CN112729800B - 一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统及试验方法，该系统包括支撑架、悬梁、轴向力加载装置、摇摆驱动装置以及内压加载装置；通过该系统进行试验的主要步骤包括：1：装调阶段；2：加载阶段、3：摇摆考核阶段、4、摇摆考核结果记录。本发明模拟了燃气摇摆装置的安装边界、轴向载荷、内压载荷以及摇摆工况，真实的模拟燃气摇摆装置的真实工作条件，验证燃气摇摆装置疲劳特性，具有环境模拟真实，可靠性高，系统结构简单等特点。

Description

一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验系统，具体涉及一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统及试验方法。

背景技术

燃气摇摆装置是大型燃烧喷射系统输送高压燃烧介质的关键部件，在工作过程中燃气摇摆装置不但要承受大吨位轴向推力载荷，还要承受高压内压载荷，同时燃气摇摆装置要在推力载荷和内压载荷作用下进行摆动以实现燃烧喷射系统的喷射位置变化。由于燃气摇摆装置在燃烧喷射系统上的重要性，其摇摆疲劳特性直接决定着燃烧喷射系统的可靠性，因此有必要对其疲劳特性进行研究。由于燃气摇摆装置的十字承力叉和波纹承压管结构形式，仿真方法无法准确分析其疲劳特性，因此试验研究是最直接可靠的疲劳特性研究和验证方法。燃气摇摆装置低频摇摆疲劳试验目前最直接的方法是在燃烧喷射系统喷射试验过程中搭载试验，但是燃烧喷射试验一般时间都比较短，试验费用昂贵，无法对燃气摇摆装置的低频摇摆疲劳特性进行全寿命周期试验验证。

发明内容

为了解决现有在燃烧喷射系统喷射试验过程中进行燃气摇摆装置低频摇摆疲劳试验所存在的试验费用昂贵，无法对燃气摇摆装置的低频摇摆疲劳特性进行全寿命周期试验验证的问题，本发明提供了一种燃气摇摆装置低频摇摆疲劳试验的试验系统及方法。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统，包括支撑架、悬梁、轴向力加载装置、摇摆驱动装置以及内压加载装置；

支撑架包括水平顶板以及垂直固连于水平顶板一侧的竖直侧板；

悬梁包括水平梁以及竖直立柱；竖直立柱一端固定安装于水平梁中部，另一端与水平顶板之间的区域为待考核燃气摇摆装置的安装区；

轴向力加载装置为两组，且分别位于所述安装区两侧，轴向力加载装置的一端与水平顶板铰接，另一端与水平梁固连；

摇摆驱动装置为两组，且分别位于所述安装区两侧，摇摆驱动装置一端与竖直侧板铰接，另一端与水平梁铰接；

内压加载装置用于向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管内施加内压载荷。

进一步地，所述轴向力加载装置包括第一液压油缸和载荷传感器；所述第一液压油缸的尾部缸体与所述水平顶板铰接，第一液压油缸的活塞杆头部通过载荷传感器与水平梁固连。初始位置时，两个第一液压油缸的轴线与待考核燃气摇摆装置的轴线之间的距离相等，且两个第一液压油缸的轴线与待考核燃气摇摆装置的轴线在位于同一竖直平面内。

进一步地，所述摇摆驱动装置为第二液压油缸以及球铰；所述第二液压油缸的尾部缸体通过所述球铰与所述竖直侧板连接，第二液压油缸的活塞杆头部通过球铰与所述水平梁铰接，初始位置两个第二液压油缸的轴线与待考核燃气摇摆装置的轴线之间的距离相等，且两个第二液压油缸的轴线在同一水平面内。

进一步地，内压加载装置包括水箱、高压气瓶、缓冲罐、三通以及水泵；

水箱通过水泵、第一截止阀与三通一个入口连通；

高压气瓶依次通过第二截止阀、压力调节阀与缓冲罐的顶部连通；

缓冲罐的底部通过第三截止阀与三通的另一个入口连通；缓冲罐上安装气体压力传感器；所述缓冲罐内一半为气体，另一半为水，这种设计的目的是：缓冲罐内的水可以补偿燃气摇摆装置摇摆过程内腔容积的变化，缓冲罐内的气体可以缓冲摇摆过程内腔容积变化引起压力波动。

三通的出口通过第四截止阀与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通。

进一步地，缓冲罐的顶部还设有排气管道；所述排气管道上沿着气体流向依次安装第一安全阀和第五截止阀，第一安全阀用于缓冲罐过载排气，第五截止阀用于缓冲器紧急排空。

进一步地，内压加载装置还包括排放管道，所述排放管道与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通，排放管道上沿着气体流向依次安装第二安全阀和第六截止阀。第二安全阀用于待考核燃气摇摆装置过载排气，第六截止阀用于燃气摇摆装置紧急排空。进一步地，上述摇摆驱动装置的摇摆频率为0～5Hz，摇摆角度为0～±10°。

进一步地，上述试验系统还包括控制计算机，所述控制计算机分别与载荷传感器、安装在待考核燃气摇摆装置的十字承力叉上的角位移传感器连接，根据传感器信号控制轴向力加载装置、摇摆驱动装置工作，从而实现对轴向载荷、摇摆角度、摇摆频率的闭环控制。

本发明还提供了一种采用上述疲劳试验系统进行的燃气摇摆装置摇摆疲劳试验方法，包括以下步骤：

步骤1：装调阶段；

步骤1.1：将待考核燃气摇摆装置设置于所述安装区内，调整后，使燃气摇摆装置、两个轴向力加载装置处于竖直状态，两个摇摆驱动装置处于水平状态，燃气摇摆装置十字承力叉的摇摆中心点、以及两组轴向力加载装置与水平顶板铰接中心点处于同一水平线状态；

步骤1.2：将内压加载装置与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通，并对内压加载装置进行调试；

步骤2：加载阶段；

步骤2.1：通过轴向力加载装置逐级向待考核燃气摇摆装置施加轴向力，同时通过内压加载装置逐级向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管内施加内压载荷；

步骤2.2：判断待考核燃气摇摆装置的轴向力和内压载荷是否达到试验工况要求，若满足要求，则执行步骤3，否则继续执行步骤2.1：

步骤3：摇摆考核阶段；

摇摆驱动装置按照设定的摇摆角度、摇摆频率、摇摆次数开始驱动待考核燃气摇摆装置进行摆动；

步骤4：摇摆考核结果记录；

若摇摆考核过程中，疲劳试验系统中出现故障，记录此时的摆动次数，然后对疲劳试验系统进行修复，之后继续进行摇摆考核；

若摇摆考核过程中，待考核燃气摇摆装置出现故障，记录此时的摆动次数，考核试验结束；

若按照设置摇摆角度、摇摆频率、摇摆次数对待考核燃气摇摆装置考核结束后，疲劳试验系统以及待考核燃气摇摆装置均未发生故障，则认为待考核燃气摇摆装置符合要求。

进一步地，所述步骤1.2中内压加载装置调试的具体过程为：

步骤1.2.1：打开水泵、第一截止阀、第三截止阀、第五截止阀，关闭第四截止阀，水箱向缓冲罐内注入半罐水；

步骤1.2.2：关闭第三截止阀；打开水泵、第一截止阀、第四截止阀、第六截止阀，水箱向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管注满水。

本发明与现有技术相比,本发明的技术优势是：

1、本发明针对目前无法通过地面试验准确的验证燃气摇摆装置摇摆疲劳特性的现状，通过探索与研究，提供一种能够施加大量级轴向载荷，具备施加大量级内压载荷的适应燃烧喷射系统的燃气摇摆装置摇摆疲劳试验的试验装置；该装置利用地面试验的方式通过支撑架、悬梁、轴向力加载装置、摇摆驱动装置以及内压加载装置了模拟燃气摇摆装置的安装边界、轴向载荷、内压载荷以及摇摆工况，真实的模拟燃气摇摆装置的真实工作条件，验证燃气摇摆装置疲劳特性，具有环境模拟真实，可靠性高，系统结构简单等特点。

2、本发明采用水箱、高压气瓶、缓冲罐、三通、水泵、多个水管、多个截止阀以及多个安全阀构成了内压加载装置，内压加载装置的高压气瓶通过缓冲器向燃气摇摆装置内腔施加压力载荷，缓冲罐内1/2容腔为纯净水，1/2容腔为气体，缓冲罐能够补偿燃气摇摆装置摇摆过程内腔容积变化以及缓冲压力波动，通过该简单的结构设计满足了燃气摇摆装置在各种工况条件下的疲劳特性验证。

3、本发明在燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统中采用两个第一液压油缸通过悬梁向燃气摇摆装置同步施加轴向载荷，由于第一液压油缸上端为球绞结构，两个第一液压油缸球绞中心连线与燃气摇摆装置的摇摆轴共线，初始位置两个第一液压油缸竖直安装轴线与燃气摇摆装置竖直轴线之间的距离相等，则两个第一液压油缸向燃气摇摆装置施加轴向载荷的同时可以与燃气摇摆装置一起绕摇摆轴摆动；同时在两个第二液压油缸与悬梁连接位置为球绞结构，两个第二液压油缸与支撑架固定处也为球绞结构，球绞结构能够实现运动解耦，采用两个第二液压油缸同步驱动可以避免摆动过程中燃气摇摆装置扭动。

4、本发明中摇摆驱动装置的摇摆频率可在0～5Hz之间调节，摇摆角度可在0～±10°之间调节，因此能够适用于不同工况燃气摇摆装置摇摆疲劳试验。

5、本发明中轴向加载和摇摆驱动采用闭环反馈控制方式，能够更精确的实现载荷、摇摆角度、摇摆频率控制，同时设备成本低，容易实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为内压加载装置原理图。

附图标记如下：

1-支撑架、2-悬梁、3-轴向力加载装置、4-摇摆驱动装置、5-内压加载装置、6-水平顶板、7-竖直侧板、8-水平梁、9-竖直立柱、10-燃气摇摆装置、11-波纹承压管、12-十字承力叉、13第一液压油缸、14-载荷传感器、15-第二液压油缸、16-球铰、17-水箱、18-高压气瓶、19-缓冲罐、20-三通、21-水泵、22-排放管道、23-第一截止阀、24-气体压力传感器、25-第二截止阀、26-压力调节阀、27-第三截止阀、28-第四截止阀、29-排气管道、30-第一安全阀、31-第五截止阀、32-第二安全阀、33-第六截止阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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有没做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例提供一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统的具体结构，如图1-3所示，包括支撑架1、悬梁2、轴向力加载装置3、摇摆驱动装置4以及内压加载装置；支撑架1包括水平顶板6以及垂直固连于水平顶板6一侧的竖直侧板7；悬梁2包括水平梁8以及竖直立柱9；竖直立柱9一端固定安装于水平梁8中部，另一端与水平顶板6之间的区域安装待考核燃气摇摆装置10；

待考核燃气摇摆装置10内侧为波纹承压管11，外侧为十字承力叉12，其中，十字承力叉12的摇摆轴上安装角位移传感器；

轴向力加载装置3为两组，且分别位于待考核燃气摇摆装置10两侧，轴向力加载装置3的一端与水平顶板6铰接，另一端与水平梁8固连；本实施例中，轴向力加载装置3包括第一液压油缸13和载荷传感器14；第一液压油缸13的尾部缸体与所述水平顶板6铰接，第一液压油缸13的活塞杆头部通过载荷传感器14与水平梁固连。初始位置时，两个第一液压油缸13的轴线与待考核燃气摇摆装置10的轴线之间的距离相等，且两个第一液压油缸14的轴线与待考核燃气摇摆装置10的轴线在位于同一竖直平面内。

摇摆驱动装置4为两组，且分别位于所述待考核燃气摇摆装置10两侧，摇摆驱动装置4一端与竖直侧板7铰接，另一端与水平梁8铰接；本实施例中，摇摆驱动装置4为第二液压油缸15以及球铰16；所述第二液压油缸15的尾部缸体通过所述球铰16与所述竖直侧板7连接，第二液压油缸15的活塞杆头部通过球铰16与所述水平梁8铰接，初始位置两个第二液压油缸15的轴线与待考核燃气摇摆装置10的轴线之间的距离相等，且两个第二液压油缸15的轴线在同一水平面内。

如图3所示，内压加载装置包括水箱17、高压气瓶18、缓冲罐19、三通20、水泵21以及排放管道22；

水箱17依次通过水泵21、第一截止阀23与三通20一个入口连通；

高压气瓶18依次通过第二截止阀25、压力调节阀26与缓冲罐19的顶部连通；

缓冲罐19的底部通过第三截止阀27与三通20的另一个入口连通；缓冲罐19上安装气体压力传感器24；缓冲罐19内一半为气体，另一半为水，这种设计的目的是：缓冲罐内的水可以补偿燃气摇摆装置摇摆过程内腔容积的变化，缓冲罐内的气体可以缓冲摇摆过程内腔容积变化引起压力波动。

三通20的出口通过第四截止阀28与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管11连通。

缓冲罐19的顶部还设有排气管道29；排气管道29上沿着气体流向依次安装第一安全阀30和第五截止阀31，第一安全阀30用于缓冲罐过载排气，第五截止阀31用于缓冲器紧急排空。

排放管道22与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管11连通，排放管道22上沿着气体流向依次安装第二安全阀32和第六截止阀33。第二安全阀32用于待考核燃气摇摆装置过载排气，第六截止阀33用于燃气摇摆装置紧急排空。

工作时高压气瓶18向缓冲罐19施加气压，由于缓冲罐19和待考核燃气摇摆装置10为连通状态，则压力载荷施加到待考核燃气摇摆装置10内腔，待考核燃气摇摆装置10内部为波纹承压管11，其摆动过程中波纹承压管11收缩会引起内腔容积变化，缓冲罐19内腔的水可以补偿待考核燃气摇摆装置的波纹承压管11容积变化，待考核燃气摇摆装置的气腔可以缓冲容积变化引起的压力波动。

上述系统利用两个第一液压油缸13向悬梁2施加拉力载荷转化为待考核燃气摇摆装置的轴向压力载荷，并使两个第一液压油缸13、待考核燃气摇摆装置10、悬梁2在第二液压油缸15的驱动下一起摇摆，同时利用内压加载装置向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管11内施加压力载荷，实现了燃气摇摆装置摇摆疲劳测试，解决了既要施加大量级轴压载荷和内压载荷，又要进行摇摆的技术难题。

基于上述对摇摆疲劳试验系统结构的描述，现对采用该系统进行试验的具体方法进行详细的介绍：

步骤1：装调阶段；

步骤1.1：将待考核燃气摇摆装置设置于所述安装区内，调整后，使燃气摇摆装置、两个轴向力加载装置处于竖直状态（即两个第一液压油缸保持竖直状态），两个摇摆驱动装置处于水平状态（即两个第二液压油缸保持水平状态），燃气摇摆装置十字承力叉的摇摆中心点、以及两组轴向力加载装置与水平顶板铰接中心点处于同一水平线状态；

步骤1.2：将内压加载装置与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通，并对内压加载装置进行调试；

步骤1.2.1：打开水泵、第一截止阀、第三截止阀和第五截止阀，关闭第四截止阀，水箱向缓冲罐内注入半罐水；

步骤1.2.2：关闭第三截止阀；打开水泵、第一截止阀、第四截止阀、第二安全阀、第六截止阀，水箱向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管注满水。步骤2：加载阶段；

步骤2.1：通过轴向力加载装置逐级向待考核燃气摇摆装置施加轴向力，同时通过内压加载装置逐级向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管内施加内压载荷；

步骤2.2：判断待考核燃气摇摆装置的轴向力和内压载荷是否达到试验工况要求，若满足要求，则执行步骤3，否则继续执行步骤2.1：该步骤中，通过安装于第一液压杆上的载荷传感器14判断轴向力是否满足要求，通过安装于缓冲罐上的气体压力传感器24判断内压载荷是否满足要求；

步骤3：摇摆考核阶段；

摇摆驱动装置按照设定的摇摆角度、摇摆频率、摇摆次数开始驱动待考核燃气摇摆装置进行摆动；

步骤4：摇摆考核结果记录；

若摇摆考核过程中，疲劳试验系统中出现故障（即轴向力加载装置中的零部件或摇摆驱动装置中的零部件或内压加载装置中的零部件出现故障），记录此时的摆动次数，然后对疲劳试验系统进行修复，之后继续进行摇摆考核；

若摇摆考核过程中，待考核燃气摇摆装置出现故障，记录此时的摆动次数，考核试验结束；

若按照设置摇摆角度、摇摆频率、摇摆次数对待考核燃气摇摆装置考核结束后，疲劳试验系统以及待考核燃气摇摆装置均未发生故障，则认为待考核燃气摇摆装置符合要求。

Claims (7)

1.一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统，其特征在于：

包括支撑架、悬梁、轴向力加载装置、摇摆驱动装置以及内压加载装置；

支撑架包括水平顶板以及垂直固连于水平顶板一侧的竖直侧板；

悬梁包括水平梁以及竖直立柱；竖直立柱一端固定安装于水平梁中部，另一端与水平顶板之间的区域为待考核燃气摇摆装置的安装区；

轴向力加载装置为两组，且分别位于所述安装区两侧，轴向力加载装置的一端与水平顶板铰接，另一端与水平梁固连；所述轴向力加载装置包括第一液压油缸和载荷传感器；所述第一液压油缸的尾部缸体与所述水平顶板铰接，第一液压油缸的活塞杆头部通过载荷传感器与水平梁固连；

摇摆驱动装置为两组，且分别位于所述安装区两侧，摇摆驱动装置一端与竖直侧板铰接，另一端与水平梁固连；所述摇摆驱动装置为第二液压油缸以及球铰；所述第二液压油缸的尾部缸体通过所述球铰与所述竖直侧板连接，第二液压油缸的活塞杆头部通过球铰与所述水平梁铰接；

内压加载装置用于向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管内施加内压载荷，内压加载装置包括水箱、高压气瓶、缓冲罐、三通以及水泵；

水箱通过水泵、第一截止阀与三通一个入口连通；

高压气瓶依次通过第二截止阀、压力调节阀与缓冲罐的顶部连通；

缓冲罐的底部通过第三截止阀与三通的另一个入口连通；所述缓冲罐内一半为气体，另一半为水，缓冲罐上安装气体压力传感器；

三通的出口通过第四截止阀与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通。

2.根据权利要求1所述的燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统，其特征在于：

缓冲罐的顶部还设有排气管道；所述排气管道上沿着气体流向依次安装第一安全阀和第五截止阀，第一安全阀用于缓冲罐过载排气，第五截止阀用于缓冲器紧急排空。

3.根据权利要求2所述的燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统，其特征在于：

内压加载装置还包括排放管道，所述排放管道与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通，排放管道上沿着气体流向依次安装第二安全阀和第六截止阀。

4.根据权利要求3所述的燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统，其特征在于：所述摇摆驱动装置的摇摆频率为0～5Hz，摇摆角度为0～±10°。

5.根据权利要求3所述的燃气摇摆装置摇摆疲劳试验系统，其特征在于：还包括控制计算机，所述控制计算机分别与载荷传感器、安装在待考核燃气摇摆装置的十字承力叉上的角位移传感器连接，根据传感器信号控制轴向力加载装置、摇摆驱动装置工作，从而实现对轴向载荷、摇摆角度、摇摆频率的闭环控制。

6.一种燃气摇摆装置摇摆疲劳试验方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的疲劳试验系统，具体实现步骤如下：

步骤1：装调阶段；

步骤1.1：将待考核燃气摇摆装置设置于所述安装区内，调整后，使燃气摇摆装置、两个轴向力加载装置处于竖直状态，两个摇摆驱动装置处于水平状态，燃气摇摆装置十字承力叉的摇摆中心点、以及两组轴向力加载装置与水平顶板铰接中心点处于同一水平线状态；

步骤1.2：将内压加载装置与待考核燃气摇摆装置的波纹承压管连通，并对内压加载装置进行调试；

步骤2：加载阶段；

步骤2.1：通过轴向力加载装置逐级向待考核燃气摇摆装置施加轴向力，同时通过内压加载装置逐级向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管内施加内压载荷；

步骤2.2：判断待考核燃气摇摆装置的轴向力和内压载荷是否达到试验工况要求，若满足要求，则执行步骤3，否则继续执行步骤2.1：

步骤3：摇摆考核阶段；

摇摆驱动装置按照设定的摇摆角度、摇摆频率、摇摆次数开始驱动待考核燃气摇摆装置进行摆动；

步骤4：摇摆考核结果记录；

若摇摆考核过程中，疲劳试验系统中出现故障，记录此时的摆动次数，然后对疲劳试验系统进行修复，之后继续进行摇摆考核；

若摇摆考核过程中，待考核燃气摇摆装置出现故障，记录此时的摆动次数，考核试验结束；

若按照设置摇摆角度、摇摆频率、摇摆次数对待考核燃气摇摆装置考核结束后，疲劳试验系统以及待考核燃气摇摆装置均未发生故障，则认为待考核燃气摇摆装置符合要求。

7.根据权利要求6所述燃气摇摆装置摇摆疲劳试验方法，其特征在于，所述步骤1.2中内压加载装置调试的具体过程为：

步骤1.2.1：打开水泵、第一截止阀、第三截止阀和第五截止阀，关闭第四截止阀，水箱向缓冲罐内注入半罐水；

步骤1.2.2：关闭第三截止阀；打开水泵、第一截止阀、第四截止阀、第六截止阀，水箱向待考核燃气摇摆装置的波纹承压管注满水。

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