Balaskó Márton 1 - Endrőczi Gábor 2 - Horváth László 3 - Tarnai György 4 - Vonnák Iván Péter 5 KOMBINÁLTAN ALKALMAZOTT RONCSOLÁSMENTES ANYAGVIZSGÁLATI MÓDSZEREK A HELIKOPTER FORGÓSZÁRNYLAPÁTOK VIZSGÁLATÁBAN Kivonat 2001 és 2004 között több, mint 30 db helikopter forgószárnylapátot (Mi-8, Mi-17, Mi-24 és Ka-26) vizsgáltunk át neutron - és röntgen radiográfiával, valamint rezgés diagnosztikával. A mérési technikák később kiegészültek érintés nélküli rezgés diagnosztikával, ultrahanggal és termográfiával. Mérési eredményeink jól mutatják, a kombináltan alkalmazott roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerek egymást kiegészítő jellegét, de példát mutatnak az egymás helyettesítésének lehetőségeire is. 1. Bevezetés A roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerek ipari elterjedése egyre szélesebb körűvé válik. Nagy a jelentőségük a prototípusok kifejlesztésében, fontosak a sorozatgyártás termékeinek minőség biztosításában, de nélkülözhetetlenek az esetleges meghibásodások okainak analizálására irányuló oknyomozó tevékenységben is. A kombináltan alkalmazott roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerek által szolgáltatott, egymást kiegészítő jellegű információk sokoldalú megközelítését teszik lehetővé az egyes problémák feltárásának. Számos esetben azonban más oka is lehet a kombinált alkalmazásoknak. A forgószárnylapátok vizsgálatában igen eredményesnek bizonyult a neutron radiográfiai (NR) módszer [1]. Alkalmazásával ki tudunk mutatni számos rendellenességet, amelyek egy része előnytelenül befolyásolja a rotorlapátok állapotát. Ehhez azonban egy bonyolult, tudományos nagy berendezés, egy kutató reaktor mellett kellett kiépítettük a mérőhelyet, hogy rendelkezésünkre álljon a szükséges nagy intenzitású neutron nyaláb. Hazánkban nem építhetünk reaktorokat a repülőtéri karbantartó állomásokra. Ezért az NR mellett egy másik, látható eredményt, szolgáltató technikát, a röntgen radiográfiát (XR), amely lényegesen kisebb eszköz igényű és könnyű szerrel telepíthető egy repülőtérre is, valamint egy elterjedt, de káros mellékhatásokkal (ideiglenes felaktiválódás, szórt sugárzás és sugárterhelés) nem járó technikát, a rezgés diagnosztikát (VD) rendszeresítettük, alapkövetelményként. Az XR-rel érzékelni tudtuk a nagy (néhány cm 3 -nyi) mennyiségű vízbeszivárgásokat, az idegen tárgyak behatolását és a fém 1 MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézet 2 MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet 3 MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézet 4 MAROVISZ 5 nyá. okl. mk. alezredes
alkatrészek kezdődő korrózióját (még a jégtelenítő kontaktusainál) is. A Statisztikus Energia Analízisen alapuló VD módszer egyrészt általános információt szolgáltatott a lapátok rezgés csillapítási tulajdonságain keresztül a laminált műanyag és fém méhsejt szerkezet állapotáról és egy bonyolult, szektoronként öt érzékelő alkalmazásával nyerhető eredmény sorral, kapcsolatot találtunk a nagy mennyiségű víz beszivárgást, és az idegen tárgy behatolást tartalmazó NR képek hiba meghatározásával. A VD módszernél sok időre van szükség a rezgési energiát szolgáltató gerjesztő fej és a gyorsulásérzékelők sorozatos átszerelésére. Ezért megkezdtük a kontaktus nélküli rezgés átvitelen alapuló VD technika előkísérleteit. A nagyon fontos ragasztásokat, amelyek a főtartó és a szektorok közötti összeköttetéseket biztosítják, valamint a főtartó anyagának repedéseit ultrahanggal (UH) kezdtük vizsgálni. Az új módszerek keresése során, termográfiai mérési módszerrel, kihasználva a szabadtéri klíma kamra nyújtotta lehetőségeket, kimutattuk a szektorok méhsejt szerkezetében lévő víz jelenlétét. 2. MÉRÉSI TECHNIKÁK ELVE ÉS BERENDEZÉSEIK 2.1. A radiográfiai módszer elve és berendezései Az MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézet Budapest kutató reaktoránál 2001-ben kiépítettünk egy a helikopterek forgószárny lapátjainak állapot meghatározására alkalmas neutron- és röntgen radiográfiai mérőhelyet [2], az MH RMSZF és a HM Technológiai Hivatal felkérésére. A röntgen sugárzás forrásaként egy hordozható, ipari röntgen generátor családot használunk, amely energia tartománya 40 kv és 300 kv; 5 ma között változtatható. A forgószárnylapátok vizsgálata a dinamikus radiográfiai mérőhelyen történik, amelynek képfelvevő rendszere az 1. ábrán látható. 1. ábra. A radiográfiai mérés képfelvevő rendszerének vázlata
A vizsgálandó tárgy árnyképe megjelenik a cserélhető képalkotó lemezen. A kis intenzitású fény információ egy tükrön reflektálódik, és egy távvezérelhető zoom optikán való áthaladás során optimalizálásra kerül. A nagyérzékenységű CCD tv kamera által detektált digitális képet a képfeldolgozó QUANTEL II. számítógéppel rögzítjük és tároljuk. A pozicionáló háttér kamera segítségével állítjuk be a szükséges képmezőket. A megfigyelő kamera az esetleges balesetek megelőzését teszi lehetővé. Ismeretes, hogy a neutronsugárzás az atommagon szóródik, míg a gammaés a röntgensugárzás az atomok elektronjaival lép kölcsönhatásba. Mindkét estben érvényes a sugárgyengülési törvény, amelyet a 2. ábra segítségével szemléltetünk. Az (1) jelű egyenlet a homogén, µ tömeggyengítésű, t vastagságú anyagon áthaladó sugárzás intenzitásváltozását írja le, míg a (2) jelű egyenlet esetén egy d méretű anyagfolytonosság hiányt tartalmazó részén halad át a sugárzás. A (3) jelű esetben az anyagban egy a sugárzási irányában e mérettel jellemezhető és µ e tömeggyengítésű zárványon halad át a sugárzás. 2. ábra. A radiográfiai hibakimutatás alapesetei A neutronsugárzás a technikai gyakorlatban felhasználásra kerülő fémek nagy részén igen csekély veszteséggel halad át, míg a hidrogéntartalmú anyagok (víz, ammónia, olaj, műanyagok), erősen csökkentik intenzitását, és így lehetőség nyílik azok láthatóvá tételére. A gamma- és a röntgensugárzás alig lép kölcsönhatásba a kis rendszámú elemek elektronjaival, így a könnyű elemeket tartalmazó anyagokon áthaladva alig veszít intenzitásából, ugyanakkor a nagyobb rendszámú elemekből és azok ötvözeteiből álló fém alkatrészekről már jól értékelhető képet szolgáltat. Ezt támasztja alá a 3. ábra, amelyen látható az anyagok és a különböző sugárzások kölcsönhatására jellemző tömeggyengítési együttható változása az elemek rendszámának függvényében.
3. ábra. A röntgen-, gamma- és neutronsugárzással szembeni lineáris tömeggyengítési együttható (µ) változása az elemek rendszámának függvényében. A 60 kv-os és 150 kv-os röntgen, valamint az 1 MeV-os gammasugárzásokkal szembeni csillapítások növekvő jelleget mutatnak az atomszámmal, míg a semleges töltésű neutronokra semmiféle egyértelmű összefüggést nem lehet megállapítani, amint azt az ábrán látható diszkrét, fekete pontok mutatják. A kadmium nagy értékű tömeggyengítési együtthatóját hasznosítottuk a képazonosítóink előállításakor. A mi esetünkben a neutron radiográfiai felvételek segítségével a kompozit anyagok kötési és ragasztási eltéréseit, valamint a rekeszek (szekciók) közötti tömítések épségét és a rekeszek belsejébe jutó vizet és annak eloszlását kívánjuk észlelni. A röntgen radiográfiai felvételeken a rejtett fém alkatrészekről, valamint a jégtelenítő rendszer vezetékeiről szerezhetünk információkat. 2.2. A rezgés diagnosztikai módszer elve és berendezései 2.2.1. A hagyományos rezgés diagnosztikai módszer elve és berendezései Jelen esetben a hagyományos rezgésdiagnosztikai módszer alatt olyan eljárást értünk, ahol a rezgéseket a mért objektum különböző pontjain elhelyezett szokásos gyorsulásérzékelőkkel mérjük. A mért szerkezet és a mérési frekvenciatartomány függvényében itt is számtalan mérési eljárás alkalmazására van lehetőség. A forgószárnylapátok állapotellenőrzésére a Statisztikus Energia Analízis-én (SEA) alapuló eljárást alkalmaztuk. Ennek kiválasztása azzal indokolható, hogy a forgószárnylapátban kialakuló mikrorepedés háló várhatóan jelentősen változtatja a szerkezet belső csillapítási tulajdonságait. Ennek kimutatása adott frekvenciasávokban egyértelműen feltételezhető volt. A mért lapát méreteiből adódóan a nagy módus sűrűségű frekvenciatartomány már alacsonyabb frekvenciákon is biztosított. A SEA az egymáshoz kapcsolódó nagy módus sűrűségű rendszerek között
létrejövő energiacserén alapul. A módszer alap jelensége az, hogy a két közel azonos sajátfrekvenciájú szerkezetet kapcsolunk össze, akkor az egyik a vibrációs energiáját képes átadni a másiknak. Ennek mértéke a relatív frekvenciatávolságtól függ. Ha ugyanezen szerkezetek rendkívül sok sajátfrekvenciával rendelkeznek egy adott frekvenciatartományban, akkor megfelelő statisztikus valószínűséggel valamennyi rezonancián, vagy elemi rezonátorok között létrejön az energiacsere. A SEA elmélet szerint a szerkezetet felbontható olyan kapcsolódó alrendszerekké, melyek megfelelő módus sűrűségük miatt alkalmasak egymás között a vibrációs energia kicserélésére. 4. ábra. Energiaáramlás a forgószárnylapátban. A forgószárnylapátban a rezgési energia terjedését a 4. ábra szemlélteti. Az ábra a mérések során kialakult viszonyokat mutatja. Itt a főtartó egy adott pontján bevitt rezgési energia tovaterjed a főtartón, majd az átadja egy részét a szektoroknak. Azonban nem csak a főtartó és a szektorok között zajlik energiacsere, hanem az egyes szektorok között is. Belső csillapítás miatt minden egyes szerkezeti elem veszít energiájából. Ezen túlmenően veszteség keletkezik akkor is, amikor az egyes részegységek adják át egymásnak a rezgési energiát. Ez elsőt a veszteségtényező mátrix főátlójában levő tagok írják le, míg a másodikat a mátrix többi eleme. A vizsgálathoz használt mérési összeállítás követi a szerkezetek dinamikai vizsgálatára szolgáló általános mérési összeállításokat. Ezekben a mérési összeállításokban nagyfrekvenciás méréseknél, az SEA paraméterek meghatározásánál, szükség van az adott frekvenciasávban levő összes módus egyidejű gerjesztésére, ezért a szokásos fehérzaj helyett az un. rapid sweept sine technikát alkalmaztuk. Az alkalmazott mérési elrendezést az 5. ábra szemlélteti. Ennek megfelelően a gerjesztés helyén történik a gerjesztő erő és bemeneti gyorsulás mérése (F, Y 2 ). A különböző pontokba elhelyezett érzékelők (Y 3, Y 4, Y 5, Y 6, Y 7 ) és a bemeneti impedancia mérőfej így lehetővé teszi többek
között a keresztimpedanciák mérését is. Mivel a mérések során ismert a bemenet gyorsulásának időfüggvénye, így az érzékelők megfelelő elrendezésével lehetőség van a vizsgált objektum módus alakjainak meghatározására is. Szűrők Analizátor Piezoelektromos érzékelő FFT Töltés erősítők Exciter Jelgenerátor Mérés tárgya Impedanciafej Rázóasztal Teljesítmény erősítő 5. ábra. A mérőrendszer elvi felépítés 2.2.2. em hagyományos, érintésmentes rezgésdiagnosztikai vizsgálat Mint ahogy a hagyományos rezgésdiagnosztikai módszereknél látható volt, a lokális hibák kimutatása, annak mérete függvényében egyre nagyobb számú érzékelőt, vagy mérést igényel. Ez rendkívül lassítja és megnehezíti a lapátok üzemszerű sorozatmérését. E probléma megoldása érdekében megpróbáltunk kidolgozni egy olyan mérési eljárást, mellyel az érzékelők mérésenkénti, jelen esetben szektoronkénti áthelyezése elhagyható. Olyan mérési eljárás kialakításával próbálkoztunk, ahol az érzékelők rögzítési hibái eliminálhatók. A korábbi vizsgálatok eredményei arra utaltak, hogy az érzékelők csekély telepítési hibái jelentősen befolyásolhatják a mérési eredményeket. Ennek alapján egyértelművé vált az, hogy a mérés teljes filozófiáját érdemes megfordítani. Ez azt jelenti, hogy az érzékelési pontot kell rögzíteni és a gerjesztési pontot, kell változtatni. A korábbi mérések rávilágítottak arra, hogy a gerjesztő egység csatolása a mért objektumhoz kényes és időigényes feladat. Ennek alapján célszerű lenne olyan megoldást találni, amely lehetővé teszi a gerjesztési pont gyors és hibamentes áthelyezését. Mindezek figyelembevételével arra a következésre jutottunk, hogy az üzemszerűen használható mérőrendszer rögzített érzékelővel és kontaktusmentes, a vizsgált objektumot térképező, vagy letapogató rendszerrel célszerű kialakítani. Ez önmagában véve nem újszerű, mivel hasonló elven működnek a kvázi kontaktusmentes ultrahangos letapogató rendszerek is. Az alapvető problémát az ilyen mérőrendszer kialakításánál az, hogy hogyan lehet kontaktusmentesen, megfelelő vibrációs teljesítményt, adott pontban bevinni a vizsgált rendszerbe.
Az előzőekben megfogalmazott követelmények alapján kísérleti jelleggel kialakítottunk egy olyan mérési eljárást, ahol a lapát szektorának gerjesztését egy MEMS (minek a rövidítése ez?) akusztikus gerjesztő egység biztosítja. A rendszer elvi felépítése a 6. ábrán látható. A kialakított kísérleti mérőrendszerben a gerjesztő egység egyidejűleg egy 250mmx150mm-es terület letapogatására alkalmas, mindkét irányban 512 pontos felbontásban. Az egyes mérési pontokban történő gerjesztés hatását egy adott helyen rögzített gyorsulásérzékelő detektálja. A kialakított akusztikus gerjesztő egység a Helmholtz rezonátor elvén működik. Az üreg, a nyaktag és a meghajtó piezokristály hangolása 850Hz-en biztosítja a maximális kimenő teljesítményt. Ez a gerjesztő egység már 2-3mm távolságban kellő vibrációs energiát képes belevinni a lapát szektorába. Piezokristály Hangolt rezonátor üreg Letapogatás Akusztikus gerjesztő egység Gyorsulásérzékelő Lapát szektor 6. ábra. Kontaktusmentes rezgésdiagnosztikai rendszer elvi felépítése 2.3. Az ultrahangos mérés elve és eszközei 2.3.1. Elvi alapok Valamennyi akusztikus hullámnak van egy olyan frekvenciája, amely nagyobb 20 khz-nél, az emberi fül által általában - érzékelhető frekvenciaszintnél [6]. Ezt az ultrahangnak nevezett hullámtartományt lehet az anyagok vizsgálatához alkalmazni humán, illetve ipari feladatoknál. Az
ipari gyakorlatban, a vizsgálatok túlnyomó többségénél 0,5-5 MHz közötti frekvenciák terjedtek el, de speciális igények esetében, ettől a tartománytól eltérő ultrahang frekvenciák alkalmazására is van tapasztalat. Az ultrahangkeltés eszköze, szokásosan, a vizsgálófejben célszerűen elhelyezett piezoelektromos átalakító egység, amely lehetőséget biztosít az elektromos energia átalakítására mechanikus energiává, illetve a folyamat megfordítására. A piezoelektromos átalakító, anyagtulajdonságának megfelelően, a felületén létrehozott potenciálkülönbség hatására mechanikus deformációt szenved, illetve a felületére ható mechanikus hatások (pl.: nyomás-húzás) eredménye képen, feszültségkülönbség mérhető. Az átalakító, tehát, az ultrahang létrehozását, annak az anyagba juttatását, illetve az anyagból érkező ultrahang energia mérését, megjeleníthetőségét teszi lehetővé. Az eljárás elvi alapja a vizsgálati darabba juttatott ultrahang energia és az anyag kölcsönhatásának a mérése. Az energia a kölcsönhatás következtében kialakult, illetve megváltozott jellemzőinek az értelmezésével (pl.: terjedési sebesség nagysága, illetve megváltozása; a visszavert energia mértéke; stb.), közvetett módon, következtetni lehet az anyag tulajdonságaira (pl.: állapotára; homogenitására), illetve a vizsgálati darab minőségére (pl.: a gyártással vagy az alkalmazással összefüggő hibáira). A besugárzott anyagban az ultrahang energia terjedése olyan nyalábformával jellemezhető, amelynek alakja (iránya, stb.) az alkalmazott vizsgálati jellemzőktől, illetve az anyag minőségétől függ. Másrészt, az ultrahang energia akadálymentes közegben és homogén anyagban irányfüggő módon terjed és az adott anyagra, illetve hullámformára jellemző a sebessége. Az ultrahang energia terjedésének az iránya, azonban, határfelülettel való találkozás esetén, megváltozhat, illetve szélső esetben visszaverődhet. Határfelület két, eltérő akusztikai keménységű anyag találkozásánál alakul ki (pl.: fém-levegő, fém-salakzárvány, stb.). Az előbbiekben vázolt tulajdonságok miatt, az ultrahangos módszerek alkalmazásai között kiemelkednek a hibakereső vizsgálatok. Ezeknél az ellenőrzéseknél az anyagban lévő határfelületekről (pl.: zárványokról, összeolvadási hibákról, stb.) visszaverődött energia mérése jól szolgálja az anyaghiányok, ill. eltérések jellemzését, illetve a helyének a meghatározását. Az ultrahangos vizsgálat tárgyi feltétele egy vizsgálóegység (berendezés, kábel, vizsgálófej), amely az ultrahangos energia keltéséhez, illetve anyagba juttatásához szükséges. A vizsgálóberendezés szolgáltatja az elektromos energiát, illetve kielégíti a mérési, vizsgálati követelményeket. Mivel az ultrahang energia jellemzői (pl.: besugárzási szög, frekvencia, stb.) a vizsgálófej kialakításától függenek, a vizsgálati feladat függvényében, általában, több vizsgálófej típusra van szükség. Az u. n. A-kép, egy formája a visszavert energia megjelenítésének, értelmezésének. A vizsgáló berendezés képernyőjén kialakított A-képen ábrázolt visszhang jel segítségével a visszaverődésig eltelt időt, illetve az abból származtatható mértékegységeket (pl.: távolság, stb.) és a vizsgálófejbe jutó ultrahang impulzus hangnyomással arányos mértékét lehet leolvasni. Megjegyzésként szolgáljon,
hogy az A-képen a könnyebb értelmezés érdekében, reflexió ábrázolásánál, nem a vizsgálati frekvenciát szokás alkalmazni, hanem annak egyenirányított és burkoló görbével fedett formáját. 2.4. A termográfiai mérés elve és eszközei A termográfiai technika a speciálisan elkészített szilícium alapú félvezetőlapkák infravörös tartománybeli érzékenységét használja fel. Az általuk érzékelt és processzált kép a vizsgált tárgy hőmérséklet eloszlását színárnyalat eloszlásként jeleníti meg. 7. ábra. Mi-8 típusú helikopter rotor lapátja a szabadtéri klíma kamrában A kanadai légierő kutatói 2002-ben publikálták [3] a módszer alkalmazását, a CF188 (Hornet) repülőgépek, méhsejt szerkezeteket tartalmazó, kormány elemeibe beszivárgott víz eloszlásának kimutatására. 8. ábra. Az előhűtőtt Mi-8 -as rotorlapátot letapogatja felmelegedés közben, a vonal érzékelős termoviziós CCD kamera
A vizsgálandó elemeket 24 óra időtartamra behelyezték egy - 5 C o hőmérsékletű klíma kamrába, majd egyenként végig tapogatták azokat felmelegedés közben, egy termográfiai CCD kamerával. Mi a 7. ábrán látható módon a szabad ég alatt (- 8 C o ) hagytuk éjszakára a vizsgálandó, használaton kívül lévő Mi-8-as rotor lapátot. Másnap reggel beszállítottuk a Reaktor csarnokba és felhelyeztük a Radiográfiai mérőhely szállító hídjára, majd felmelegedés közben, amint az a 8.ábrán látható, mozgás közben letapogattuk az MP50 típusú, vonalérzékelős, termográfiai CCD kamerával. A megfagyott vizet tartalmazó méhsejt elem csoportok lassabban melegedtek fel a szektorokban, mint a vízmentes részek, így jól érzékelhető szín különbségek alakultak ki. 3. MÉRÉSI EREDMÉNYEK TELJES MÉRETŰ ROTOR LAPÁTON 3.1. Radiográfiai mérési eredmények teljes méretű rotorlapáton A forgószárnylapát fő teherviselő eleme a főtartó, amelynek övléceihez és gerinclemezének hátsó felületéhez vannak ragasztással erősítve a sejtrácsos töltőanyaggal kitöltött hátsórekeszek (szektorok). A hátsó rekeszek a főtartóval együtt képezik a lapát körvonalát. A főtartó megvastagított tőrészére van szerelve a forgószárnylapátot az agyban rögzítő végrész (gyök). A lapát orr-részében csomópontot alakítottak ki, a kiegyenlítő nehezékek felszerelésére. A lapátok max. 21 darab (1.-21. számú) önálló rekeszt tartalmaznak. Mindegyik rekesz könnyűfém ötvözetből készült, 0,3 mm vastag borítással. A lapátok hossza 9850 mm, szélessége eléri a 700 mm-t. A lapátok felületét négy (A, B, C és D) sorra és 53 oszlopra osztottuk. Egy elemi képmező felülete 146 140 mm 2. Minden képmező jobb felső sarkában található egy három karakteres képazonosító. Ezek segítségével lehet összeállítani a rotor lapátok teljes radiográfiai képeit [4]. A mérési technológia szerinti, száraz állapotban történő NR mérés célja, hogy a csapatoktól beérkező helikopter forgószárnylapátokban lévő eltéréseket feltérképezzük. A nedvesítés utáni NR mérés célja, hogy a légköri csapadék és a lapátok között kialakuló kölcsönhatás szimulálása után, mutassuk ki a nedvesség bejutásának helyét és eloszlását, terjedésének irányultságát. A 9. ábrán látható, hogy I. jelű, száraz állapotban a C27 képmezőről készült NR képen nem lehet észlelni semmi eltérést. A nedvesítés után készült alsó, II. jelű NR képen súlyos vízbetörések figyelhetők meg, amelyeket horizontális (b) és vertikális (d) átívelések súlyosbítanak. A röntgen radiográfia alkalmazásával célunk volt, hogy a forgószárnylapátok állapot meghatározását olyan szintre fejlesszük, hogy azt a csapatoknál lehessen majd elvégezni.
9. ábra. A C27 képmező NR képei nedvesítés előtt(i.) és utána (II.) Ott már nem számíthatunk az NR technikára, mert nem áll rendelkezésünkre nagy intenzitású hordozató neutronforrás. Egy röntgen berendezés telepítése azonban elképzelhető. Az XR felvételek is nagyon sok fontos vizuális információt szolgáltatnak a forgószárnylapátok belső felépítéséről, valamint a bennük tapasztalható eltérésekről. A nagy mennyiségű víz kimutatására is alkalmas, de a behatoló idegen tárgyak feltárásában, és az azok hatásainak megszüntetésére irányuló karbantartási munka hatékonyságának a megállapítását is elősegítheti. A 10. ábra baloldalán látható a B35 jelű képmező NR képén megfigyelhetjük egy repesz behatolási sérülés nyomainak elhárítása után kialakult elrendeződést. A neutronok sötét kontrasztú képrészleteket szolgáltatnak a magas hidrogén tartalmú ragasztó anyag elhelyezkedéséről, de a nagy, több milliméter vastagságú fém repeszdarabokat is sötét tónusú képrészletként jelenítik meg. Ilyenkor van nagy jelentősége a röntgen radiográfia kiegészítő tulajdonságának, mert a röntgensugarak csak a fémekről szolgáltatnak sötét kontrasztú képrészleteket. Így van ez esetünkben is, a 10. ábra jobb oldali XR képen tisztán kirajzolódik egy kisméretű fém repeszdarab formája.
R XR 10. ábra. Repesz behatolási sérülés javítás utáni radiográfiai képei a B35 jelű képmezőben 3.2. Rezgés diagnosztikai mérési eredmények teljes méretű rotor lapáton A forgószárnylapátokat lehetőség szerint olyan körülmények között szerettük volna vizsgálni, amely a lehető legjobban megközelíti a normál üzemi állapotot. Ennek megfelelően a lapátot a KFKI AEKI kísérleti reaktor falára, az eredetivel megegyező bekötéssel rögzítettük. A mérési elrendezés a 11. ábrán látható. 11. ábra. A rezgésdiagnosztikai vizsgálatok elrendezése.
A vizsgálatok során a lapát semleges szöghelyzetben volt. A lapátot a 10.-11. szekciók határán, a főtartónál gerjesztettük a lapát alá helyezett rázóasztallal. A gerjesztés egy impedancia érzékelőn keresztül történt, melynek erő- és gyorsulás értékeiből a gerjesztés által bevitt teljesítmény meghatározható. A 12. ábra a szektorok relative, normalizált vibrációs energiaszintjét szemlélteti az 1kHz sávokban. Az ábrán jelzett elméleti szint egy azonos veszteségtényezőkkel rendelkező, elméletileg jó lapátot jelez. Az ettől való eltérés vezethető vissza a különböző eltérésekre. Mint látható a száraz szektorok jól közelítik az elméleti görbét. A C24 és C27 nedves területet jelöl (9. ábra), melyet radiográfiai módszerrel mutattak ki. A B35-ös egy javított terület (10. ábra), ahol a méhsejt szerkezetet tömör műgyanta folt helyettesít. 12. ábra. a szektorok relative, normalizált vibrációs energiaszintjét szemlélteti az 1kHz sávokban 3.3. A termográfiai mérés eredményei teljes méretű rotor lapáton Az időjárási viszonyokat kihasználva az éjszaka folyamán, sikerült - 8 C o -ra lecsökkenteni a vizsgálandó, használaton kívül lévő, Mi-8-as helikopter forgószárny lapát hőmérsékletét. Reggel beszállítottuk a Reaktor csarnokba és felhelyeztük a Radiográfiai mérőhely szállító hídjára, majd felmelegedés közben, amint az a 13. ábrán látható, mozgás közben letapogattuk az MP50 típusú, vonalérzékelős, termográfiai CCD kamerával. A megfagyott vizet tartalmazó méhsejt elem csoportok lassabban melegedtek fel a szektorokban, mint a vízmentes részek, így jól érzékelhető szín különbségek alakultak ki.
13. ábra Az Mi-8-as rotor lapát termográfiai képe felmelegedés közben Az ábra baloldalán jól látszik a rotor lapát főtartóján lévő pikkelyes él védőjének vizuális képe. Az ábra nagyobb részén a CCD kamera monitora mutatja a rotor lapát hő térképét 90 fokkal elforgatva, a tényleges lapátpozíciótól. A hőmérséklet színeloszlását a monitor jobb oldalán látható színskála érzékelteti. A fekete szín felel meg a - 5 C o -nak, míg a fehér a + 45 C o -nak. A képmező közepén elhelyezkedő fekete sáv a főtartó hőmérsékletét mutatja (- 5 C o ), jól látszanak a jobb oldalán a fémpikkelyek okozta inhomogenitások, míg a baloldalán a főtartó és a szektorok ragasztási övezetében lévő, megfagyott vizet tartalmazó méhsejt szerkezeti elemek alacsony hőmérséklete figyelhető meg. A rotor lapát közép magasságában a hőmérséklet + 10 C o, míg a kilépő élnél, ahol nagyon vékony a szerkezet (kisebb a hő tehetetlenség) gyorsabban melegszik és már meghaladja a 16 C o -t. A képernyő alsó harmadában a lapát, egy a főtartóra merőleges egyenes menti hőmérséklet eloszlását láthatjuk. A 14. ábrán látható, hogy a rotor lapát felmelegedése közben bekapcsoltuk a jégtelenítő rendszer fűtését. Ez esetben a főtartó hőmérséklete gyorsabban növekszik, mint a lehűlt méhsejt szerkezetet tartalmazó szektoroké.
14. ábra. Az Mi-8 -as rotor lapát termográfiai képe üzemelő jégtelenítő fűtéssel Az ábrán látható a lapátot tartó, műszálas anyagból készült heveder hatása, amely kevésbé jó hővezető, mint a lapát szerkezeti elemei, ezért a heveder környezetében alacsonyabb a hőmérséklet, mint a mellette lévő helyeken. Megállapítottuk, hogy a rotor lapát belépő élén elhelyezkedő fűtő vezeték hőmérséklete elérte a + 45 C o -t, de a főtartó és a szektorok közötti ragasztási övezet csak 28 C o - ra melegedett fel. 4. REFERENCIA TÁRGYAK A MH RMSZF és HM TH által kezdeményezett, kombináltan végzett roncsolás mentes anyag vizsgálati munka során, felmerült az igény, hogy a veszélyes mellék hatásokkal ( ideiglenes felaktiválódás, szórt sugárzás és sugár terhelés) járó módszereket váltsuk fel, ezen hatásoktól mentes, de azért hasonló eredményt szolgáltató vizsgálati technikákkal. Így került a látókörünkbe a kontaktus nélküli rezgés átvitelen alapuló VD technika, amely elvét a 2.2.2. fejezetben ismertettük. Ezzel célunk az volt, hogy egyrészt elkerüljük a gyorsulás érzékelők és a gerjesztő fej hosszadalmas fel- illetve leszerelési tevékenységét, másrészt, hogy a VD technika észlelési területét kiterjesszük a behatoló idegen tárgyak feltárására is. A 2.2.3. fejezetben ismertettet UH technika alkalmazásával fontos információkat akartunk nyerni a főtartó és a szektorok ragasztási övezeteiben fellépő rendellenességekről (réteg elvállás, ragasztási inhomogenitás), valamint a főtartóban kialakuló, kezdődő repedésekről. A termográfiai módszerrel, amelynek elvét a 2.2.4. fejezetben ismertettünk, a rotor lapát belsejébe bejutott víz jelenlétét és annak eloszlását kívántuk feltárni, valamint a belépő élen végig futó, jégtelenítő fűtő elem állapotát akartuk ellenőrizni. Az utóbbi kivételével a másik két módszer tanulmányozásához megfelelő labor körülményeket kellett teremtenünk, amelyekben nem volt mód a teljes lapátokon végzendő kísérleti munkavégzésre. Ezért egy olyan referencia tárgy
családot hoztunk létre, amelyben külön külön és kombinációban is mesterségesen generáltunk hibákat. Ezeket a referencia hibákat lejárt felhasználási idejű, tartalék rekeszekben hoztuk létre, amelyeket a MH RMSZF szakemberei bocsátottak a rendelkezésünkre. Ezekből választottunk ki öt darabot, a I./1 jelzést kapta a tényleges szekció kiosztásban az 1-es pozícióban lévő rekesz, a I./2 jelzést kapta az 1a pozícióban lévő rekesz, a I./3 jelzést kapta a 2-es pozícióban lévő rekesz, a I./4 jelzést kapta a 3-as pozícióban lévő rekesz, míg a I./5 jelzést kapta a 13-as pozícióban lévő, kiegyenlítő lemezes rekesz. A 15. ábrán látható álló helyzetű I./5 jelű rekeszt három sávra (A, B és C), valamint három oszlopra, azaz kilenc képmezőre osztottuk. A képmezők mérete 146 X 140 mm 2 és a jobb felső sarkában mindegyikük hordoz egy képmező azonosítót. A képmező azonosító jobb felső sarkában, egy a rekesz képek összeállításához szükséges illesztő derékszög elem figyelhető meg, míg a három karakterből az első egy betű (A, B és C), amely az adott sávra utal, a másik kettő pedig a képmező oszlop számát adja meg. A 21. ábrán látható a kiegyenlítő lemezzel ellátott rekesz álló helyzetben, amelyet VD mérésekhez készítettünk elő, idegen test behatolásának feltárására. 15. ábra. Érintés mentes VD vizsgálatra (álló, I./5 jelű) és UH vizsgálatra (fekvő) előkészített minták Előtte egy UH vizsgálatokra előkészített 10 cm széles rotor lapát metszék helyezkedik el, amelyben kezdődő repedések, valamint pont hibák szimulációját végeztük el. Ezeken a tárgyakon is el kellett helyeznünk a képmező azonosítókat, mert a radiográfiai módszerek valamelyikével, azonosítanunk kellett a referencia hiba tényleges pozícióját. 4.1. Referencia tárgy röntgen radiográfiai mérése Az érintésmentes VD vizsgálatra előkészített referencia tárgyba elhelyeztünk egy 2 x 20 x 30 mm 3 -es fém darabot, amely egy behatoló repesz szilánk elhelyezkedését szimulálta. A fém darab pozícióját röntgen felvételen ellenőriztük, amely a 16. ábrán látható. A felvételen a repeszen kívül látható a méhsejt szerkezet, a kilépő él merevítője és a szektor határoló lemeze, valamint a három karakteres képmező azonosítók.
16. ábra Egy szimulált, behatoló repesz szilánk XR képe 4.2. Referencia tárgy érintés nélküli rezgés diagnosztikai mérése A 2.2.2. fejezetben vázolt mérőrendszerrel kísérleti célra preparált lapátszektorokat vizsgáltunk. Az összehasonlíthatóság miatt referenciaként egy, a radiográfiai mérésekkel igazolt hibátlan szektort vettünk alapul. A hibásakat egy-egy olyan szektorral szimuláltuk, melybe egyrészt mesterségesen volt elhelyezve idegen test, jelen esetben egy fémlemez darab, másrészt külső behatásból származó deformáció volt. Az idegen testet tartalmazó szektort a 15. ábra álló helyzetben szemlélteti. A hibahely XR képe a 16. ábrán látható. A mérési eredményeket a 17. ábra foglalja össze. Az ábra bal oldalán található grafikon a hibátlan állapotú szektorfelület válaszát mutatja. A felületen látható hullámformák a méhsejt szerkezetet követik. A méhsejt felületre merőleges elemeinél a felület merevsége nagyobb, így az energia bevitel hatékonyabb. Az ábra jobb oldalán található grafikon az idegen test környezetében felvett válaszfüggvényt ábrázolja. Ezen jól látható az idegen test hatása és ezzel a mérési eljárás hatékonysága. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Hibátlan szektor felület Az idegen test (fémlemez) hatása Hibás szektor terület 17. ábra. Mérési eredmények a kontaktusmentes vibrációs módszerrel.
4.3. Az ultrahangos próbatest mérési eredményei 4.3.1. Az ultrahangos próbatest röntgen radiográfiai mérési eredményei A 18. ábrán látható az UH vizsgálatokra előkészített, 10 cm széles rotor lapát metszék XR képe. 18. ábra. Az UH vizsgálatokra előkészített 10 cm széles rotor lapát metszék XR képe A felvétel alsó részében láthatók a főtartó belépő élében lévő rotor lapátvég jelzőlámpa világítási vezetékei, a kiegyenlítő súly, valamint a belépő él külső felületén lévő pikkelyes él védő. Felettük helyezkednek el a jégmentesítő fűtés vezetékei, ezek magasságában van felhelyezve az FE6 típusú huzalos képminőség jelző is. A jobb felső sarokban látható a három karakteres képmező azonosító. A
mesterségesen létre hozott, kezdődő repedés és lyuk korrózió szimulációk a 18. ábrán fel vannak tüntetve. 4.3.2. A próbatest ultrahangos mérési eredményei Célkitűzés A próbatest/ek felhasználásával megszervezett kísérletek segítségével arra kerestünk választ, hogy az ultrahangos eljárás alkalmazásával ki lehet-e fejleszteni olyan módszert, amely alkalmazásával kimutatható a forgószárnylapátokban maradt ragasztóanyag, vizsgálható a borítólemezekkel határolt méhsejtszerkezet állapotváltozása, eredményes lehet a főtartó repedésvizsgálata, illetve ellenőrizhető a főtartó és a rekesz borítólemez közötti ragasztott kötés minősége? Kiegészítő megjegyzések: A feladatokkal kapcsolatban nem találtunk semmilyen hasznosítható szakirodalmi ismeretet. A kísérletek megtervezéséhez és elvégzéséhez azokat a fejlesztési, vizsgálati tapasztalatokat használtuk fel, amelyeket az ultrahangos eljárás alkalmazása során, más területen, szereztünk.az ultrahangos kísérleteknél csak a hazai laboratóriumok birtokában meglévő eszközökkel (berendezéssel) számolhattunk. 4.3.2.1. A forgószárnylapátokban maradt ragasztóanyag kimutathatóságával összefüggő vizsgálatok A vizsgálatok célja A kísérletek arra irányultak, hogy a méhsejtben, a borítólemezhez tapadt ragasztóanyag-levegő határfelületéről észlelhető-e visszhang. Amennyiben kimutatható a határfelület helye, mérhető a ragasztóanyag vastagsága is. A feladat során megkíséreltük a méhsejtben elhelyezett ragasztóanyag vastagságának a mérését. Kísérleti eredmények, következtetések: A ragasztóanyag levegő határfelületről nem sikerült egyértelmű visszhangot kimutatni. A ragasztóanyag nem volt homogén, levegő-buborékokkal volt szennyezve (ezt egy röntgenfelvétellel igazolni is lehetett), ami az ultrahang energia szórását eredményezte. 4.3.2.2. A rekeszen belüli méhsejtszerkezet állapotváltozásának vizsgálata A kísérleteket a. egyik oldalon nyitott, illetve b. zárt szekciókon, és c. kivett faldarabkán végeztük. Az a. esetben, a szekció egyik borítólemezét lefejtettük, és a méhsejtfal élére, mint vizsgálati felületre helyeztük a vizsgálófejet (DA 312). A gondos pozicionálás ellenére sem sikerült visszhangot növeszteni.
A b. esetben, a borítólemezen kimért terület letapogatásával kíséreltük meg a mérést. A c. változatnál, a KBA 90º típusú vizsgálófej alkalmazásával felületi hullámokkal kísérleteztünk. A kísérletek elvi vázlata vizsgálófej borítólemez méhsejtfal borítólemez hátfalvisszhang 19. ábra. A rekeszen belüli méhsejtszerkezet állapotváltozásának vizsgálati elrendezése Kísérleti eredmények értékelése, következtetések: A rendelkezésünkre álló berendezésekkel, eszközökkel elvégzett kísérletek nem igazolták, hogy az ultrahangos eljárás alkalmazásával a méhsejt szerkezetben (szekcióban) kialakult rendellenességek kimutathatók. Az ismert nehézségek (geometria, pozicionálás, stb.) ellenére ez nem a háború, hanem csak egy csata elvesztését jelenti. Megítélésünk szerint, a vizsgálati feladat megoldható, de át kell lépni a hagyományos vizsgálóegységek alkalmazási korlátait (pl.: fázisvezérlés, stb.) 4.3.2.3. A főtartó repedésvizsgálata Feltételezés: Az ultrahangos eljárás hibakereső módszerei alapján, kialakítható a főtartó repedésvizsgálatára alkalmas módszer. A főtartó speciális geometriája (pl.: görbültség, belső bordák, stb.) miatt, számolni kell bizonyos vizsgálati korlátokkal. A kísérletek néhány jellemzője: Berendezés típusa: USM 35 Vizsgálófej típusa: SMWB70-6 Geometriai beállítás: Hangúttávolság A marótárcsával (D=14 mm) elhelyezett, körszelet alakú, repedésszerű reflektorok -a főtartó külső, és belső felületén, a bordákkal párhuzamos, illetve azokra merőleges tájolással, -08-2 mm mélységgel lettek kialakítva. 20. ábra. A főtartó repedés vizsgálatának jellemzői
Belső borda reflexiójának az A-képe Adó. RVH Adó.= adóimpulzus; RVH = visszhang Mérési tartomány: 0-100 mm Erősítés: 75 db 21. ábra. A főtartó bordájának reflexiója A bordára merőlegesen, a külső felületen és a főtartó széléhez közel elhelyezett bemetszés A-képe Adóimpulzus RVH (rep.) RVH (főtartó széléről) RVH = visszhang Mérési tartomány: 0-100 mm Erősítés: 75 db 22. ábra. A főtartó bordájára merőleges bemetszés reflexiója Kísérleti eredmények, következtetések: Kialakítható olyan ultrahangos vizsgálattechnológia, amely alkalmazásával, megfelelő biztonsággal ellenőrizhetők a főtartó külső és belső felületéről kiinduló repedések. Korlátozások: A módszer alkalmazásával, elsősorban, a bordákkal párhuzamos, illetve azokra merőleges folytonossági hiányok kimutatása biztosítható (egyszerű módszerekkel, geometria, stb.). A bordák zavaró hatását előzetes feltérképezéssel lehet lecsökkenteni. A hátfalszög változásával is számolni kell (bordákkal párhuzamos tájolású repedések esetén).
4.3.2.4. A főtartó és a rekesz borítólemez közötti ragasztott kötés vizsgálata A 23. ábrán látható görbe sereget egy sértetlen részén vettük fel a főtartó és a rekesz borítólemez közötti ragasztási felületről. Az ismétlődő többszörös hátlapvisszhang képek azt jelzik, hogy a fém felületek egyenletesen fekszenek fel egymáson, nincs elvállás. 1. HVH 2. HVH 3. HVH A tapadási ellenőrzés A-képe K4N típusú vizsgálófej alkalmazásánál 1.- 3. HVH = hátfalvisszhangok USM 35 típusú ultrahangos készülék (Krautkramer gyártmány) Mérési tartomány: 0-20 mm Erősítés: 28 db 23. ábra. Tapadás vizsgálat többszörös hátlapvisszhanggal HVH a borítólemezről HVH a borítólemezről HVH a főtartóról HVH a főtartóról A tapadási ellenőrzés A-képe DA 312 típusú vizsgálófej alkalmazásánál (nincs lecsupaszítva) USM 35 típusú ultrahangos készülék (Krautkramer gyártmány) HVH = hátfalvisszhang Mérési tartomány: 0-10 mm Erősítés: 86 db 24. ábra. Korlátozott energia átvitel a rekeszfal és a főtartó között A 24. ábrán a mérést egy olyan felületen végeztük, amelyet előzőleg hőlég-fúvóval felmelegítettünk és a ragasztás egy kis felületen felhólyagosodott. Ez esetben lényegesen nagyobb erősítést kellett alkalmaznunk, hogy észlelni tudjuk a hátlap visszhangot. Kísérleti eredmények, következtetések: A K4N típusú vizsgálófej segítségével felvett A-képen látható, hogy a főtartó hátfaláról lehet, a rekesz borítólemezről nem lehet hátfalvisszhangot növeszteni, tehát a ragasztott kötésben nincs szétválás a borítólemez és a főtartó között.
A DA 312 típusú vizsgálófej segítségével felvett A-képről megállapítható, hogy a főtartó hátfaláról is és a borítólemezről is lehet hátfalvisszhangot növeszteni, tehát a ragasztott kötésben nincs szétválás a borítólemez és a főtartó között Az A-képek értékelése alapján arra lehet következtetni, hogy a vizsgálati paraméterek optimalizálásával és kísérletek alapján meghatározhatók azok az ultrahangos jellemzők (pl.: erősítés-jelnagyság, jelalak, stb.), amelyek értelmezésével ellenőrizhető a ragasztott kötés minősége. 5. ÖSSZEFOGLALÓ A neutron radiográfiai vizsgálatok során az alábbi rendellenességeket tudtuk kimutatni: - gyanta- és ragasztó eltéréseket, a méhsejt szerkezetben található eltéréseket, - a vízbehatolások helyeit és kiterjedésüket, - a takarásban lévő alkatrészek kezdődő korróziós jelenségeit, a javítások hatékonyságát, a jégtelenítő vezetékek kontaktusainak kezdődő korrózióját, - réteg elvállásokat.az XR felvételek is nagyon sok fontos vizuális információt szolgáltatnak a forgószárnylapátok belső felépítéséről, valamint a bennük tapasztalható eltérésekről. Alkalmasak - a nagy mennyiségű víz kimutatására, - a behatoló idegen tárgyak feltárására, - a karbantartási munka hatékonyságának az ellenőrzésére. A termográfiai módszer alkalmasnak bizonyult - a szektorokba, ill. a köztük lévő határoló elemekbe bejutott víz kimutatására, - a jegesedést megakadályozó fűtő elemek működés közbeni ellenőrzésére. A forgószárnylapátok állapotellenőrzésére három különböző rezgésdiagnosztikai módszert alkalmaztunk. A mérési eredmények alapján megállapítható volt, hogy az - Statisztikus Energia Analízisen alapuló módszer, amely a lapát általános állapotának mérésére szolgált a tényleges élettartammal, vagy terheléssel jól korreláló eredményt ad. Ezért ez alkalmas lehet az ilyen célú állapotellenőrzésre. - A lapátok lokális hibáinak kimutatására az előző eljárás, a szükséges nagyszámú mérés és a szükséges nagypontosságú mérési technológia miatt sorozatmérésre nem javasolható. - A kontaktusmentes vizsgálati módszer igen ígéretes eredményeket adott. A lapátok lokális kimutatására a módszer egyértelműen alkalmas lehet. Egy teljes lapát vizsgálatára alkalmas rendszer kialakítása azonban még műszaki fejlesztéseket igényel. Az ultrahangos mérési technika alkalmasnak mutatkozott - a főtartóban mutatkozó repedések (amelyek még nem okozzák a főtartóban lévő töltőgáz nyomásának csökkenését) kimutatására, - a főtartó és a rekesz borítólemez ragasztásának ellenőrzésére.
IRODALOM JEGYZÉK [1] BALASKÓ Márton, VERES István, POGÁCSÁS Imre, MOLNÁR Gyula és VIGH Zoltán: Mi-8, Mi-17 és Mi-24 típusú helikopterek forgószárny lapátjainak radiográfiai vizsgálata, Fél évszázad forgószárnyakon a magyar katonai repülésben konferencia, Repüléstudományi Közlemények, Szolnok, 2005 április 15. (CD-ROM) [2] M. BALASKÓ, G. ENDRÖCZI, J. VERES, Gy. MOLNAR, F. KÖRÖSI: Research of extension of the life cycle of helicopter rotor blade in Hungary. Proc. NATO conference for Applied Vehicle Technology Panel (AVT), Manchester October 7-11, 2003,RTO-MP-079(II) ISBN-837-1089-4 (SM 39.1-39.15) pp [3] J. BENNET és mások: Comparision of Neutron Radiography with other NDT for the inspection of CF188 flight control surfaces, Proc.7th WCNR, Rome, September 15-21, 2002, 569-576 p. [4] M. BALASKÓ, Zs. BALASKÓ, E. BALOGH, A. TANÁCS, E. KATONA, A. KUBA: Composition of radiography pictures of whole helicopter rotor blades in Hungary, Proc. of 7 th WCNR Rome, Edited by P. Chirco and R. Rosa, 15-20. September 2002, pp. 637-642. [5] B.L. Clarkson et al, Experimental Work to Evaluate Parameters Required in the SEA Prediction Method, ESA Contract report on 4100/79/NL/PP. Rider1, 1981