂纹，且裂纹方向与螺纹方向一致，轴颈螺纹检测部位示意如图2所示。

图1 主桨毂轴颈结构示意

图2 轴颈螺纹检测部位示意

2 检测方法选择

在航空维修中，常用的无损检测方法有超声检测、磁粉检测、涡流检测、射线检测和渗透检测等[2]。对于表面疲劳裂纹，主要以磁粉、涡流、渗透检测方法为主。然而，磁粉检测需要利用缺陷处的漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示来判断工件表面及近表面有无缺陷，而螺纹的变截面处也会产生部分漏磁场，极易形成伪磁痕且造成误判，磁粉检测后的剩磁有可能会影响工件的使用；渗透检测对被测物表面要求较高，要对被测物表面进行预处理，且该方法仅限于针对表面开口的不连续性缺陷的检测，容易受到温度的影响，程序复杂，可重复性差，也不宜使用；涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测方法，该方法不需要对所检测物体进行表面预处理，不需要施加耦合剂，还可以实现非接触的快速检测，特别适合金属构件的表面和近表面缺陷的不连续性检测。因此，从检测可靠性和使用安全性考虑，选择涡流检测法最佳。

3 传感器设计特点

3.1 传感器的结构特点

在实际检测中，主桨毂轴颈螺纹结构特殊，其螺纹根部与传感器不能很好接触，导致检测线圈与被测工件之间存在间隙，这种间隙的变化会对检测线圈阻抗产生影响，即产生提离效应，其引起的线圈阻抗的变化往往大于裂纹对线圈阻抗的影响[3]。目前，使用的传感器采用绝对式线圈设计，存在截面变化的螺纹结构对这类检测线圈的干扰因素多，很难实现对缺陷，尤其是对沿扫查方向的缺陷的准确检测，因此需要根据主桨毂轴颈螺纹的螺距、材料以及缺陷的方位等条件设计专用涡流传感器。

为了避免检测面结构的微小变化以及探头晃动引起的干扰信号，传感器采用了自比较式差动传感器，其检测线圈的接线方式示意如图3所示。差动式线圈有利于抑制材料、形状的缓慢变化及环境带来的影响[4]。使用两个绕组对同一个试件的不同部位进行检测，当试件性能稳定且无缺陷时，两个绕组的电势差为零；当出现不连续性缺陷且两个绕组感应电势出现差异时，将给出一个差值电压信号。这种检测线圈类型可以抑制由于试件尺寸和电导率等引起的变化缓慢的信号，对提离间隙变化、工件传输时的抖动以及周围环境影响的敏感度较低，但对于突然出现的不连续性缺陷有明显的信号反应，检测效率高。

图3 自比较式差动检测线圈的接线方式示意

此外，根据主桨毂轴颈结构和缺陷的检测特点以及便于原位检测的需要，将传感器设计为放置式结构类型，并在检测线圈内部安装磁芯，增强检测区域的磁场强度，提高检测灵敏度。图4为该传感器结构外观，其鸭嘴式设计特别适合类似螺纹间隙这类狭小区域的表面缺陷检测。

图4 传感器结构外观

3.2 线圈参数的选择与优化

涡流传感器的设计参数包括线圈直径、线圈匝数、导线线径、线圈间距和检测频率等，这些参数决定了传感器的线性度、灵敏度和测量范围。

3.2.1 检测频率的选择

根据涡流环理论，放置式线圈检测试件的特征频率[5]为

(1)

式中：μ为磁导率；σ为电导率；rb为线圈的外半径。

其中，主桨毂轴颈材料为30CrNi4MoA，其电导率约为9.6 MS·m-1，相对磁导率约为8 000，故工作频率f1=(10～50)fg。

轴颈螺纹变截面处由于应力集中，在长期交变载荷的作用下，容易产生疲劳裂纹，传感器放在深1.0 mm、宽0.15 mm、长2 mm的人工裂纹上，仪器示值为满刻度的40%。由于[6]

(2)

式中：y为裂纹深度；f为检测频率。

确定工作频率f2，由f1、f2综合分析确定检测频率f。计算可得，检测频率f=1.2 MHz。

3.2.2 导线线径的选择

对于一定的激励频率，存在着一个最佳导线直径。只考虑趋肤效应时，线圈损耗随着导线直径d0的增加而减小。然而，当导线直径d0增加时，由邻近效应而产生的交流电阻也增大。导线交流电阻R和其直径的关系如图5所示。图5中，RF为给定频率下只考虑趋肤效应时导线的交流电阻，RG为邻近效应引起的电阻。当RF=RG时，导线交流电阻最小[4]。计算得出，激励线圈导线的最佳线径为0.08 mm。

图5 导线交流电阻和其直径的关系

3.2.3 线圈直径的确定

线圈直径的确定主要考虑以下几个因素：① 线圈的直径越大，敏感范围越大，线性范围就越大，线性范围一般为线圈外径的1/3～1/5；② 线圈的直径越大，灵敏度越低；③ 线圈厚度越薄，灵敏度越高；④ 线圈的直径越大，有效作用范围越大，线圈直径一般为磁芯直径的3倍。

根据以上分析因素，依据检测灵敏度要求和线性范围的要求，选取磁芯的直径为1 mm，即线圈内径为1 mm、外径约为1.08 mm。

3.2.4 线圈匝数的确定

航空维修时使用的涡流仪的阻抗取值范围为1 kΩ～2 kΩ，线圈的匝数如式(3)所示。

(3)

式中：L为电感；μs为磁芯有效磁导率；N为线圈匝数；l为线圈长度；D0为线圈平均直径。

经计算，激励线圈匝数范围为20～25，检测线圈匝数范围为35～40时最佳。

3.2.5 线圈间距的确定

该差动线圈主要采用两个相邻线圈同时对同一试件相邻部位进行检测，由于主桨毂轴颈结构特殊且在变截面附近易出现裂纹，所以两个线圈之间的间距对检测结果有很大的影响。间距大，变截面的影响大；间距小，两个线圈之间的磁场会出现相互干扰。因此，在两个线圈的磁场互不干扰的情况下，其间距以小为宜。线圈的外径R=1.08 mm，则单个线圈磁场的有效作用范围的直径为3.24 mm，半径为1.62 mm，两个线圈互不干扰的最小距离为3.24 mm。

4 试验验证

4.1 试验条件

(1)涡流检测仪

试验采用FET-1型涡流检测仪。该仪器的驱动频率为10 Hz～8 MHz，驱动输出电流峰值为100 mA，采样频率为50 Hz～10 kHz，具有数字高/低/带通滤波器，可以获得较高的信噪比和检测稳定性，其y轴扩展功能可降低结构变化导致的提离信号的影响，有利于非光滑平面的不连续性缺陷检测。

(2)参考试块

为了验证涡流检测方法对缺陷的检出能力，设计制作了主桨毂轴颈参考试块。为了保证检测效果，选用的参考试块材料与该主桨毂轴颈螺纹变截面处的材料相同，且经过检测无缺陷指示的部位。考虑到轴颈螺纹变截面处的疲劳裂纹通常呈线性，因此选择矩形槽形状的人工裂纹，人工裂纹的尺寸为1.0mm×0.15 mm×2 mm (深×宽×长)，主桨毂轴颈参考试块缺陷部位外观如图6所示。

图6 主桨毂轴颈参考试块缺陷部位外观

(3)检测参数设置

利用参考试块设置检测参数。为了更好地识别缺陷信号，在参数设置时，人工缺陷信号相位为64.6°，幅值为40%,检测频率为1.2 MHz，前置放大为12 dB，后置放大器增益为28 dB。

4.2 试验结果

图7为对主桨毂轴颈裂纹的检测结果，图7(a)为提离效应的阻抗平面图，提离信号为水平位置；图7(b)为无缺陷时螺纹变截面处的阻抗平面图，由于螺纹的截面变化，信号相位为-146°；图7(c)为人工缺陷的阻抗平面图，缺陷信号幅值为181.5，相位为64.6°；图7(d)为自然缺陷的阻抗平面图，缺陷信号幅值为63.1，相位为22.6°。后对其进行磁粉检测，验证了涡流检测结果。

图7 主桨毂轴颈裂纹检测阻抗平面图

5 结语

涡流检测法是检测某型舰载直升机主桨毂轴颈螺纹变截面附近裂纹的有效方法。经过理论分析和反复试验，设计制作的鸭嘴型自比较式差动传感器可以抑制被测工件结构变化带来的干扰，能够检测出螺纹变截面附近尺寸大于0.6 mm×0.15 mm×2 mm (深×宽×长)的不连续性缺陷，检测灵敏度高，满足了该型直升机主桨毂轴颈的裂纹损伤检测需要。