飞行器密封性智能检测技术探析.pdf

幡潮技术航天崩造技术 墨耋检洲技术 飞行器密封性智能检测技术探析 刘军1 张轶1 刘继伟2 庞冬嶂1 ( 1 北京星航机电设备厂，北京1 0 0 0 7 4 ；2 海军驻航天三院军代表室，北京1 0 0 0 7 4 ) 摘要：在充分研究已有的密封性检测方法的基础上，基于压力压差法和超声波法，提 出了一套合理的智能密封性检测技术，能够实现泄漏率自动检测和泄漏点自动定位，最大 程度上避免了人为因素的影响。所探讨的技术为智能检测系统的进一步设计提供了理论基 础，有助于改善密封性检测领域的落后形势。 女i I L 繁I 敞 关键词：密封性检测；压力压差法；超声波法；泄漏率；泄漏点 A n a l y s i so nI n t e l l i g e n tS e a l i n gD e t e c t i o nT e c h n o l o g y o f A i r c r a f t L i uJ u n l Z h a n g Y i l L i nJ i w e i 2 P a n gD o n g z h u 0 1 ( 1 B e i j i n gX i n g h a n gM e c h a n i c a l - e l e c t r i c a lE q u i p m e n tF a c t o r y , B 刨i n g1 0 0 0 7 4 ；2 M i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eO f f i c eo f t h eP L A N a v yi nt h eC A S I CT h i r dA c a d e m e ，B e i j i n g1 0 0 0 7 4 ) A b s t r a c t ：A f t e rc o m m o nt e s tm e t h o d sh a v eb e e nf u l l ys t u d i e d , t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o dt h a ti sr e a s o n a b l e i n t e l l i g e n ts e a l i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do np r e s s u r ea n dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ea n du l t r a s o n i c ，w h i c hC a nr e a l i z e a u t o m a t i cd e t e c t i o no fl e a k a g ea n dp o s i t i o no fl e a kp o i n t ，a n di ta v o i d st h ei n f l u e n c eo fh u m a nf a c t o r si nd e t e c t i o n p r o c e s s T h es t u d yo ft e c h n o l o g yp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n i n gi n t e l l i g e n td e t e c t i o ns y s t e m , a n di t c o n t r i b u t e st Oi m p r o v eb e h i n ds i t u a t i o no f s e a l i n gd e t e c t i o nd o m a i n K e yw o r d s ：s e a l i n gd e t e c t i o n ；p r e s s u r ea n dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ：u l t r a s o n i c ) l e a k a g e l e a kp o i n t 1 引言 密封性检测是飞行器部件或整机不可缺少的技 术指标之一，目前，航空航天领域普遍采用人工检测 的方法，对产品泄漏位置的定位和泄漏量的测量，还 处在定性阶段。而随着飞行器各项性能指标的不断提 升，密封性检测，尤其气密性，已经成为产品研制和 生产过程中特别重要的环节，同时决定了产品的质 量。密封性检测也叫泄漏量检测，主要用来确定被测 对象的密封性能I l 】。 密封器件通常在产品的动力系统中使用较多，例 如减压器、安全阀、油箱、导管等，这些设备不但需 要单独检验气密性，还需要检测组合安装的气密性， 如果个别器件发生泄漏，则会导致整个系统故障。另 外，随着飞行器飞行速度、飞行高度等技术指标的提 高，飞行器整体结构的密封要求也越来越高。 为了适应未来飞行器高超音速和空天发展的趋 势，迫切需要开展对产品密封性和密封性检测技术的 研究。 2 密封性检测技术的研究背景 笔者对我国航空航天领域相关单位进行了调研 和分析，发现在航空航天领域，长期以来，一直普遍 作者筒介：刘军( 1 9 8 1 一) 工程师飞行器设计专业；研究方向：飞航导弹总体装 配工艺 收稿日期 2 0 1 卜1 2 - 1 4 4 7 万方数据 幡嗣t 术2 0 1 2 年2 月摹1 期 使用的密封检测方法为传统的水检法、涂肥皂液法。 近些年，随着传感器技术及电子技术的发展，差压法、 卤素法和超声波等方法也愈来愈多地得到了应用。 在研发智能检测系统前，综合对比了常用的气密 性检测方法：涂肥皂液法，通常使用中性肥皂，其优 点是可以直接看见泄漏点的位置，直观简单。但是需 要被检测产品开敞性好，无法进行微量检测，检测效 率较低，检测后需要对肥皂液进行清除；浸水法。能 够直观地发现泄漏位置，效率比涂肥皂液法要高，但 是需要将整个产品放置在水中，对于单个管路和设备 检测较方便，对于整机的气密性检测不太适用；压力 法，通过对被检测产品加压，靠传感器的精度来判断， 操作简单、成本低。当遇到大容积检测对象时，这种 方法检测时间较长，并且不容易判断微量泄漏；差压 法，通过对比两个产品之间压力的差值，来判断是否 泄漏，不受环境的影响可以较精确地检测出微小泄 漏，但需要建立标准的对比样件；卤素法，最主要的 困难就是要消除空气中含有的卤素成分，尤其在批量 检测时，外围空气的纯净度会直接影响检测的精度和 稳定性；超声波法，能够最大限度地消除人为误差， 发挥检测能力，检测的准确度取决于超声波传感器的 精度，最大的不足就是很难实现对泄漏率的测量。 在国外，欧美、日本等国家在密封性检测方面技 术较为成熟。日本东京工业大学的H L C n m t u r 等人， 在压差法的基础上开展了温度对检测结果的影响分 析，研究结果表明充气前后温度的变化是测量误差的 主要影响因素闭。美国艾伦斯堡大学J o h n s o n C H 等 人，提出了基于声学原理的无损检测方法川。在国内， 华中科技大学开展了气体压力变化规律与理论的分 析，研制开发了根据差压来间接表示泄漏率的密封性 检测设备1 4 J 。上海交通大学开展了超声波检测技术研 究，实现了对气体微泄漏率的估算功能p J ，等等。 虽然大量的关于气密性检测技术的研究工作已 经取得了一定的成绩，但是由于相关理论跨学科、综 合程度高、数据处理困难，综合的、精度高的、系统 集成的智能性密封检测设备还不多。 3 未来飞行器密封性智能检测系统 满足未来飞行器密封性要求的检测设备，要实现 不同环境下对零部件的密封性检测，如常规环境中动 力系统、燃油系统的检测，浸油环境中设备、管路密 封性的检测，还要实现整机一体化的密封检测，例如 淋雨环境中整机密封情况检测。整机装配条件下内 部管路密封情况的检测，要求能够检测出被测产品是 否有泄漏、泄漏率的大小以及泄漏点的位置。 综合考虑系统的检测要求，比较各种检测原理的 优缺点，提出了基于超声波检测技术和压力与压差法 检测技术的智能密封性检测方法。借助机器人技术及 自动控制技术，经过一定的数据采集处理后，实现对 未来飞行器密封性自动检测，并且实现在同一检测状 态下高精度、高效率的泄漏率检测及漏点定位。表l 给出了检测子系统与核心检测单元的关系。 表1 检测子系统与核心检测单元的关系 、检捌单元 压力压差检测单元超声波检测单元机器人系统空气加压系统 检蔫系统、 移动检测系统 浸油检测系统 整机检溯系统 4 8 注：表示存在，o 表示不存在。 图1 飞行器密封性智能检测系统总装示意图 1 一整机检铡子系统2 控制系统超声波检测系统 3 数据采集处理系统飞行器4 覆油检棚系统 5 一电缆浸油检测子系统6 一移动检滔予系统 系统根据检测对象的不同，设计为移动检测子系 统、浸油检测子系统、整机检测子系统三个独立的检 测系统，针对不同的检测对象，完成密封性检测任务。 除此之外，压力压差检测单元、超声波检测单元、机 器人系统以及空气加压系统四个核心检测单元贯穿 于各个检测系统中，包含情况如表l 所示。系统总装 示意如图l 所示。其中，移动检测子系统在工作时以 万方数据 稍= | 辩莲术航天羽造技术 飞行器现有工位为主。 L L 怔亟巫叮( 亟匦 _ 囹豳豳匿 图2密封性智能检测技术检测流程 系统检测流程如图2 所示。在对零部件进行密封 性检测时，先采用压差法和压力法来确定是否泄漏及 泄漏率，若存在泄漏，则采用超声波检测法确定泄漏 点位置，即流程( 1 ) 所示。其中，如果被测工件为 批量产品，则选用压差检测模块，这样能保证测量精 度；假如被测工件为个别的特殊产品，没有标准件作 为参考，则选用压力检测模块进行检测。若被测工件 检测合格，即无泄露，则直接输出检测数据；如果存 在泄漏，则通过压差法和压力法检测出泄漏率，然后 进入超声检测流程。在整机检测系统中，直接通过超 声波检测技术检测出泄漏情况。并确定漏点位置。其 中，对淋雨环境中整机密封检测，因很难创造有压力 的环境，所以通过放置超声波发射器协助检测，即流 程( 2 ) 所示。对整机密封状态下，内部各部件管路 接头的密封性检测，通过流程( I ) 中特殊产品流程 检测。 4 关键技术及难点探讨 4 1 泄漏率确定 为保证产品密封性的检测精度，检测方案的选择 必须综合考虑产品的尺寸、检测部位、实际压力、环 境温度等情况。直接压力法，操作简单，精度要求不 高，所以在其他检测条件允许的情况下，应尽量选择 用直接压力法检测。差压法，需要准备一个标准的样 件环境作为对比，在试验准备上需要花费较大的精 力，但是其检测精度较高。对于直接压力法和差压法， 检测过程一般都包括充气、稳压、保压、检测和放气 几个阶段。 产品的泄漏率与外部压力、内部压力及泄漏尺寸 的结构有关，其中泄漏尺寸的大小很难直接测量出 来，通常采取间接的测量方法，即通过测量被测对象 内部压力的变化，来间接地计算出泄漏率。下面通过 压差法原理介绍检测泄漏率的基本原理。 考虑一般的检测情况，假设密封性检测平台参数 设置如下： 参考件：检测开始时压力为片，绝对温度为互， 检测结束时压力为耳，绝对温度为五； 被测件：检测开始时压力为B ，绝对温度为五， 检测结束时压力为只，绝对温度为巧； 被检测体的容积矿；检测的绝对压力P ；检测结 束时参考件与被测件的差压值A P ；环境的热力学温 度值T ；近似认为被测件在检测结束时在压力爿、温 度爿条件下泄漏的气体体积矿；A V 体积的气体泄 漏到标准大气压下的气体体积A V ，；检测时间t ；泄 漏率Q ；昂为一个大气压值。 其中，差压单位为P a ，绝对压力单位为K P a ，被 测体容积单位为m l ，时间单位为s 。 理想状态下，认为被测件和参考件两端的气路是 完全对称的，则弓、县相等，都等于检测的绝对压力， 即： 只= 只= P ( 1 ) 由差压的定义，可得：A P = 眉一层，即： 片=