Разработка автоматизированных систем неразрушающего контроля лопастей из композиционных материалов

Котовщиков Илья Олегович 

Ведущий инженер-разработчик ООО «Локус»

Kotovshchikov Ilya Olegovich

Lead Engineer-Developer. Locus ltd. 

e-mail: Kotovshchikov.ilya@mail.ru

Введение

Лопасти рулевого винта являются ответственными деталями вертолёта, качество которых определяет безопасность эксплуатации всего транспортного средства в целом. Контроль качества вертолётных лопастей можно разделить на два этапа: поиск дефектов и проверка геометрических параметров. Компанией ООО «Локус» разработано техническое решение для автоматизации обоих этапов контроля качества лопастей из композиционных материалов. Данное решение представляет собой две установки: система поиска внутренних дефектов методом активной термографии «ЛокоТерм» и система лазерного измерения геометрических параметров лопасти «Геометра».

Система «ЛокоТерм»

В процессе изготовления лопасти, в изделии могут возникнуть такие внутренние дефекты, как: непроклей, отслоение обшивки, расслоение, пустоты, дефекты нагревательной накладки, и т.д. Особенности изделий из композиционных материалов накладывают ограничения на выбор метода НК, эффективно выявляющего требуемые дефекты. Для изделий с конфигурацией вертолётных лопастей наиболее эффективным и перспективным методом НК оказался метод активной термографии. [1-3]

Специально для поиска характерных внутренних дефектов в вертолётных лопастях, компанией ООО «Локус» разработана автоматизированная система дефектоскопии методом активной термографии – «ЛокоТерм» (рисунок 1). 

Рисунок 1 – Общий вид автоматизированной системы «ЛокоТерм»: 1 – пульт управления системой; 2 – опорная рама с двумя моторизированными осями; 3 – область контроля; 4 – термограф.

Данная система обладает следующими ключевыми особенностями:

• Высокая производительность;
• Возможность контроля изделий со сложной геометрией;
• Простая интерпретация результатов контроля;
• Использование бесконтактного метода;
• Выявление внутренних и поверхностных дефектов;
• Не требует использования контактной жидкости;
• Метод не требует предварительной подготовки изделия.

Метод активной термографии, реализованный в системе «ЛокоТерм», основан на регистрации изменения температуры объекта контроля (ОК) в условиях внешнего теплового возбуждения. Блок активной термографии (или термограф) нагревает поверхность ОК с помощью встроенных галогенных ламп. Инфракрасная (ИК) камера системы регистрирует динамику температуры поверхности ОК, в виде последовательности её ИК изображений (термограмм). Далее, с помощью специального программного обеспечения (ПО) установленного на компьютере пульта управления, полученная информация о динамике температуры обрабатывается программными алгоритмами. Обработанные термограммы анализируются специалистом с помощью программных инструментов на соответствие выявленных неоднородностей теплового отклика дефектам. Итоговые цифровые термограммы, вместе с заключением специалиста, архивируются в виде протоколов на компьютере пульта управления и в базе данных предприятия.

В системе реализованы режимы ручного выбора контролируемого участка, автоматизированного пошагового сканирования всей лопасти, а также, отдельный режим для контроля качества нагревательной накладки, находящейся внутри лопасти. Оператор выбирает параметры контроля в соответствии с конфигурацией контролируемого изделия. Инженер (пользователь, с более высоким уровнем допуска) создает режимы контроля, которые в дальнейшем выбирает оператор, и задает критерии дефектности. [4]

На рисунке 2 приведены термограммы лопасти с хвостовым отсеком, выполненным из сферопласта с углепластиковой обшивкой. В данной лопасти выявлены дефекты типа отслоения обшивки и локальных пустот наполнителя. На данном рисунке, дефекты являются более тёмными участками термограммы. Наличие данных дефектов было подтверждено путём сканирования лопасти методом ультразвукового контроля (УЗК). 

а

б
Рисунок 2 – Термограммы вертолётной лопасти на основе углепластика: а – термограмма с выявленными протяжёнными отслоениями; б – термограмма с выявленными локальными пустотами (порами). Пунктирной линией показано сечение контрольного реза.

С целью дополнительного подтверждения наличия дефектов, выявленных системой «ЛокоТерм» и методом УЗК, был выполнен рез в сечении лопасти, содержащем выявленные дефекты, как показано пунктирной линией на рисунке 2, а. Полученный рез (рисунок 3) подтвердил наличие внутреннего дефекта типа поры. Таким образом, система «ЛокоТерм», реализующая методом активной термографии, позволяет выявлять внутренние дефекты в сложных композитных структурах. Дальнейшая апробация установки показала, что разработанная система равно эффективна для изделий из углепластика и из стеклопластика, включая сотовые панели.

Рисунок 3 – Рез лопасти в области выявленных дефектов

Система «Геометра»

В процессе эксплуатации вертолёта, лопасти подвергаются высокой нагрузке, распределение которой строго задано и обеспечивается геометрией лопасти. В связи с этим, отклонение некоторых геометрических параметров более чем на ± 2 мм является недопустимым, а лопасти с такими отклонениями являются бракованными. Для высокоэффективного контроля геометрических параметров вертолётных лопастей, компанией ООО «Локус» разработана система «Геометра» (рисунок 4).

Рисунок 4 – Общий вид системы контроля геометрических параметров лопасти: 1 – пульт управления системой; 2 – контрольная плита (опора системы); 3 – рельсовый механизм перемещения рамки; 4 – моторизированная рамка с лазерными сканерами; 5 – устройство консольного крепления лопасти; 6 – объект контроля.

Система «Геометра» позволяет измерять такие геометрические параметры, как: ширина лопасти по хорде, угол крутки, отклонение хвостового отсека от номинального положения, увод оси лопасти, кривизна стрингера, и т.д. Данная система обладает следующими ключевыми особенностями:

• Измерение геометрических параметров лопасти бесконтактным способом;
• Возможность контроля изделий со сложной геометрией;
• Возможность прямого измерения угловых параметров;
• Повышенная точность измерения; 
• Исключение влияния человеческого фактора на результат контроля;
• Повышенная скорость измерения.

Процесс контроля лопасти системой «Геометра» представляет собой равномерное непрерывное сканирование лопасти, консольно зафиксированной в положении «носиком вниз». Лазерные 2D сканеры, расположенные по периметру рамки, позволяют строить профили лопасти в заданных сечениях. Специальное ПО «Ассистер» преобразует данные со сканеров в искомые геометрические параметры лопасти и объединяет кривые в единый профиль сечения лопасти. По окончанию процесса сканирования, программа формирует 3D модель проконтролированной лопасти из полученных 2D сечений, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Участок 3D модели лопасти с накладкой  в виде букв толщиной порядка 2 мм

С целью оценки достоверности результатов измерения геометрических параметров с помощью системы «Геометра», были проанализированы результаты измерений параметров угла крутки и отклонения хвостового отсека лопасти.  

Достоверность результатов измерений определяется повторяемостью (воспроизводимостью) значений измеряемых геометрических параметров для одних и тех же сечений лопасти. На рисунке 6 приведены графики значений отклонения хвостового отсека и угла крутки, полученные в ходе нескольких сканирований одой и той же лопасти. 

а

б

Рисунок 6 – Графики, отражающие динамику измеряемых геометрических параметров лопасти вдоль оси сканирования, по результатам трёх тестовых сканов: а – динамика значений отклонения хвостового отсека; а – динамика значений угла крутки

Из приведённых выше графиков виден общий характер динамики измеряемых геометрических параметров в рамках проведённых тестовых сканирований. Резкий рост значений отклонения хвостового отсека в диапазоне координат от 1100 до 1300 мм соответствует технологически заложенным особенностям лопасти (т.е. отражает действительность). 

Статистический анализ полученных значений геометрических параметров показал, что система «Геометра» позволяет измерять линейные геометрические параметры лопасти со средней повторяемостью ± 0,056 мм, и угловые геометрические параметры лопасти со средней повторяемостью ± 0,3′.

Заключение

Компанией ООО «Локус» разработано высокоэффективное автоматизированное решение для НК лопастей, выполненных из композиционных материалов. Эффективность системы дефектоскопии методом активной термографии «ЛокоТерм» подтверждена исследование образца лопасти методом УЗК и резом лопасти в дефектном сечении. Система измерения геометрических параметров лопасти «Геометра» позволяет контролировать отклонения ключевых геометрических параметров с повторяемостью ± 0,056 мм для линейных параметров и ± 0,3′ для угловых параметров.

Внедрение разработанного комплекса НК позволит повысить производительность контроля и достоверность его результатов. 

Список литературы

Kotovshchikov I.O. Active thermography as a contemporary method for ensuring the quality of composite material products // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering - 2019, Vol. 683, No. 1, pp. 012076
Котовщиков И.О. Современные мобильные системы неразрушающего контроля изделий из композитных материалов // Композитный мир - 2018. - № 6(81). - С. 54-56.
Будадин О. Н., Вавилов В. П., Абрамова Е. В. Тепловой контроль. – //М.: ИД Спектр, – 2011.
Котовщиков И.О. Автоматизированный комплекс неразрушающего контроля лопастей из композитных материалов // Композитный мир - 2020. - № 4(91). - С. 46-50.