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红外热像检测在直升机维护中的应用研究

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摘要：红外热像检测具有非接触性、实时性、测温范围广、无测温热惯性、测量结果直观形象等优势，得到各工程领域的青睐广泛应用。采用便携式红外无损检测系统对直升机旋翼桨叶的不锈钢前缘包片、桨叶前“Z”形梁和后缘条等部位进行了红外检测研究。在主动热激励方式下，由于内部材料的阻热与吸热特性不同将导致表面温度场分布不均，使红外热图像能够清晰显示出桨叶漆层下的内部结构特征或损伤情况。检测结果表明，主动红外检测技术完全可用于直升机复合材料结构的内部分层、脱粘和漆层下腐蚀等的快速检查，在直升机日常和应急维护保障中的应用前景广阔。

关键词：直升机；红外；检测

根据直升机定检要求，应用红外热像检测技术对其旋翼桨叶和复合材料蒙皮进行检测研究。在外部热激励下，由于内部热传导过程的不同导致对应表面温度场分布不均，使得红外热图像能够清晰显示出复合材料构件的内部结构特征或损伤。由于垂直起降等独特性能，直升机能够适应不同的地形区域，在军用和民用领域的应用日益广泛。直升机旋翼主要用于产生飞行时所需的空气动力，通过对旋翼的操纵可改变或保持直升机的飞行状态。旋翼在工作时要承受强大的离心力和复杂多变的空气动力，是直升机上最大的承力部件，对直升机旋翼的维护是保证直升机飞行安全的重要基础，是降低直升机使用成本的有效途径之一。

一、慨况

某型直升机旋翼桨叶主要由大梁、蒙皮、桨根加强层、桨叶蒙皮支撑件（后“Z”形梁和前“Z”形梁）、聚氨酯泡沫填料和平衡配重等部分组成，如图。

图中1为不锈钢前缘包片；2为前缘蒙皮；3为后缘条（玻璃纤维布）；4为后缘蒙皮；5为后Z形梁；6为前“Z”形梁；7为聚胺酯泡沫填块；8为桨叶大梁。单片旋翼桨叶重量约为42.3kg，长度约为5275mm，变截面翼形结构，桨叶表面涂有聚氨酯保护漆。按照该型直升机的《维护手册》要求，桨叶全部表面应无凹坑、划痕、裂纹、腐蚀和磨损等损伤。定检时旋翼桨叶全部胶接区域的脱层、脱胶、裂纹、划伤和变形情况等是重点检查对象。

二、检测条件及过程

1、检测原理。在外部主动加热方式下，通过红外热像仪扫描记录试件内部缺陷或材料因不同的热特性引起的温度变化过程，利用表面温度场分布及变化特点来判别内部结构及损伤情况。由于损伤部位与基体材料热特性的不同，损伤部位对热量的传递过程是不同的，表现为阻热和吸热两种特性，其结果导致了材料表面温度分布不均，使得红外热图像中损伤部位的影像与正常部位的影像在明暗或色彩上有明显区别。在256色逆灰度颜色编码体系下，红外热图像中阻热型损伤的热影像呈现为白色，而吸热型损伤的热影像呈现为黑色。

2、设备组成。用于直升机复合材料蒙皮损伤检测的红外检测设备，便携式电脑控制硬件系统协调工作，同时作为应用软件运行平台并提供可视化操作界面。热激励系统主要包括脉冲闪光灯和供电电源，用于对被检材料进行外部主动加热，电源集成度高且热激励能量可调。热图像采集系统主要为红外热像仪，其将待测目标发射的不可见红外辐射转换为可见光图像。由于具有高速数据传输能力，因此可对损伤部位的红外热图像进行实时观察和采集。

3、检测。检测设备为便携式红外无损检测系统，主要包括便携式电脑、外部加热源和检测装置等部分。红外热像仪安装于检测装置中，热灵敏度为0.08℃（30℃时），瞬时视场为1.3毫弧度。检测时，采用连续辐射热激励方式对被检测部位进行外部加热，连续加热时间为15s，加热灯额定输出功率为750W。热图采集速率为50帧/s，热图像采集距离为32cm。检测过程将检测装置（包括热激励源和红外热像仪）放置于被检测部位正下方，使目标区域处于红外热像仪的成像视场内。调节热像仪，使图像显示清晰，设定检测参数（温度和湿度）。选择连续辐射热激励方式并设置加热时间为15s。开始热激励，同时采集目标区域表面温度连续变化情况。对检测结果进行分析，填写检测报告。

三、检测结果及分析

分别对旋翼桨叶的不锈钢前缘包片、桨叶前“Z”形梁和后缘条三个部位进行了红外检测。

1、不锈钢前缘包片，不锈钢包片由于是热的良导体，因此热扩散较快，加热后其表面温度始终低于其它部位。前缘蒙皮由一层玻璃纤维和多层碳纤维铺层共同构成，不锈钢包片内部首先是玻璃纤维，再下层为碳纤维。前缘部分，玻璃纤维比不锈钢包片稍长，尽管表面涂上聚氨酯保护漆后人眼无法分辨，但是在红外热图中还是可以看出玻璃纤维与碳纤维部分的温度有所不同。此外，内部桨叶大梁玻璃纤维预浸带较聚胺酯泡沫填块吸热效果明显，导致对应表面蒙皮处的温度要低于其它部位，所以影像较暗，直至最后达到热平衡。

2、桨叶前“Z”形梁部位。蒙皮下的“Z”字梁，如果出现局部分层或脱粘，则该部位热图将会出现明暗程度不同的情况，前缘蒙皮与后缘蒙皮之间由于厚度变化导致温度场的明显改变，前缘蒙皮和后缘蒙皮重合