CN113465933B - 一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，包括用于安装发动机本体和喷管并使得发动机本体保持水平的安装机构、设置于发动机本体前端并用于增加发动机本体内压的加压组件以及用于对发动机本体施加外载的加力组件，所述喷管安装于发动机本体后端，所述发动机本体前端设置有用于测量内压值的压力传感器。本发明具有改善现有测试装置在外载较大时，测试装置、方法存在空缺，不便模拟火箭发动机真实受力情况，导致火箭发动机的真实受力可能超过发动机设计强度，火箭发动机运行过程中可能会出现因强度不足而解体的问题的效果。
Description
技术领域
本申请涉及固体火箭发动机压力试验装置技术领域，尤其涉及一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置。
背景技术
固体火箭发动机工作中一般承受内压和外载复合力作用，故而火箭发动机需要进行压力测试，以验证发动机强度满足设计要求，保证火箭发动机的安全可靠性。
通常，由于火箭发动机工作时的内压远大于外载，故本领域内一般采用内压静力测试方法单独对火箭发动机进行内压测试；部分承受外载较大的发动机，会单独进行外部载荷测试。对于外部载荷较小的发动机，这种测试方法可以满足设计要求。但对于外部载荷较大的发动机，这种测试方法并不能反映火箭发动机工作中的真实受力情况，而有效的测试方法尚存在空缺，这可能导致火箭发动机在实际的工作过程中出现强度不足而解体的风险，给发动机工作安全可靠性带来很大隐患，亟需解决。
发明内容
为了改善现有测试装置在外载较大时，测试装置、方法存在空缺，不便模拟火箭发动机真实受力情况，导致火箭发动机的真实受力可能超过发动机设计强度，火箭发动机运行过程中可能会出现因强度不足而解体的问题，本申请提供一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置。
本申请提供的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，采用如下的技术方案：
一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，包括用于安装发动机本体和喷管并使得发动机本体保持水平的安装机构、设置于发动机本体前端并用于增加发动机本体内压的加压组件以及用于对发动机本体施加外载的加力组件，所述喷管安装于发动机本体后端，所述发动机本体前端设置有用于测量内压值的压力传感器。
优选的，所述加压组件包括连通发动机本体前端的保压阀以及同时连通保压阀和水源的加压泵。
优选的，所述加力组件包括可拆卸连接于安装机构的推座、一端可拆卸连接于推座的万向轴、可拆卸连接于万向轴另一端的液压缸以及同时可拆卸连接于液压缸活塞杆杆端和喷管的喷管转接座。
优选的，所述液压缸的活塞杆和所述万向轴同中心轴线并垂直于万向轴与推座的结合面。
优选的，所述液压缸到推座的距离大于万向轴的最大长度。
优选的，所述推座通过螺栓可拆卸连接于安装机构，且所述推座的螺栓孔为条形孔；所述万向轴通过螺栓可拆卸连接于推座，且所述万向轴的螺栓孔为条形孔。
优选的，所述安装机构包括试验架、用于将发动机本体前端固定于试验架的前连接组件、连接于喷管的调节组件以及使得发动机本体保持水平的后连接组件。
优选的，所述前连接组件包括固定于发动机本体的前固定块、螺纹连接于前固定块的球头杆以及固定于试验架的安装块，所述安装块开设有供球头杆球形端水平插入的第一球形槽。
优选的，所述调节组件包括套设于喷管的抱箍、固定于试验架的连接座以及调节拉杆，所述调节拉杆包括两根外螺纹旋向相反的芯杆和一根两端螺纹旋向相反且分别螺纹连接于两根芯杆的套杆，两根所述芯杆分别转动连接于抱箍和连接座。
优选的，所述后连接组件包括固定于发动机本体的螺杆套、底端螺纹连接于螺杆套且顶端开设有第二球形槽的螺杆以及穿设于试验架且底端插设于第二球形槽的插杆，所述插杆插设于第二球形槽的一端设置有限位板，所述插杆的另一端螺纹连接有螺帽。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过设置试验架、球头杆、调节拉杆以及后连接组件实现发动机本体和喷管的安装，并利用前连接组件、调节组件以及后连接组件的共同作用实现发动机本体的水平；同时，通过设置加压组件，以为发动机本体提供内压；通过设置液压缸，对喷管施加外载，进而通过喷管对发动机本体施加外载工作时的外载，利用控制液压缸的液压站可以实现对推力的精确控制，达到设定压力可以实现稳压，确保压力施加过程的安全可靠性，从而便于同时进行固体火箭发动机内压外载复合测试，改善现有测试装置在外载较大时，测试装置、方法存在空缺，不便模拟火箭发动机真实受力情况，导致火箭发动机的真实受力可能超过发动机设计强度，火箭发动机运行过程中可能会出现因强度不足而解体的问题；
2.整个装置结构简单，拆装、操作维护方便，成本低，安全可靠性高，具有较高推广应用价值。
附图说明
图1是本申请的实施例的整体结构示意图；
图2是图1中A部的放大结构示意图，主要展示前连接组件；
图3是图1中B部的放大结构示意图，主要展示调节组件和后连接组件。
上述附图中：1、发动机本体；2、喷管；3、试验架；4、前连接组件；41、前固定块；42、球头杆；43、安装块；431、第一球形槽；5、调节组件；51、抱箍；52、连接座；53、调节拉杆；531、芯杆；532、套杆；6、后连接组件；61、螺杆套；62、螺杆；621、第二球形槽；63、插杆；631、限位板；64、垫片；7、加压组件；71、保压阀；72、加压泵；8、加力组件；81、推座；82、万向轴；83、液压缸；84、喷管转接座；9、压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
参照图1和图2，本申请实施例提出了一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，包括安装机构、加压组件7以及加力组件8；安装机构固定于地面，用于安装发动机本体1和设置于发动机本体1后端的喷管2，并使得发动机本体1保持水平；加压组件7连接于发动机本体1的前端，用于提供发动机本体1的内压；加力组件8设置于喷管2背离发动机本体1的一侧，用于对喷管2施加外载，以通过喷管2将外载传递给发动机本体1；通过设置加压组件7和加力组件8，同时模拟发动机本体1真实受力情况下所受内压和外载，改善现有测试装置在外载较大时，有效测试装置、方法存在空缺，不便模拟火箭发动机真实受力情况，导致火箭发动机的真实受力可能超过发动机设计强度，火箭发动机运行过程中可能会出现因强度不足而解体的问题。
在发动机本体1前端设置有压力传感器9，以便测量发动机本体1在进行试验时的内压值。在发动机本体1上设置有采集系统和监控系统，以便实时采集发动机本体1的应变数据和图像信息，以便记录试验的实时准确数据。测试时，可将监控系统的监控原件和采集系统的应变片设置于发动机本体1的应力、应变较大区域，应力较大区域通过有限元静力仿真计算所得。
参照图1至图3，安装机构包括试验架3、前连接组件4、调节组件5以及后连接组件6；试验架3固定于地面；前连接组件4设置于试验架3的前端，用于实现对发动机本体1前段的固定；调节组件5和后连接组件6均设置于试验架3的后端，且调节组件5连接于喷管2，以实现对发动机本体1后段的间接固定，并在后连接组件6的作用下保持发动机本体1的水平。
具体的，前连接组件4包括前固定块41、球头杆42以及安装块43；前固定块41固定于发动机本体1；球头杆42横向设置，其一端呈球状，另一端螺纹连接于前固定块41的顶端，且该端螺纹连接有螺帽，以实现球头杆42的可拆卸连接；安装块43固定于试验架3，并开设有水平朝向发动机本体1尾端开口的第一球形槽431，以便球头杆42的球形端插入，从而实现发动机本体1前段的固定。
调节组件5包括套设于喷管2的抱箍51、固定于试验架的连接座52以及同时转动连接于抱箍51和连接座52的调节拉杆53；调节拉杆53包括两根芯杆531和一根套杆532，芯杆531的一端呈“T”状并一体成型有外螺纹，且两根芯杆531的外螺纹旋向相反，两根芯杆531的另一端分别转动连接于抱箍51和连接座52，套杆532的两端分别成型有旋向相反的螺孔并分别螺纹连接于两根芯杆531的“T”状端，以通过转动套杆532，实现调节拉杆53的伸缩，从而实现发动机本体1后段在竖直方向高度的改变。
后连接组件6包括螺杆套61、螺杆62以及插杆63；螺杆套61固定于发动机本体1，且其螺纹孔向上开口；螺杆62的一端螺纹连接于螺杆套61，以通过螺纹连接的方式实现其在竖直方向上高度的变化，螺杆62的另一端呈“十”字状并开设有向上开口的第二球形槽621。插杆63穿设于试验架3，且插杆63底端呈半球状并插设于第二球形槽621内，插杆63的顶端螺纹连接有螺帽，以实现插杆63的固定；另，插杆63插设于第二球形槽621的一端一体成型有限位板631，以防止插杆63从下到上从试验架3穿出，从而实现插杆63插设于第二球形槽621后，对发动机本体1后段继续向上移动的限制作用；同时，通过插杆63插设于第二球形槽621的作用，形成反作用力，利用第二球形槽621的限制作用，实现发动机本体1在水平方向上的限制作用，从而在前连接组件4、调节组件5以及后连接组件6的共同作用下，保持发动机本体1的水平。
安装发动机本体1时，先将喷管2安装于发动机本体1，然后进行发动机本体1的安装。安装发动机本体1时，先通过球头杆42插入第一球形槽431的方式，实现发动机本体1前段的安装；然后将抱箍51套设于喷管2，并通过套杆532的方式，实现调节拉杆53的缩短，使得发动机本体1的后段在竖直方向上向上移动；同时，将插杆63穿设于试验架3，并利用螺帽实现插杆63的预固定，直至插杆63插入第二球形槽621内，拧紧螺帽即可。在将插杆63插入第二球形槽621内时，可通过旋转螺杆62的方式，调整螺杆62的高度，实现插杆63的插入，从而实现发动机本体1的水平安装。
其中，试验架3供插杆63穿插的孔为条形孔，以便调整插杆63的位置，便于插杆63插入第二球形槽621；且在试验架3的两侧，在插杆63上均套设有垫片64，以便调整插杆63底端伸出试验架3的长度。
参照图1和图3，加压组件7包括保压阀71和加压泵72；保压阀71通过管道连通发动机本体1前端和加压泵72，加压泵72连通水源；使用时，先预设试验压力，然后通过加压泵72将水导入发动机本体1内，为发动机本体1提供内压，将发动机本体1充满后，关闭加压泵72，并通过保压阀71进行保压，使系统压力稳定，在达到设定的保压时间时通过保压阀71泄压，从而完成一次加压工作。
加力组件8包括推座81、万向轴82、液压缸83以及喷管转接座84；推座81通过螺栓可拆卸连接于试验架3，且推座81的螺栓孔为条形孔，以便微调推座81螺纹连接于试验架3的位置；推座81位于喷管2背离发动机本体1的一侧，且其朝向发动机本体1的一侧为斜面。万向轴82的底座通过螺栓可拆卸连接于推座81的斜面，且万向轴82的底座螺纹连接于推座81的螺栓孔为条形孔，以便微调万向轴82螺纹连接于推座81的位置；当万向轴82伸直时，其垂直于与推座81的结合面。液压缸83的缸体通过螺栓可拆卸于万向轴82的另一端，其活塞杆的中心轴线与万向轴82同直线，以便通过推座81、万向轴82对液压缸83形成正向支撑。喷管转接座84的中心位置通过螺栓可拆卸连接于液压缸83的活塞杆杆端，其端部通过螺栓可拆卸连接于喷管2，且活塞杆的中心轴线与喷管2同中心轴线，以形成液压缸83对喷管2的正压力。图中，为适应试验架3的形状，便于安装推座81，并保证液压缸83通过喷管转接座84对喷管2形成正压力，在将喷管2安装于发动机本体1时，使得喷管2的轴心线和发动机本体1的轴心线形成朝向地面开口的钝角，故该钝角为预先设定好的值。
安装加力组件8时，先将喷管转接座84通过螺栓固定于液压缸83的活塞杆端；然后将喷管转接座84通过螺栓固定于喷管2；之后，将推座81通过螺栓预紧于试验架3，再用万向轴82将液压缸83与推座81连接在一起，并拧紧推座81连接于试验架3和万向轴82的螺栓即可。通过设置液压缸83，利用控制液压缸83的液压站可以实现对推力的精确控制，达到设定压力可以实现稳压，压力过大有泄压和报警保护功能，确保压力施加过程的安全可靠性。
其中，液压缸83到推座81的距离大于万向轴82的最大长度，使得万向轴82与液压缸83之间形成安装间隙，以便将万向轴82放置于推座81和液压缸83之间，便于组装。
本发明关于一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置的组装方式为：先将喷管2固定于发动机本体1上，并将发动机本体1安装在试验架3上，发动机本体1前段通过前连接组件4实现安装，后段通过调节组件5和后连接组件6实现安装，通过前连接组件4、调节组件5以及后连接组件6的共同作用，使得发动机本体1水平安装在试验架3上；此时发动机本体1与试验架3完全约束，由于各接口均与发动机实际装机时接口一致，可以模拟发动机本体1真实工作时的约束状态。再将喷管2与液压缸83通过喷管转接座84连接在一起；然后将推座81预紧于试验架3上，并用万向轴82将液压缸83与推座81连接在一起，万向轴82和液压缸83之间留有安装间隙，方便组装；由于万向轴82与推座81连接螺孔为长条孔，可沿着斜面有一定调节量；推座81与试验架3连接螺栓为长条孔，可沿左右有一定调节量；万向轴82可上下左右调节角度，因此通过调节可使液压缸83、万向轴82在一条直线上，并与推座81结合面垂直，此时推力方向与水平面的夹角与产品设计一致，可以模拟发动机工作时推力方向。最后打开保压阀71，通过加压泵72将水注满发动机本体1，通过压力传感器9测定压力达到设定值时，利用保压阀71进行保压，模拟发动工作时的内压；通过，通过液压缸83进行推力的调节，达到设定的推力，并保持，模拟发动工作时的外载，进行试验，采集系统负责采集壳体的应变数据，监视系统负责采集图像信息。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：包括用于安装发动机本体(1)和喷管(2)并使得发动机本体(1)保持水平的安装机构、设置于发动机本体(1)前端并用于增加发动机本体(1)内压的加压组件(7)以及用于对发动机本体(1)施加外载的加力组件(8)，所述喷管(2)安装于发动机本体(1)后端，所述发动机本体(1)前端设置有用于测量内压值的压力传感器(9)；
所述安装机构包括试验架(3)、用于将发动机本体(1)前端固定于试验架(3)的前连接组件(4)、连接于喷管(2)的调节组件(5)以及使得发动机本体(1)保持水平的后连接组件(6)；
所述调节组件(5)包括套设于喷管(2)的抱箍(51)、固定于试验架(3)的连接座(52)以及调节拉杆(53)，所述调节拉杆(53)包括两根外螺纹旋向相反的芯杆(531)和一根两端螺纹旋向相反且分别螺纹连接于两根芯杆(531)的套杆(532)，两根所述芯杆(531)分别转动连接于抱箍(51)和连接座(52)。
2.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述加压组件(7)包括连通发动机本体(1)前端的保压阀(71)以及同时连通保压阀(71)和水源的加压泵(72)。
3.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述加力组件(8)包括可拆卸连接于安装机构的推座(81)、一端可拆卸连接于推座(81)的万向轴(82)、可拆卸连接于万向轴(82)另一端的液压缸(83)以及同时可拆卸连接于液压缸(83)活塞杆杆端和喷管(2)的喷管转接座(84)。
4.根据权利要求3所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述液压缸(83)的活塞杆和所述万向轴(82)同中心轴线并垂直于万向轴(82)与推座(81)的结合面。
5.根据权利要求4所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述液压缸(83)到推座(81)的距离大于万向轴(82)的最大长度。
6.根据权利要求4所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述推座(81)通过螺栓可拆卸连接于安装机构，且所述推座(81)的螺栓孔为条形孔；所述万向轴(82)通过螺栓可拆卸连接于推座(81)，且所述万向轴(82)的螺栓孔为条形孔。
7.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述前连接组件(4)包括固定于发动机本体(1)的前固定块(41)、螺纹连接于前固定块(41)的球头杆(42)以及固定于试验架(3)的安装块(43)，所述安装块(43)开设有供球头杆(42)球形端水平插入的第一球形槽(431)。
8.根据权利要求1所述的一种固体火箭发动机内压外载复合静力测试装置，其特征在于：所述后连接组件(6)包括固定于发动机本体(1)的螺杆套(61)、底端螺纹连接于螺杆套(61)且顶端开设有第二球形槽(621)的螺杆(62)以及穿设于试验架(3)且底端插设于第二球形槽(621)的插杆(63)，所述插杆(63)插设于第二球形槽(621)的一端设置有限位板(631)，所述插杆(63)的另一端螺纹连接有螺帽。
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