CN110455519B - 一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，解决了管路结构高温、内压工作状态下侧向剪切变形等效模拟的技术难点，在一定程度上排除了由于管路轴向伸长导致工装摩擦对侧向刚度造成的影响。试验系统能够同步模拟“温度+内压+侧向剪切变形”并考核结构强度、刚度、密封性能，可以为各类发动机相关管路结构提供设计依据。

Description

一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统

技术领域

本发明涉及地面综合模拟试验技术领域，尤其涉及导弹、火箭及其它各类飞行器发动机燃气管路系统的高温、内压、侧向变形等工作状态的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统。

背景技术

管路系统是飞行器发动机的一个重要分系统，按功能可分为输送、增压、排焰等不同的管路系统。管路功能不同，所承受的热、力学综合环境也有所差异。受综合环境的影响，管路结构会出现强度下降、密封性能减弱、固有力学特性变化等问题，严重情况下甚至会出现管路泄漏及破坏。如何对管路系统在地面进行全面的试验考核一直是试验部门面临的重要技术问题。

以往针对管路系统的地面模拟试验，主要面向于自生增压管路和伺服排焰管等管路结构温度、压力、振动载荷环境的叠加模拟，对于金属软管等轴向尺寸较小的管路结构在温度、压力、侧向变形作用下的结构响应关注较少。然而，金属软管作为一种有效的结构连接组件，在发动机管路系统中大量存在。实际使用中，金属软管入口端与系统本体结构固结、出口端在壁面约束下发生平行错动，结构内部在燃气流作用下受热、冲压。高温环境下管路剪切刚度降低，内压作用下管路剪切刚度增大，高温、内压叠加载荷环境对于结构刚度的影响难以准确评估。侧向刚度的变化导致连接部位作用力发生变化，进一步影响到管路和连接结构的可靠性，必须在正式使用前通过地面试验模拟结构的工作状态并考核其设计余量。

采用试验手段模拟金属软管“温度+压力+侧向剪切变形”叠加载荷环境，需要解决如下问题：1、在管路高温、内压状态下施加侧向变形；2、保证管路发生剪切错动而非弯曲变形；3、测量剪切变形对应的侧向力载荷；4、排除管路受热轴向膨胀导致工装摩擦对侧向力测量造成的影响。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种面向金属软管结构设计高温管路剪切变形侧向刚度试验测试系统。采用空压机及空气加热器，以高温空气作为加热介质，实现了工作状态下管路内部高温气流、压力的模拟；在管路出口端设计联排滚动轴承限位工装，保证在侧向力作用下结构发生剪切变形，并且极大程度消除了管路由于轴向膨胀引起的工装摩擦；通过与出口端加载工装连接的50kg高分辨率测力计实时记录管路不同剪切错动位移量对应的拉力载荷值。该试验系统能够同步模拟发动机内部管路结构“温度+内压+侧向剪切变形”工作状态，考核结构强度、刚度及密封性能，为管路结构提供设计依据。

本发明所采用的技术方案如下：

一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，该试验测试系统包括介质供给设备、加热设备、加载限位与固定支撑装置、压力调节装置以及冷却设备：

介质供给设备，用于为参试管路提供流动加热介质以真实模拟实际工作状态下管路内部的高温燃气流及压力；

加热设备，包括空气加热器、可控硅、以及控制系统，其中控制系统用于对空气加热器以及可控硅进行控制，并实现功率调节，该加热设备用于加热参试管路内的流动介质以达到目标温度；

加载限位与固定支撑装置，包括参试管路入口端固支工装、参试管路出口端加载限位工装、以及竖向加载油缸，所述参试管路入口端固支工装用于模拟结构固定边界，所述参试管路出口端加载限位工装用于在壁面约束条件下对结构施加剪切变形；

压力调节装置，用于实时调节试验测试系统内部的气体压力至试验测试要求的水平，压力调节装置包括高压气体缓冲罐出口端的进气流量调节阀和冷却设备出口端的排气流量调节阀；

冷却设备为水冷却热交换器，用于在所述试验测试系统内的高温气体在向外界环境排放之前，使之降温以保证排放的安全性。

进一步的，介质供给设备包括空气压缩机和高压气体缓冲罐两部分，空气压缩机用于对介质加压，以满足参试管路内部压力边界的要求，通过空气压缩机将压缩后的高密度空气送入高压气体缓冲罐作为气源。

进一步的，在参试管路前、后端内部截面分别安装进口温度及压力传感器、出口温度及压力传感器，根据传感器的压力反馈信号实时调节进气流量调节阀、排气流量调节阀的封闭大小，以控制试验测试系统内部的气体压力，根据传感器的温度反馈信号，所述控制系统采用控制系统对空气加热器以及可控硅进行控制，以对管路内流动介质的温度进行实时调节。

进一步的，所述空气压缩机采用XR-55A-10型压缩机，额定使用功率55kW，公称容积流量8.5m3/min，额定排气压力1.0MPa，所述高压气体缓冲罐采用Ⅰ类压力容器标准，设计压力1.365MPa，容积2m3；

所述空气压缩机与所述高压气体缓冲罐之间采用金属耐压管道连接，为所述试验测试系统提供足够流量的压缩空气作为气源。

进一步的，所述加热设备中的空气加热器采用了AEH125型空气加热器，该空气加热器的出口温度满足400℃～700℃高温区间，高温状态设计压力为2.0MPa。

进一步的，所述竖向加载油缸采用采用1.0t小量程伺服加载油缸，并配备BK-2A型50kg高分辨率测力计；

所述参试管路出口端加载限位工装包括参试管路出口端加载工装和参试管路出口端限位工装，所述参试管路出口端加载限位工装分别与所述竖向加载油缸中的伺服加载油缸和测力计连接，用于施加剪切错动变形量，并测量对应的竖向拉力值。

进一步的，伺服加载油缸沿铅垂方向竖直向下安装，伺服加载油缸中的作动筒通过连杆与参试管路出口端加载工装的滑动钢板上的加载悬吊孔连接，滑动钢板与参试管路出口端加载工装主体管路正交焊接。

进一步的，所述滑动钢板左右两侧边缘对称嵌套在所述出口端加载工装的联排轴承支架的U型滑槽内，所述U型滑槽内表面的三个竖向铅垂面竖直安装规格统一的外径Ф12mm的滚动轴承，所述出口端加载工装通过螺钉固定在铸块上。

进一步的，参试管路的出口端与所述出口端加载工装的主体管路、参试管路的入口端与所述参试管路入口端固支工装主体管路均通过固定法兰连接，所述参试管路入口端固支工装通过螺钉固定在铸块上。

进一步的，所述压力调节装置中的压力的调节分为手动调节和自动调节两种方式；

其中，所述手动调节方式具体包括：在参试管路的进气端安装有进气流量调节阀，在所述试验测试系统的排气端安装有排气流量调节阀，依靠这两个调节阀门来调节参试管路内部的压力，使参试管路内部气体的压力动态保持在一定量值上；

所述自动调节方式具体包括：采用电磁阀、自动控制仪组成压力动态控制系统，对管内介质的压力进行实时调节。

本发明的技术方案所能获得的有益效果包括：

1)本发明解决了管路结构高温、内压工作状态下侧向剪切变形等效模拟的技术难点，在一定程度上排除了由于管路轴向伸长导致工装摩擦对侧向刚度造成的影响。试验系统能够同步模拟“温度+内压+侧向剪切变形”并考核结构强度、刚度、密封性能，可以为各类发动机相关管路结构提供设计依据。

2)该试验系统实现了管路结构实际工作状态下“温度+内压+剪切变形”的同步等效模拟。通过在参试管路出口端限位工装竖向滑槽内部设计联排滚动轴承消除了加载工装与限位工装间的滑动摩擦，极大程度减小了其对剪切刚度的不利影响；在此基础上，通过单独测量加载工装与波纹管在相同剪切变形量下的拉力载荷，排除了附加拉力对参试管路剪切刚度的影响。

3)该试验系统能够覆盖参试管路在常压～1.0MPa、常温～700℃工作参数范围内的工况模拟，在此基础上对参试结构施加最大150mm的竖向剪切变形量并实时记录竖向拉力载荷值，等效模拟结构在高温、内压状态下的实际变形和边界条件，评估结构强度、刚度、密封性能，为金属软管及相关管路结构的设计优化提供试验依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的高温管路剪切变形侧向刚度试验测试系统构成图；

图2为本发明的参试管路出口端限位工装的结构图；

图3为本发明的参试管路出口端加载工装的反向结构图；

图4为本发明的参试管路入口端固支工装的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的高温管路剪切变形侧向刚度试验测试系统构成图。

其中，附图标记包括：1-空气压缩机、2-高压气体缓冲罐、3-进气流量调节阀、4-空气加热器、5-控制系统、6-可控硅、7-参试管路入口端固支工装、8-参试管路、9-参试管路出口端限位工装、10-参试管路出口端加载工装、11-水冷却热交换器、12-排气流量调节阀、13-消音器、14-进口温度及压力传感器、15-出口温度及压力传感器、16-竖向加载油缸。

试验系统包括介质供给设备、加热设备、加载限位与固定支撑装置、压力调节装置以及冷却设备几个部分。

介质供给设备，用于为参试管路提供流动加热介质以真实模拟实际工作状态下管路内部的高温燃气流及压力。

介质供给设备包括空气压缩机1和高压气体缓冲罐2两部分，空气压缩机用于对介质加压，以满足参试管路内部压力边界的要求，通过空气压缩机将压缩后的高密度空气送入高压气体缓冲罐作为气源。

加热设备，包括空气加热器、可控硅、以及控制系统，其中控制系统用于对空气加热器以及可控硅进行控制，并实现功率调节，该加热设备用于加热参试管路内的流动介质以达到目标温度。

加载限位与固定支撑装置，包括参试管路入口端固支工装7、参试管路出口端限位工装9、参试管路出口端加载工装10以及竖向加载油缸16，所述参试管路入口端固支工装用于模拟结构固定边界，所述参试管路出口端限位工装用于在壁面约束条件下对结构施加剪切变形。

压力调节装置，用于实时调节试验测试系统内部的气体压力至试验测试要求的水平，压力调节装置包括高压气体缓冲罐出口端的进气流量调节阀3和冷却设备出口端的排气流量调节阀。

所述压力调节装置的安装位置避开了系统内部高温气体流动区域，避免了高温气体对阀门密封性能造成的不利影响。在参试管路前、后端内部截面分别安装进口温度及压力传感器、出口温度及压力传感器，根据传感器的压力反馈信号实时调节进气流量调节阀、排气流量调节阀的封闭大小，以控制试验测试系统内部的气体压力。

冷却设备为水冷却热交换器，用于在所述试验测试系统内的高温气体在向外界环境排放之前，使之降温以保证排放的安全性。

高压气体缓冲罐内的气体通过所述空气加热器进行升温后，进入参试管路，在参试管路前、后端的管路内部分别安装有进口温度及压力传感器、出口温度及压力传感器，根据传感器的温度反馈信号，所述控制系统采用控制系统对空气加热器以及可控硅进行控制，以对管路内流动介质的温度进行实时调节。

所述空气压缩机采用XR-55A-10型压缩机，额定使用功率55kW，公称容积流量8.5m3/min，额定排气压力1.0MPa。所述高压气体缓冲罐采用Ⅰ类压力容器标准，设计压力1.365MPa，容积2m3。

所述空气压缩机与所述高压气体缓冲罐之间采用金属耐压管道连接，为所述试验测试系统提供足够流量的压缩空气作为气源。

所述加热设备中的空气加热器采用了AEH125型空气加热器，该空气加热器的出口温度满足400℃～700℃高温区间，高温状态设计压力为2.0MPa。

图2为本发明的参试管路出口端限位工装的结构图，图3为本发明的参试管路出口端加载工装的反向结构图，图4为本发明的参试管路入口端固支工装的结构图。其中，附图标记包括：17-联排轴承支架、18-滚动轴承、19-压力传感器安装管咀、20-温度传感器安装管咀、21-滑动钢板、22-加载悬吊孔。

所述出口端加载限位工装包括出口端加载工装和出口端限位工装。

竖向加载油缸采用采用1.0t小量程伺服加载油缸，并配备BK-2A型50kg高分辨率测力计，测量精度能够达到0.05kg。

伺服加载油缸沿铅垂方向竖直向下安装，通过连杆与参试管路出口端加载工装滑动钢板上的所述加载悬吊孔连接，滑动钢板与参试管路出口端加载工装主体管路正交焊接。

所述滑动钢板左右两侧边缘对称嵌套在所述出口端加载工装的联排轴承支架的U型滑槽内，所述U型滑槽内表面的三个竖向铅垂面竖直安装规格统一的外径Ф12mm的滚动轴承，所述出口端加载工装通过螺钉固定在铸块上。

参试管路的出口端与所述出口端加载工装的主体管路、参试管路的入口端与所述参试管路入口端固支工装主体管路均通过固定法兰连接，所述参试管路入口端固支工装通过螺钉固定在铸块上。

所述出口端加载限位工装分别与所述竖向加载油缸中的伺服加载油缸和测力计连接，用于施加剪切错动变形量，并测量对应的竖向拉力值。

所述压力调节装置中的压力的调节分为手动调节和自动调节两种方式；

其中，所述手动调节方式具体包括：在参试管路的进气端安装有进气流量调节阀，在所述试验测试系统的排气端安装有排气流量调节阀，依靠这两个调节阀门来调节参试管路内部的压力，使参试管路内部气体的压力动态保持在一定量值上；

所述自动调节方式具体包括：采用电磁阀、自动控制仪组成压力动态控制系统，对管内介质的压力进行实时调节。

以某型号导弹发动机一、二级金属软管为例，采用试验系统模拟了结构高温、内压工作环境，并施加竖向剪切变形并测量竖向拉力，评估金属软管在高温、内压状态下的力学性能。

试验过程中，首先通过空气压缩机与高压气体缓冲罐将气体加压至内压边界目标值附近，之后通过加热设备将介质加热至试验要求的温度，令高温介质流经参试管路，达到对管路内部热边界的模拟。通过压力调节装置调整参试管路内部高温气体流量与流速，确保管路内部温度、压力满足试验模拟要求。之后参考实际使用过程中管路前、后端的最大平行错动量，借助伺服油缸和加载工装，在限位工装约束下施加竖向剪切变形，模拟壁面约束下结构的平行错动，通过测力计实时记录竖向拉力，评估管路结构的剪切刚度。参试管路出口端的高温气体流经冷却设备后向外界排放。

由于剪切刚度的评估需要测量竖向拉力，因此在使用上述方法分析管路刚度时，必须注意加载工装及参试管路出口端过渡波纹管的重量对于竖向拉力测量值造成的影响，即按照此方法计算出来的参试管路的剪切刚度比实际值要大。本发明采取的解决方案是在限位工装约束下单独对加载工装及出口端过渡波纹管施加相同的竖向剪切变形量并测量竖向拉力，在最终分析计算中减去上述竖向拉力。

管路竖向剪切刚度，即产生单位竖向剪切变形所需要施加的剪力，可通过平均刚度计算表征，即最大竖向位移对应的结构自身剪力值除以最大竖向位移量x。在缓慢施加竖向位移时，保证加载端的滑动钢板在竖向滑槽约束下作匀速直线运动，则结构被认为处于受力平衡状态，可以忽略竖向加速度引起的惯性力。对结构进行受力分析，在伺服油缸竖向拉力Ft作用下，与之平衡的力包括三部分：1、结构自身在竖向变形下产生的剪力F1；2、滑动钢板与竖向滑槽之间摩擦作用产生的竖向阻力F2；3、加载工装及其后部波纹管的重力G。高温作用下参试管路轴向伸长，滑动钢板与限位滑槽之间挤压接触，借助联排滚动轴承设计，滑动钢板与竖向滑槽之间由滚动摩擦代替原有的滑动摩擦，摩擦系数大幅降低，由摩擦产生的竖向阻力F2相比于结构自身剪力可近似忽略。因此，管路的平均剪切刚度可采用如下近似公式计算得到：k＝F1/x＝(Ft-G)/x。加载工装及其后部波纹管的重力G，可以通过试验后在限位工装约束下单独对加载工装及波纹管施加相同的竖向剪切变形量并测量竖向拉力得到。

试验过程中，参试管路入口端借助固支工装实现固定边界的模拟；出口端在伺服油缸作用下，通过加载工装滑动钢板沿竖向限位滑槽在铅垂面内发生平行剪切错动，等效模拟结构真实变形。联排滚动轴承的设计极大程度地消除了滑动钢板与限位滑槽之间的摩擦，减小了竖向力测量的误差。试验结束后，拆除参试管路，对加载工装及后端过渡波纹管单独施加相同的竖向剪切变形量并测量竖向拉力，在最终分析计算中减去上述附加拉力，排除其对剪切刚度的影响。

压力调节装置包括气体缓冲罐出口端的系统进气流量调节阀和冷却设备出口端的系统排气流量调节阀，安装位置避开了系统内部高温气体流动区域，避免了高温气体对阀门密封性能造成的不利影响。在参试管路前、后端内部截面安装压力传感器，根据压力的反馈信号实时调节进气阀、排气阀的封闭大小以控制系统内部压力。

上述设备构成了完整的试验测试系统，可为管路结构提供“温度+内压+剪切变形”等效载荷环境模拟并评估结构高温、内压工作状态的刚度、强度、密封性能等工作指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，该试验测试系统包括介质供给设备、加热设备、加载限位与固定支撑装置、压力调节装置以及冷却设备，其特征在于：

介质供给设备，用于为参试管路提供流动加热介质以真实模拟实际工作状态下管路内部的高温燃气流及压力；

加热设备，包括空气加热器、可控硅、以及控制系统，其中控制系统用于对空气加热器以及可控硅进行控制，并实现功率调节，该加热设备用于加热参试管路内的流动介质以达到目标温度；

加载限位与固定支撑装置，包括参试管路入口端固支工装、参试管路出口端加载限位工装、以及竖向加载油缸，所述参试管路入口端固支工装用于模拟结构固定边界，所述参试管路出口端加载限位工装用于在壁面约束条件下对结构施加剪切变形；

压力调节装置，用于实时调节试验测试系统内部的气体压力至试验测试要求的水平，压力调节装置包括高压气体缓冲罐出口端的进气流量调节阀和冷却设备出口端的排气流量调节阀；

冷却设备为水冷却热交换器，用于在所述试验测试系统内的高温气体在向外界环境排放之前，使之降温以保证排放的安全性；

所述参试管路出口端加载限位工装包括参试管路出口端加载工装和参试管路出口端限位工装，所述参试管路出口端加载限位工装分别与所述竖向加载油缸连接，用于施加剪切错动变形量，并测量对应的竖向拉力值；

所述竖向加载油缸沿铅垂方向竖直向下安装，加载油缸中的作动筒通过连杆与参试管路出口端加载工装的滑动钢板上的加载悬吊孔连接，滑动钢板与参试管路出口端加载工装主体管路正交焊接；

所述滑动钢板左右两侧边缘对称嵌套在所述出口端加载工装的联排轴承支架的U型滑槽内，所述U型滑槽内表面的三个竖向铅垂面竖直安装规格统一的外径Ф12mm的滚动轴承，所述出口端加载工装通过螺钉固定在铸块上。

2.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：介质供给设备包括空气压缩机和高压气体缓冲罐两部分，空气压缩机用于对介质加压，以满足参试管路内部压力边界的要求，通过空气压缩机将压缩后的高密度空气送入高压气体缓冲罐作为气源。

3.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：在参试管路前、后端内部截面分别安装进口温度及压力传感器、出口温度及压力传感器，根据传感器的压力反馈信号实时调节进气流量调节阀、排气流量调节阀的封闭大小，以控制试验测试系统内部的气体压力，根据传感器的温度反馈信号，所述控制系统通过控制程序对空气加热器以及可控硅进行控制，以对管路内流动介质的温度进行实时调节。

4.根据权利要求2所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：

所述空气压缩机采用XR-55A-10型压缩机，额定使用功率55kW，公称容积流量8.5m³/min，额定排气压力1.0MPa，所述高压气体缓冲罐采用Ⅰ类压力容器标准，设计压力1.365MPa，容积2m³；

所述空气压缩机与所述高压气体缓冲罐之间采用金属耐压管道连接，为所述试验测试系统提供足够流量的压缩空气作为气源。

5.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：所述加热设备中的空气加热器采用了AEH125型空气加热器，该空气加热器的出口温度满足400℃～700℃高温区间，高温状态设计压力为2.0MPa。

6.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：

所述竖向加载油缸采用0.5t小量程伺服加载油缸，并配备BK-2A型50kg高分辨率测力计。

7.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：

参试管路的出口端与所述出口端加载工装的主体管路、参试管路的入口端与所述参试管路入口端固支工装主体管路均通过固定法兰连接，所述参试管路入口端固支工装通过螺钉固定在铸块上。

8.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：

所述压力调节装置中的压力的调节分为手动调节和自动调节两种方式；

其中，所述手动调节方式具体包括：在参试管路的进气端安装有进气流量调节阀，在所述试验测试系统的排气端安装有排气流量调节阀，依靠这两个调节阀门来调节参试管路内部的压力，使参试管路内部气体的压力动态保持在一定量值上；

所述自动调节方式具体包括：采用电磁阀、自动控制仪组成压力动态控制系统，对管内介质的压力进行实时调节。

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