曾 權(quán)，王悅民，李夢(mèng)杰

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

航空母艦作為艦載機(jī)的海上活動(dòng)平臺(tái)，必須具有使艦載機(jī)起飛與降落的能力[1-3]。目前，國內(nèi)外大多采用液壓式阻攔系統(tǒng)將艦載機(jī)阻攔著艦[4]，艦載機(jī)高速降落與系統(tǒng)中阻攔索直接接觸傳遞能量，通過阻攔系統(tǒng)吸收艦載機(jī)傳遞的高速動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)攔停。艦載機(jī)與阻攔索直接接觸使得阻攔索成為易受損的部位。阻攔索的健康狀態(tài)直接影響整個(gè)阻攔系統(tǒng)正常工作和艦載機(jī)安全著艦。因此，對(duì)阻攔索進(jìn)行無損檢測(cè)，并評(píng)價(jià)其健康狀態(tài)，對(duì)保證整個(gè)航母阻攔系統(tǒng)正常工作和艦載機(jī)安全降落至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外針對(duì)阻攔索檢測(cè)的相關(guān)研究可以公開查閱的資料較少；其中，鄧文力[5]基于無損檢測(cè)中漏磁檢測(cè)技術(shù)，設(shè)置環(huán)狀陣列傳感器，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，制作缺陷對(duì)航母阻攔系統(tǒng)中阻攔索進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并取得較好效果，但其并未對(duì)缺陷的定位進(jìn)行深入研究，更未對(duì)周向缺陷進(jìn)行研究。

雖針對(duì)航母阻攔系統(tǒng)中阻攔索的檢測(cè)較少，但阻攔索也是一根鋼絲繩，因此可借助工業(yè)上檢測(cè)鋼絲繩的方法對(duì)阻攔索進(jìn)行檢測(cè)。康宜華等[6]依據(jù)斷絲漏磁檢測(cè)原理，推導(dǎo)出采用霍爾元件周向陣列布置實(shí)現(xiàn)無漏檢時(shí)元件的布置方法和最佳元件數(shù)計(jì)算式；Jomdecha等[7]采用獨(dú)特的串聯(lián)式線圈傳感器，較好檢測(cè)出缺陷在徑向、軸向及切向的漏磁場(chǎng)；王彬彬等[8]利用小波分析對(duì)鋼絲繩斷絲信號(hào)進(jìn)行消噪和平滑處理，能夠提高斷絲識(shí)別準(zhǔn)確率；賈社民等[9]提出了采用當(dāng)時(shí)最新智能探傷儀實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步檢測(cè)，但對(duì)缺陷定位仍需將索道停下；Zhang等[10-11]利用軸向延伸、周向展開的方法將霍爾元件陣列傳感器獲得的二維漏磁圖像構(gòu)成三維漏磁圖像，對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，采用交叉梯度算子方法提高漏磁圖像中缺陷的對(duì)比度，進(jìn)而給出了一種基于局部二值模式的缺陷定位算法。

以上均是基于漏磁檢測(cè)原理對(duì)鋼絲繩進(jìn)行的研究。對(duì)于航母阻攔系統(tǒng)中阻攔索的研究尚淺且較少，本文同樣基于漏磁檢測(cè)原理，搭建檢測(cè)平臺(tái)，制作多種缺陷，對(duì)阻攔索軸向及周向缺陷的識(shí)別和定位進(jìn)行研究。

1 檢測(cè)原理

航母阻攔系統(tǒng)中阻攔索由高強(qiáng)度、高韌性鋼絲制造，加工工藝復(fù)雜，捻制方式和結(jié)構(gòu)與普通礦用、民用的鋼絲繩有較大區(qū)別。工業(yè)上鋼絲繩檢測(cè)方法有很多，其中應(yīng)用其鐵磁性質(zhì)進(jìn)行電磁檢測(cè)較廣泛，原理是通過外加磁場(chǎng)將鋼絲繩均勻磁化，如果存在缺陷，其表面或內(nèi)部磁特性會(huì)發(fā)生變化，利用磁敏元件去捕捉這些信號(hào)，進(jìn)一步分析即可確定是否存在缺陷。

航母阻攔系統(tǒng)中阻攔索工作環(huán)境特殊，在承受巨大的沖擊力后，多個(gè)部位彎折角度大，極易在彎折處形成斷絲和磨損等局部損傷，稱為局部損失型缺陷（LF型）。電磁檢測(cè)法通過將磁敏元件貼近鋼絲繩表面，獲取缺陷處的漏磁信號(hào)，如圖1所示。

圖1 典型LF型檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于鋼絲繩缺陷軸向定位，采用較多的是在檢測(cè)探頭上安裝導(dǎo)向輪，同時(shí)設(shè)置編碼器對(duì)探頭的行程進(jìn)行記錄。導(dǎo)向輪沿阻攔索軸向做純滾動(dòng)并帶動(dòng)編碼器運(yùn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，編碼器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，然后對(duì)磁敏元件測(cè)取的信號(hào)進(jìn)行等空間采樣，只需測(cè)量時(shí)設(shè)置起點(diǎn)，結(jié)合儀器實(shí)際測(cè)量的信號(hào)圖即可對(duì)缺陷進(jìn)行軸向定位。對(duì)于缺陷的周向定位，假設(shè)斷絲漏磁場(chǎng)相當(dāng)于點(diǎn)磁荷磁偶極子產(chǎn)生的疊加場(chǎng)，當(dāng)檢測(cè)距離增加時(shí)，信號(hào)峰值存在衰減的距離效應(yīng)。分析表明漏磁場(chǎng)信號(hào)峰值理論上按檢測(cè)距離的四次方衰減[12]。由于距離效應(yīng)的存在，這樣等量斷絲位于鋼絲繩橫截面上不同位置（除繩中心外）時(shí)，圓周方向上所檢測(cè)的信號(hào)峰值是不同的，根據(jù)這一原理便可實(shí)現(xiàn)缺陷周向定位。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)及檢測(cè)設(shè)備

搭建檢測(cè)平臺(tái)便于對(duì)阻攔索進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示，將阻攔索放置到臺(tái)架上，阻攔索兩端使用錨具夾住，然后使用液壓裝置將阻攔索拉直并固定。使用圖中所示的便攜式檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀器由檢測(cè)探頭和數(shù)據(jù)采集處理及顯示屏等外設(shè)3部分組成。探頭負(fù)責(zé)獲取信號(hào)，然后將信號(hào)傳輸?shù)讲杉幚砟K進(jìn)行處理和分析，最后通過顯示屏顯示波形圖。傳感器采用固定永磁體磁化，可使整個(gè)儀器安裝更加靈活、方便。為保證周向定位精度及不出現(xiàn)漏檢，結(jié)合考慮阻攔索直徑，將12路磁敏元件均勻布置在整個(gè)圓周上。

圖2 阻攔索檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)流程

典型帶位移編碼器LF型缺陷檢測(cè)系統(tǒng)流程如圖3所示，首先通過勵(lì)磁源對(duì)阻攔索進(jìn)行磁化，缺陷位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部漏磁場(chǎng)，再通過貼近阻攔索的磁敏元件采集漏磁場(chǎng)信號(hào)得到電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過軟件處理得到簡(jiǎn)單易識(shí)別的缺陷波形圖。

圖3 LF型缺陷檢測(cè)系統(tǒng)流程

2.3 缺陷制作

參照斷絲缺陷制作標(biāo)準(zhǔn)[13]配置阻攔索斷絲缺陷，在圖2所示臺(tái)架上進(jìn)行阻攔索試驗(yàn)研究，選取中間一段阻攔索制作缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，該段長4.2 m，如圖4所示。軸向上都設(shè)置在距離通道3最近的區(qū)域上，距離所選起點(diǎn) 1.52，2.28，3.04，3.8 m處分別制作單根斷絲缺陷，缺口大小分別為1.5，3.0，6.0，12.0 mm，距離所選起點(diǎn)0.76 m處制作一寬3 mm磨損缺陷。周向上設(shè)置在距離起點(diǎn)1.52 m處通道3和通道12檢測(cè)區(qū)域上兩處1.5 mm單根斷絲缺陷和通道6檢測(cè)區(qū)域上一處寬4 mm深1 mm的磨損缺陷，如圖5所示。

圖4 軸向缺陷位置示意圖

3 檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 軸向檢測(cè)

檢測(cè)時(shí)，先將儀器安裝在阻攔索上，然后打開儀器開關(guān)，運(yùn)行相應(yīng)的軟件。按照從圖4所示起點(diǎn)位置沿軸向均勻移動(dòng)檢測(cè)探頭，直至終點(diǎn)處，由于設(shè)置了編碼器，可選用等空間采樣，即以位移為橫坐標(biāo)的信號(hào)幅值圖，如圖6所示。

圖6 軸向位移幅值信號(hào)圖

從檢測(cè)信號(hào)圖顯示，檢測(cè)位移不到3.5 m，而實(shí)際距離為4.2 m，其原因是編碼器記錄不準(zhǔn)確，由于探頭導(dǎo)向輪在滾動(dòng)過程中存在打滑，引起脈沖間空間間距不均和位置記錄偏差；同時(shí)儀器中信號(hào)采集系統(tǒng)最高時(shí)間域采樣頻率受其處理能力的限制，導(dǎo)致采樣過程中，瞬時(shí)速度過高，采樣信號(hào)發(fā)生重疊。因此，對(duì)于導(dǎo)向輪打滑，在操作時(shí)盡量保證導(dǎo)向輪與阻攔索緊密貼合；并且由于不能完全避免導(dǎo)向輪打滑，需通過在阻攔索上進(jìn)行大量試驗(yàn)得出修正系數(shù)。對(duì)檢測(cè)速度的控制，進(jìn)行多次檢測(cè)試驗(yàn)尋找合適的速度，檢測(cè)時(shí)盡量保持合適且均勻的速度移動(dòng)探頭。按照上述要求操作并增加修正系數(shù)再次進(jìn)行檢測(cè)得到如圖7所示信號(hào)圖。

圖7 修正后軸向位移幅值信號(hào)圖

由圖可知，一共檢測(cè)出5個(gè)缺陷，缺陷信噪比好，磨損缺陷幅值明顯比斷絲缺陷幅值小，相對(duì)而言更難檢測(cè)出。讀出各缺陷的位置坐標(biāo)，分別為0.778，1.57 ，2.1 ，3.0 ，3.58 m, 誤差分別為 0.018 ，0.05 ，0.18 ，0.04 ，0.22 m。

3.2 周向檢測(cè)

3.2.1 單缺陷試驗(yàn)及結(jié)果分析

首先進(jìn)行周向單缺陷檢測(cè)，制作單根斷絲，斷口寬度為1.5 mm，調(diào)整傳感器探頭，使檢測(cè)通道與阻攔索周向缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8（a）所示。打開儀器開關(guān)，運(yùn)行軟件，保持不轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)探頭，得到檢測(cè)信號(hào)圖，發(fā)現(xiàn)只有2～4通道中檢測(cè)到缺陷信號(hào)，其他通道顯示均只有噪聲信號(hào)。如圖9所示，其相應(yīng)的缺陷幅值為 2 670，3 656 ，2 854 mV，從圖中可以看出，該缺陷可由通道2、3、4同時(shí)檢測(cè)出，并不是單一通道作出響應(yīng)，并且通道3檢測(cè)到的缺陷幅值最高，通道2、4檢測(cè)到的缺陷幅值相當(dāng)。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器探頭，使檢測(cè)通道與阻攔索上缺陷的對(duì)應(yīng)位置如圖8（b）中所示，然后移動(dòng)探頭進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，也只有通道2、3、4檢測(cè)出缺陷信號(hào)，如圖10所示，幅值大小分別為 3 100 ，3 506，2 534 mV，通道3檢測(cè)的缺陷幅值最高，通道2次之，通道4的缺陷信號(hào)將要被噪聲掩蓋。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器探頭，使檢測(cè)通道與阻攔索上缺陷的對(duì)應(yīng)位置如圖8（c）所示，移動(dòng)探頭進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)只有通道3、4檢測(cè)出該缺陷，信號(hào)如圖11所示，幅值大小分別為3 743，3 650 mV。

圖8 缺陷與通道對(duì)應(yīng)圖

圖9 1#位置時(shí)間幅值信號(hào)圖

圖10 2#位置時(shí)間幅值信號(hào)圖

在比較磁敏元件所測(cè)得的缺陷幅值大小時(shí)，由于其電壓大小與線圈匝數(shù)、線圈切割磁力線的速度、線圈切割磁場(chǎng)的方向都有關(guān)系，上述試驗(yàn)在設(shè)置和操作上都應(yīng)控制無關(guān)變量的影響，相鄰磁敏元件盡量朝相同方向布置，每個(gè)通道磁敏元件的線圈匝數(shù)布置一樣，元件全布置在同一傳感器周向上，傳感器通過缺陷位置時(shí)，瞬時(shí)速度相同。

從上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，傳感器對(duì)阻攔索單根斷絲缺陷可有相鄰多個(gè)通道作出響應(yīng)，并且距離阻攔索斷絲缺陷最近的通道檢測(cè)到的缺陷峰值最大，距離過遠(yuǎn)則會(huì)被噪聲掩蓋。 因此，將橫截面周向360°根據(jù)12通道劃分為12部分，可對(duì)缺陷周向進(jìn)行30°區(qū)域定位。

3.2.2 多缺陷試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖11 3#位置時(shí)間幅值信號(hào)圖

艦載機(jī)在航母上阻攔著艦時(shí)，阻攔索與阻攔鉤周向接觸角度達(dá)180°以上，并且每次接觸的位置存在偏差，易在橫截面上多處形成缺陷。因此在周向上設(shè)置多個(gè)缺陷進(jìn)行模擬試驗(yàn)，如圖5所示，寬度為1.5 mm的單根斷絲兩處和寬為4 mm深1.0 mm的磨損缺陷。經(jīng)大量試驗(yàn)后，隨機(jī)選取其中某一次試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)信號(hào)圖進(jìn)行濾波降噪處理得到圖12～圖14所示的信號(hào)圖。

圖12 通道1～4時(shí)間幅值信號(hào)圖

由圖可知，只有通道 2、3、6、11、12檢測(cè)出缺陷信號(hào)，其峰值分別為 3 245 ，3 771 ，2 819 ，2 905 ，3 000 mV。

圖13 通道5～8時(shí)間幅值信號(hào)圖

圖14 通道9～12時(shí)間幅值信號(hào)圖

將通道從1至12依次展開對(duì)應(yīng)圓周360°，則每個(gè)通道對(duì)應(yīng)30°范圍，取每個(gè)通道最高信號(hào)幅值，作為該通道的信號(hào)特征值，得到如圖15所示直方圖，可方便直觀分析缺陷周向所在位置。

從圖中可以很明顯發(fā)現(xiàn)5個(gè)通道同時(shí)檢測(cè)到缺陷信號(hào)，其中相鄰?fù)ǖ烙?、3和11、12，對(duì)比前面分析的結(jié)果，其都是一個(gè)缺陷所致，即總共檢出3 個(gè) 缺 陷， 分別 位 于周 向 60°～90°、150°～180°和330°～360°區(qū)域。與前面所述的結(jié)論相吻合，也可以看出傳感器對(duì)周向多缺陷反應(yīng)靈敏。

4 結(jié)束語

圖15 通道對(duì)應(yīng)角度區(qū)域直方圖

本文通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)，制作模擬缺陷，基于漏磁檢測(cè)技術(shù)，對(duì)航母阻攔系統(tǒng)中阻攔索損傷缺陷進(jìn)行檢測(cè)與定位。從檢測(cè)信號(hào)圖分析可得，本系統(tǒng)對(duì)阻攔索上出現(xiàn)的斷絲、磨損等局部損傷缺陷有很好的檢出效果，信噪比良好，并且能對(duì)軸向和周向精確定位，周向定位精度可達(dá)30°。同時(shí)得出結(jié)論：在本試驗(yàn)條件下，最靠近斷絲位置傳感器通道檢測(cè)的缺陷信號(hào)幅值最高。通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨損缺陷信號(hào)峰值無論在周向還是軸向上都比斷絲缺陷信號(hào)峰值低?；诼┐旁?，不同缺陷種類所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)不同，進(jìn)而所檢測(cè)的信號(hào)不同，通過反演方法，可以通過不同檢測(cè)信號(hào)的多種特征信息推斷出缺陷種類，該部分工作正在開展研究。