CN1054916C - 监测设备 - Google Patents

Abstract

一种用来监测在静态和动态部件或构件(10)的整体性方面即将发生破坏的设备，其中，该设备包括在部件或构件上或其内的跟稳定真空源(17)密封的密封腔(11)，在腔与源之间包括一个高阻抗流体流量装置(15)的连接部以及监测腔和源之间压力变化的装置(18)。

Description

监测设备

本发明涉及一种能便于连续监测部件或构件的结构完整性的设备，以提供构件的即将破坏的早期显示。本发明既用于静态力构件，也用于动力构件。

在监测部件的结构完整性时，很大的困难是需要将运行中的部件卸下，以便检查该部件的完整性。

过去，用流体监测和测试部件的结构完整性的大部方法一直包括监测部件表面之间染液或液体的运动进程。当构件或部件工作时和/或位于不易于接近的区域时，该方法不便于连续地使用。因此，这种方法不便对部件或构件的连续数据记录或遥控监测。

其它的方法包括如美国专利文件3,820,381所述的使用负压气体或真空的方法，该专利文件叙述一个遥控监测由高渗透性材料制成的空心紧固件的方法。但是这种方法不适用于不具有高渗透性的材料，因此对一般构件是不实用的。

此外，在美国专利文件US 4,104,906；4,135,386；和4,145,915上公布了使用抽空的空间以监测构件完整性的方法。所述方法利用真空监测具有高、低渗透性的构件的区域，但不是使用同一个装置进行监测。此外，该公布的装置不适用于在外界条件能不断变化(例如随海拔高度的气压变化)以及需要知道何时已经或将要出现破坏而不仅仅指出破坏是否已发生的情况下连续监测。

本发明的目的是提供一种装置，该装置由于至少部分地克服前述的现有技术系统的一些问题，并使对构件的连续监测更加容易，以对即将发生的破坏提出早斯期警告。

本发明提供一种设备，该设备可以调节，以与本发明的设备所使用的材料和被监测设备的材料的固有渗透性损失相适应，因此，测试不受诸如压力、温度等外界条件变化的影响。

本发明的其它应用可包括通过以所设计的最大可接受的破坏扩展极限来监测构件并显示破坏的发展程度来监测现存的破坏。

本发明的结构形式属于这样一种用来监测在静态或动态使用中部件或构件完整性即将发生破坏的设备，包括在部件或构件上或其内的一个密封腔，一个基本上稳定的真空源，包括高阻抗流体流量装置和一个在所述源之间的连接部，该连接部和用于监测所述腔和源之间压力变化的装置。

根据本发明优选的特点，基本上稳定的真空源包括一个与真空泵相连的真空罐。

本发明所能采用的真空度可以在从负压到称之为“低”真空范围内变化，该真空度采用常规的单级真空泵来达到。用数字表示，真空度可通常在700乇至50乇的范围内。对真空源的主要要求是它需能提供基本稳定的真空度。真空度的大小会影响监测装置的灵敏度，但对于低于大气压的真空度而言，灵敏度的改善并不显著。

根据本发明优选的特点，多个密封的腔同基本上稳定的真空源相连。

根据本发明优选的特点，所述腔包括设置在所述部件或构件上或其内的腔的迷容式密封装置。

根据本发明的另一个优选的特点，所述腔通过采用由一层成形为一个构成腔的凹陷的材料形成的元件而构成，所述构件适宜于贴在所述部件或/和构件表面，从而该元件在该元件和部件和/或构件之间限定了腔。

根据本发明的另一个优选的特点，多个腔设置在部件和/或结构上，每个腔或腔组通过一个含有高阻抗流体流动装置的单独的连接部与源相连。

根据本发明的另一个优选的特点，第二组腔设置在部件或构件上或其内，所述腔或第二组腔跟构件部件的外界相通。

根据上述特点的一个优选特点，每个腔与第二腔离得很近。

本发明的特点是，上述系统是动态的，所以在整个监测期间，真空源基本保持稳定，并且在整个测试期间，该系统能将已知气体流供给腔。此外，腔及其与高阻抗流体流量装置的连接部的容积和真空源及其与高阻抗流体流量装置的连接部的容积相比很小。

根据下面对本发明的几个实施例的说明，本发明将会被更充分理解。下面参照附图加以说明：

图1a是本发明的第一实施例示意图；

图1b是包含第一实施例结构的部件横截面简图；

图2是应用了第二实施例的构件的剖视简图；

图3是应用了第三实施例的构件的剖视简图；

图4是应用了第四、第五和第六实施例的构件的轴侧图；

图5表示第一和第二实施例应用于两构件之间的铰链连接；

图6是一个包含有本发明的第七实施例的飞机发动机易溶装配销的部分剖视图；

图7是一个含有本发明的第八实施例的飞机螺旋桨的轴侧图；以及

图8是图7所示的飞机螺旋桨安装座的部分剖视简图。

下面将要说明的以及在附图中示出的本发明的每个实施例都是以监测部件或构件的结构完整性为目标的。

图1所示的第一实施例涉及一种用来监测其中形成多个腔11的构件或部件的装置，腔通过或围绕要被监测的部件或构件的区域延伸，而且每个腔具有毛细管的大小。每个腔通过支管12与第一导管13相连，第一导管13然后和高阻抗流体流量装置15的一端相连，而高阻抗流体流量装置15的另一端通过第二导管16与稳定真空源17相连。

稳定真空源包括一个罐(未示出)，该罐的容积远大于腔11、第一导管13和支管12的容积总和，并与一个常规的单级真空泵(未示)相连，该真空泵是用来使罐中的真空保持大体稳定的。根据监测环境的要求，通过使真空泵持续地或周期性地工作就可以实现使罐中的真空保持稳定的目的。通常将保持在罐中的真空的等级称为“低”真空。

压差传感器18通过分别与在第一导管13和第二导管16之间连接的导管19和20相连而跨接在高阻抗流体流量装置15的两端，该传感器与一个电输出信号相连，以提供一种电脉冲，该脉冲由导线21传送到监测器22上，该监测器设置在易于读出的位置上。监测器22提供一个显示可逆压差的输出，该压差是由于在高阻抗流体流量装置15两端间出现显著的压力降而由腔11和稳定真空源17之间的传感器测定的。

在将第一实施例用在作用力的动态环境的情况下，高阻抗流体流量装置和传感器可以安装在被测部件上。这样，第二导管16需要装有旋转密封装置50或其它类似的装置来适应这种运动。此外，导线21会需要通过例如汇流环和电刷装置那样的动态连接器65来适应传感器18和监测器22之间的相对运动。这种设计的例子将与图7和图8所示的第8实施例联系起来讨论。

腔11和真空源17之间高阻抗流体流量装置15的存在使在正常工作条件下在腔和较大直径的第2导管16之间保持大体相等的真空条件。这是因为高阻抗流体流量装置对流体流有一种阻抗，这种阻抗对于制成所述部件以及支管12、第一导管13和其间的连接部的材料，能够调节流入所述腔的已知气体扩散或预计的流体流量。在漏入一个或更多的腔11的泄漏增加的情况下，这个变化将在第一导管13内引起真空条件的改变，此种改变将不可能被高阻抗流体流量装置15所节调，这样传感器18将检测到导管13和16之间的合成压差。

由第一实施例提供的监测与该部件或构件所处的外界压力条件无关。评判腔的标准包括在第二导管16和稳定真空源17内部的压力条件。如果需要，可按常规真空技术在高阻抗流体流量装置15结构中采用适当的复合材料，使该设备基本上与温度变化无关。

应该知道，腔11可采取任何适应被监测构件特性的轮廓形状，并且可以和该构件上处于不同位置的多个不同部件相联。

根据第一实施例的一个具体实例，所述腔具有毛细管的大小，第一导管的直径为0.5到1.0毫米，第2导管的直径为2.0到3.0毫米，而高阻抗流体流量装置包括一个直径为0.01到0.5毫米的导管，其长度则由装置所需要的装置灵敏度决定。一种类型的高阻抗流体流量装置包括一条被绕在心轴或类以物体上的长毛细管。该毛细管的长度和直径确定装置的灵敏度，而实际上，该长度根据一般预计会从腔11、支管12、第一导管13及其间的连接处发生的预期泄漏量选定，以便使从真空源流经高阻抗导管15的流体流量适于这种预期的泄漏量。结果，在第一导差13和第二导管16之间，就不会由于这种泄漏而产生的显著的压力降。

该系统的具体特征是它在启动时的自检能力，而不需要特殊的程序来检验该系统。为了达到最高灵敏度，可以在要分别与第一和第二导管13和16连通的高阻抗流体流置装置15上跨接一个单独的旁路线(未示)，以在设备开始抽真空时克服压力传感器的滞后。

为了将设备设定在最高灵敏度，在调整压差传感器的设定之前，也许需要有足够的时间来完成在所述腔支管和第一导管的连接中所用的任何粘合剂中的溶剂的除气的以消除错误读数。

如果需要，如图1b所示，腔11a可以分组，并且可以同一个或多个与外界条件相通的第二腔11b相联。这种结构能于缺陷在构件的表面上变为可见或相反地明显之前监测到结构内形成的缺陷。

图2所示的第二实施例使用一个元件130，该元件贴合在部件110的表面，以形成腔111，其中部件110的壁的一部分形成腔111。元件130由在一面上带凹陷的材料薄层形成。形成元件130的材料需要足够的刚度以保持凹陷的轮廓，并在使用中经受凹陷内、外部间的压差。此外，构成元件130的材料需要有足够的延展性，以便能容易用该材料制成凹陷。材料可以包括金属、塑料或弹性体或等效的合成材料。

在第二实施例的情况下，该元件被制成条带，但如果需要，该构件可被制成搭板或类似物。

在图2所示的第二实施例的情况下，象元件130a和130b那样的一对条带被贴合在构件110上。预计缺陷135出现的区域。元件130a贴在与该构件边缘间隔的构件表面，而另一元件130b位于该构件边缘，其形状制成围绕着边缘延伸。元件130a和130b通过具有与图1的第一实施例所述相同形式的高阻抗流体流量装置(未示)分别跟稳定真空源相连。

当缺陷135发展延伸到流体能够渗入任何一个腔111的程度时，在腔和真空源之间就产生压差，从而触发压力传感器。本实施例的灵敏度可以非常高，以致于缺陷的大小可能不是肉眼可见的，并且缺陷可包括制成该构件的材料的晶体结构的破坏。

当形成元件130a和130b时，材料条可以用任何适当的成形技术加工，使其在元件表面具有细长槽或凹陷，以贴在所述构件上。此外，在底层上涂有粘合剂和/或合适的密封剂以使该元件能密封粘接在所述构件上。此外，在底层上涂有粘合剂和/或合适的密封剂以使该元件能密封粘接在所述构件上。

适用于第二实施例的元件的一种形式包括制成一种塑料带元件，塑料带的一面涂有粘接剂，由可以去掉的保护层覆盖。使用前，将塑料带制有槽。然后，将该带切成需要的长度，在该带贴合到所述构件上的场合，除去保护层。带的一端包有适当的连接元件，以使带能通过高阻抗导管连接到稳定真空源上，而另一端则通过槽的终端或采用密封胶或一个端件来密封。

图3所示的第三实施例是第二实施例的变型，它使用元件230，该元件贴在构件210的表面，以在表面上形成多个腔211。在第三实施例的情况下，除了多个分开平行的凹陷或槽沿元件长度方向形成，以同结构表面一起形成多个平行腔111之外，元件230采取与第二实施例的元件130相同的形式。元件230以与第二实施例的元件130同样的方式贴到构件上，如图3所示，可以贴到构件210的一个表面和边缘上。在第三实施例的情况下，与第二实施例的情况一样，每个腔211可以与稳定真空源相连。另一种替代方法是，外腔和中央腔211a可以通过高阻流体流量装置与稳定真空源连接，而中部腔211b可以通向外界。这种布局对表面破坏235或表面涂层的变形或损坏提供了监测，上述损害情况在部件承受循环应力时例如由高合金材料制成的部件表面附近是可预见到的。

第四、第五和第六实施例表示在图4中，每个实施例涉及一种监测在两个由铆钉310C固定在一起的部件310a和310b之间的铆接的装置。

在第四实施例的情况下，与第三实施例的元件230形式相同的元件330贴在铆钉接合部的一个面上。元件330制有一组轴向间隔的中心孔，使铆钉310C的头部能穿过该孔，而由元件和一个部件310a的表面所形成的腔311则如在第一实施例中所讨论过的那样，通过高阻抗流体流量装置和第一导管313与稳定真空源连接。

在第五实施例的情况下，特制的环块430用在每个铆钉310c的周围。每个形块的轮廓是环状的，以使其能够环绕铆钉310C安装，每个拼块还制有径向延伸部431，该部可同相邻环块(如果存在)接合。每个环块都制有一环形凹陷(未示)，它与一对在直径方向上对置的径向凹陷(未示)连通。当处在适当位置时，相邻环块的径向凹陷将互相对准。以在由各环块所限定的腔之间相互连通。环块的最外层适于使第一导管4B能同由各环块中的凹陷所形成的腔连接。

在第六实施例的情况下，衬垫530配置在第一部件310a第二部件310b之间。该衬垫制有中央凹陷或通道，以形成腔311，该腔围绕各铆钉310延伸，并且也在几个铆钉之间延伸。这些凹陷或通道通向部件310a和310b的各个面。这些可以通过多孔元件来实现。

图5示出第一和第二实施例应用在包括用一个枢销650在两个部件610和640之间铰链连接的装置的实际应用。每个部件的外表面都贴有与第二实施例的元件230相同的元件630的网。此外，枢销650制有相当于毛细管大小的轴向中心孔(未示)，该孔在枢轴内限定一个腔。此外，枢销的每一端都同与第二实施例的元件230有相同形式的环形元件630b相联，并被固定在包围枢销650的铰链连接的一个部件610上。每个元件630a、630b和枢销650内的腔借助于第一导管613经高阻抗流体流量装置与稳定真空源连接。

图6所示的第七实施例涉及用于监测诸如飞机发动机易溶装配销710那样的空心结构元件的结构完整性的装置。如图6所示，销710基本上为管状，并没有端块740，以封闭每一端。该实施例包括使用一个由塑料或弹性体或类似的材料制成的密封圈，或类似的元件730，该密封圈在其外表面制有槽，其外表面能够与销的内表面密封地接合，以便在它们之间形成腔711。这样形成的腔711然后，由第一导管713连接于高阻抗管路和稳定真空源，以便如在先前的实施例中所讨论的那样被监测。如在第三实施例中所讨论的，腔711可以同隔开的第二腔相联，该第二腔与腔711共同延伸，并通向外界。

此外，如果需要，可将腔和第二腔的方向定位成平行于销的中心轴线，以便能检测在与中心轴线垂直的剪切平面内的破坏。

图7的图8示出同监测飞机螺旋桨构件有关的上述第一实施例的应用。图8示出包括该实施例飞机螺旋桨的凸台、桨壳以及剖开的桨叶的内部。第二导管816安装在静止的发动机罩853上，并通过设置在螺旋桨轴851上的旋转密封装置850连接，并形成与装在飞机螺旋桨轴套810内的模块852流体连通。模块852装有高阻抗流体流量装置和压力传感器。螺旋桨轮毂也装有与腔811相连的小直径第一导管813，该导管取毛细管形式，穿过螺旋桨叶片。如果需要，可用藉修改电去冰套、以提供具有在第三实施例中所述形式的多通道腔(未示)而形成的表面通道来取代毛细管导管811。

图8示出了一个典型的旋转式旋转密封装置850，该密封装置使第2导管816同组件852之间的真空连接更加容易。旋转密封装置由第一套筒860形成，该套筒由螺栓固定在静止的发动机外罩853上。第一套筒与螺旋浆轴851同轴心。第一套筒860可同轴心地安装在第二套筒861上，该第2套筒安装在旋转螺旋桨轴851上，第二套筒861与螺旋桨轴套固定。第一套筒和第2套筒相对的面制有相对的槽，从而形成一环形管863。在与导管863各侧相对的面上设有适当的密封装置。第2导管816经第一套筒860通至环形管863，模块852经第二套筒861连至环形管863。经传感器的电连接借助于设置在第二套筒861外面的旋转汇流环866和由第一套筒860所支承的并还设有适当的导线867的电刷865来形成。

作为汇流环和电刷组件的一种可供选择的方案，传感器可以同发射机相联，而监测器可以同接收机连接，从而当传感器产生一个表示在高阻抗流体流量装置两端存在压差的信号时，便使发射器向信号装置发射一个信号，信号装置将启动监测器。

此外，对于每个实施例来说，多个被监测的腔处在某个部件或构件上或其内的不同位置的情况下，每个或每组腔的第一导管或支管导管可能被一个简单的夹持动作或任何其它合适的装置所关闭，以便在检测到缺陷的情况下，使怀疑是缺陷的部位隔离。

对于实验室中一般的疲劳试验来说，本发明可用于受控监测缺陷或裂缝的实验设备中，并可以使实验装置在被试验物体出现缺陷或裂缝的危险阶段停车。在高合金材料的疲劳试验中，可导致迅速破坏的细微表面裂纹的发展过程可采用呈搭板或吸盘形式的小元件型片来遥控检测和跟踪，所述盖板和吸盘与各自的传感器相联。

在每个实施例中，真空源的罐容积远大于腔、支管和导管容积的总和。

本发明的应用实例包括对诸如飞机机架、起落架、控制翼面、连杆系、螺旋桨、直升机旋翼装置和相似构件的监测。

应当明白，本发明的范围无须局限于上述实施例的特定范围内。

Claims (19)

1.一种用来监测在静态或动态使用中部件或构件(10)完整性即将发生破坏的设备，其特征在于：包括在部件或构件上或其内的一个密封腔(11)，一个稳定的真空源(17)，在所述腔和所述源之间设置一个连接部，该连接部包括高阻抗流体流量装置(15)和监测所述腔和源之间压力变化的装置(18)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述稳定的真空源(17)包括一个与真空泵相连的真空罐。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，有多个密封腔(11)同连接部相连。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封腔(11)包括一个设置在所述部件或构件上或其内的迷宫式密封装置。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封腔(11)通过采用由一层成形为一个构成腔的凹陷的材料形成的元件(130，230，330)而构成，所述元件(130，230，330)适宜于贴在所述部件表面，从而该元件(130，230，330)在该元件(130，230，330)和部件之间限定密封腔(11)。

6.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，多个密封腔(11)设置在部件的表面上或构件的部件的相邻表面之间，每个密封腔(11)或腔组通过单独的连接部与源相连。

7.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，上述多个密封腔(11)的第二腔或第二组腔设置在部件或构件的表面上，所述第二腔或第二组腔跟构件或部件的外界相通。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，每个腔与第二腔或第二组腔中的一个或多个邻近设置。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封腔(11)的体积远小于所述源的体积。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述部件或构件可以相对于一固定构件作循环运动，其中所述源设置在固定构件上。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，高阻抗流体流量装置安装在所述部件或构件上。

12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，在所述源和腔之间的互相连接通过一旋转密封装置来实现。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，监测压力变化的装置包括一个与高阻抗流体流量装置各端相连的传感器(18)，该传感器(18)装在所述部件或构件上；以及一个安装在所述固定构件上的信号装置，在传感器(18)和信号装置之间的连接适应于在所述部件或构件与固定结构之间的运动。

14.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，上述多个密封腔(11)的第二腔或第二组腔设置在部件或构件内，所述第二腔或第二组腔跟构件或部件的外界相通。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，每个腔与第二腔或第二组腔中的一个或多个邻近设置。

16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封腔(11)通过采用由一层成形为一个构成腔的凹陷的材料形成的元件(130，230，330)而构成，所述元件(130，230，330)适宜于贴在所述构件表面，从而该元件(130，230，330)在该元件(130，230，330)和构件之间限定密封腔(11)。

17.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，多个密封腔(11)设置在构件的表面上，每个密封腔(11)或腔组通过单独的连接部与源相连。

18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述密封腔(11)通过采用由一层成形为一个构成腔的凹陷的材料形成的元件(130，230，330)而构成，所述元件(130，230，330)适宜于贴在所述构件的部件的相邻表面之间，从而该元件(130，230，330)在该元件(130，230，330)和构件的相邻表面之间限定密封腔(11)。

19.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，多个密封腔(11)设置在构件的相邻表面之间，每个密封腔(11)或腔组通过单独的连接部与源相连。

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