CN116952182B - 一种用于固体火箭发动机的内径测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于固体火箭发动机的内径测量装置及测量方法，装置包括：本体，具有空腔且限定有轴线，在本体的壁上开设有至少一个测量孔；至少一个探头，从所述测量孔中伸出；轴向‑径向位移转换器，呈锥形，且锥形表面与探头抵接；位移传感器，固定至本体并且一端与所述轴向‑径向位移转换器的底面抵接，用于测量所述轴向‑径向位移转换器的轴向移动量；预加载件，一端抵接与所述轴向‑径向位移转换器的底面，另一端固定至固定部分，用于为所述轴向‑径向位移转换器提供预加载力。通过测量探头挤压锥形的轴向‑径向位移转换器而转换为轴向‑径向位移转换器的轴向位置变化，从而实现对固体发动机药柱直径的长时间实时测量。

Description

一种用于固体火箭发动机的内径测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于计量技术领域，具体来说涉及一种用于固体火箭发动机的内径测量装置及测量方法。

背景技术

对于具有内腔特别是圆柱形内腔的零件来说，已经有多种技术和设备来测量其内腔尺寸。

例如，专利文献1公开了一种测量圆孔内径的测量仪，包括安装板、基座和刻度尺，所述安装板固定安装在基座上，所述刻度尺固定安装在安装板的一侧，还包括；测量机构，所述测量机构活动安装在安装板上，所述测量机构用于测量圆孔的内径，所述测量机构包括活动槽、螺纹杆、两根固定杆、活动板、第一测量杆和第二测量杆，所述活动槽开设在安装板上，所述活动板活动布置在活动槽中、并开设有贯穿螺纹孔，所述螺纹杆转动安装在活动槽中、并通过贯穿螺纹孔与活动板螺纹连接，两根所述固定杆间隔固定在活动槽中、并贯穿活动板，所述第一测量杆固定安装在活动板上，所述第二测量杆固定安装在安装板上、并间隔布置在第一测量杆的下方。

专利文献1：

授权公告号：CN 218723749 U，专利权人：唐山市市政工程环境卫生事务中心，分类号：G01B5/12，实用新型名称：一种测量圆孔内径的测量仪。

专利文献2提出了一种机械零部件开孔内径测量尺，包括：测量尺主体，为本开孔内径测量尺的主要测量部分，其内部可拆卸连接有透明板；测量表，其滑动连接在所述测量尺主体的表面，所述测量表的上下两端均安装有滑轨；防护盖，其滑动连接在所述测量表的表面一侧，所述防护盖的上下内壁两侧均安装有滑块；凹槽，其开设在所述测量尺主体的表面一侧，所述凹槽的内部两侧均开设有限位槽，且限位槽设置有两组；限位块，其安装在所述透明板的两端，所述限位块与所述限位槽相契合。

专利文献2：

授权公告号：CN 218884854 U，专利权人：无锡易高精密机械有限公司，分类号：G01B5/12，实用新型名称：一种机械零部件开孔内径测量尺。

专利文献3提出了一种法兰孔内径测量装置，包括工作台，所述工作台的内部转动连接有第一夹具机构，所述工作台的内部转动连接有第二夹具机构，所述工作台的内部固定安装有传动装置，所述工作台的顶部固定安装有升降装置，所述升降装置的前侧固定连接有测量装置，所述工作台的顶部活动连接有法兰。

专利文献3：

授权公告号：CN 218496039 U，专利权人：襄阳登烽机械有限公司，分类号：G01B11/12，实用新型名称：一种法兰孔内径测量装置。

专利文献4提出了一种挖掘机液压阀体圆孔内径测量装置，包括桌面，所述桌面的顶部固定连接有工作平台，所述工作平台顶部的左侧固定连接有支腿，所述支腿的右侧固定连接有显示屏，所述工作平台顶部的两侧均固定连接有支撑板，所述支撑板的顶部固定连接有连接板，所述连接板的左侧设置有传动机构，所述工作平台顶部的右侧固定连接有固定块，所述固定块内壁的底部固定连接有电机，所述电机的输出端贯穿至固定块的外部固定连接有固定板，所述固定板的正面设置有固定机构；所述传动机构包括马达，所述马达固定连接在连接板的左侧，所述马达的输出端贯穿至连接板的内部固定连接有螺纹杆，所述螺纹杆的表面螺纹连接有螺套，所述螺套的底部固定连接有固定套，所述固定套的底部贯穿至连接板的外部，所述固定套的内部固定连接有气缸，所述气缸的底部贯穿至固定套的外部固定连接有电动内径千分尺；所述固定机构包括旋转杆，所述旋转杆的背面贯穿至固定板的内部固定连接有斜齿轮一，所述斜齿轮一的背面设置有斜齿轮二，所述斜齿轮二与斜齿轮一啮合，所述斜齿轮二的内部固定连接有正反牙丝杆，所述正反牙丝杆的表面螺纹连接有传动板，所述传动板的顶部固定连接有滑套，所述滑套的顶部固定连接有传动杆，所述传动杆的顶部贯穿至固定板的外部固定连接有夹块。

专利文献4：

申请公布号：CN 114688940 A，申请人：中国计量大学，分类号：G01B5/12，发明名称：一种挖掘机液压阀体圆孔内径测量装置。

然而，上述的专利文献中所测量的对象都是刚体，其虽然在测量刚体的内孔径时能够解决相应的技术问题，但是并不适合于固体火箭发动机药柱的内腔直径的动态测量。固体推进剂是一种具有特定性能的含能复合材料，是导弹、空间飞行器的各类固体发动机的动力源，是固体火箭发动机的动力源用材料，在导弹和航天技术发展中起着重要的作用。固体推进剂是典型的粘弹性材料，其内径是温度的函数。之前采用包括内径千分尺在内的方式都是接触式测量，首先测量装置本身由于受到温度影响会产生精度误差，而由温度影响导致的误差包括:测量装置在恒温实验室恒温时间长短，室内温度恒定与否、测长机自身照明光源产生的热源、人体辐射热等。在测量过程中，这些因素会导致温度变化，使测量长度发生变化，对测量结果产生影响，且这些影响无法通过标定的方式排除。其次，在试验过程中，固体火箭发动机药柱的内腔直径会随着温度变化而变化，是一个动态值，而现有的设备无法实现这种动态测量。

发明内容

结合发明人在该领域的研究和实际经验，在此提出以下改进的技术方案。

一种用于固体火箭发动机的内径测量装置，包括：

本体，所述本体具有空腔且限定有轴线，在所述本体的壁上开设有至少一个测量孔；

至少一个探头，所述探头从所述测量孔中伸出；

轴向-径向位移转换器，所述轴向-径向位移转换器呈锥形，且所述轴向-径向位移转换器的锥形表面与所述探头抵接；

位移传感器，固定至所述本体，并且所述位移传感器的一端与所述轴向-径向位移转换器的底面抵接，用于测量所述轴向-径向位移转换器的轴向移动量；

预加载件，一端抵接与所述轴向-径向位移转换器的底面，另一端固定至固定部分，用于为所述轴向-径向位移转换器提供预加载力。

根据本发明的一个方案，所述预加载件是弹簧。

根据本发明的一个方案，所述探头的数量为2个、3个或4个，且在周向上均匀分布。

根据本发明的一个方案，还设置有操作部，所述操作部与所述轴向-径向位移转换器连接。

根据本发明的一个方案，在所述操作部上设置有用于使所述轴向-径向位移转换器沿着压缩所述预加载件的方向移动的部件。

根据本发明的一个方案，所述部件是绳子或杆。

根据本发明的一个方案，在所述本体的远离所述测量孔的另一端设置有连接部件，所述连接部件用于与待测量部件连接。

根据本发明的一个方案，所述连接部件包括与所述本体连接的套筒和与所述套筒连接的法兰部，所述法兰部用于与带测量部件连接。

根据本发明的一个方案，所述待测量部件是固体火箭发动机的药柱。

本发明还提出了一种用于使用根据上述的内径测量装置测量内径的方法，包括如下步骤：

将探头装入本体中；

组装轴向-径向位移转换器、预加载件以及位移传感器；

将位移传感器固定至本体，并使得预加载件处于压缩状态；

将探头送入需要测量的位置上；

校准后，开始监测固体火箭发动机内腔直径的变化。

本发明是专门面向固体火箭发动机领域而设计。由于固体火箭推进剂是含能材料，所以必须考虑安全性的问题，固体推进剂原材料热安定性较差，在常温常压下相对安定，但仍然会发生热分解反应，生成的热量可使固体推进剂温度升高，也可扩散到周围环境，当周围环境温度较高，反应放热速度大于散热速度，推进剂温度上升，反应进一步加剧，导致发生爆燃爆炸事故，所以激光测距等测试方法在推进剂上是行不通的，本发明采用机械式结构，使传感器与推进剂不接触，就可以测量直径，具有很高的安全性。

综合上述技术方案可知，本发明具有以下有益技术效果：

通过测量探头挤压锥形的轴向-径向位移转换器而转换为轴向-径向位移转换器的轴向位置变化，并传递给例如基于LVDT的高精度位移传感器，从而达到将固体火箭发动机药柱内径的径向变化转换为位移传感器的电压数据输出来实现，从而能够实现对固体发动机药柱直径的长时间实时测量。通过利用机械结构保证了内径测量探头始终紧密接触药柱内壁并实现轴向定位，保证测量结果的正确性和测量精度，解决了传统的人工测量方法在药柱内腔深处无法实现精准测量的问题。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1是本发明的用于固体火箭发动机的内径测量装置的示意图。

图2是本发明的轴向-径向位移转换器的示意图。

图3是本发明的自回缩式测量探头的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1是本发明的内径测量装置的示意图。从图1中可以看出，本发明的内径测量装置包括空心结构的管状的本体8，本体8因此具有轴线。在本体8的一端开设有孔，用于设置探头2。在本体8的内部设置有锥形的轴向-径向位移转换器3，轴向-径向位移转换器3的锥面可以与探头2接触，并且能够向探头2施加作用力，从而使两个探头2彼此远离直至与待测部件的内腔接触。

图2是本发明的轴向-径向位移转换器的示意图。从图2中可看出，轴向-径向位移转换器3具有锥形端和平面端。轴向-径向位移转换器3在平面端与位移传感器6接触。位移传感器6通过固定装置7固定在本体8内部。轴向-径向位移转换器3的平面端还与弹簧5的一端抵接，而弹簧5的另一端则抵接在固定部件上，例如抵接在固定装置7上。固定装置7可以采用环形板以及可拆卸固定件例如螺纹连接件等。

由此，可以将本体8伸入到待测部件的内腔中，轴向-径向位移转换器3受到弹簧5的作用力挤压探头2，而探头2同时受到待测部件内壁的作用力，同时轴向-径向位移转换器3的平面端还与位移传感器6连接。由此当探头2在待测部件内部移动时，会随着其内径的变化而移动，进而挤压轴向-径向位移转换器3的锥形端，轴向-径向位移转换器3又通过平面端抵接位移传感器6，由此位移传感器6能测量出轴向-径向位移转换器3的位移，通过该位移可以换算出探头2的移动距离，进而确定所测位置处的内径。

用r表示内腔的半径，△r表示半径的变化量，l表示轴向位移，△l表示轴向位移的变化量，那么有

其中α是测量锥的角度。通过改变角度α，可以得到不同的轴向位移和径向位移之比，通过设计不同比例的轴向-径向位移转换器，从而可以实现多种量程。在实际测量中，首先对内径测量装置进行标定，确定零点位置，然后就可以通过本体8的轴向移动来获得△l，而α是已知量，那么就可以求出△r，进而由基准值确定实际的半径。

图3是本发明的自回缩式测量探头的示意图。从图3中可以看出，探头采用自回缩式测量探头，由接触部21和弹簧22组成，初始状态弹簧22是压缩状态，这样既可以防止接触部21左右晃动卡住，又可以避免接触部21刮到药壁，所以探头可以随着固体火箭发动机内腔直径的变化而随之变化。接触部21的头部设置成圆弧面，以免损伤药壁。

探头的数量可以是一个或多个。理论上，只要一个探头就可以工作。当探头为多个时，例如为2个或3个或4个时，可以在周向上均匀分布，由此可以更快速地测出不均匀内壁的最小直径。

优选地，为了提高测量精度，位移传感器6可以采用LVDT（Linear VariableDifferential Transducer）位移传感器。

进一步地，本体8可以设置在连接部件上。例如，连接部件可以包括套筒9以及与套筒9能够连接的法兰盘10。套筒9上开有滑槽可以使本体8上的销子11在滑槽内自由移动，在法兰盘10上有与例如发动机壳体等待测部件所在结构相吻合的螺栓孔，通过螺栓将法兰盘和发动机连接在一起，实现对测量装置的固定。

在本体8上设置刻度并在尾部开两个对称的孔，插入销子11，从而使本体8可在滑槽内自由移动，由此可以精确控制和确定探头2的伸入深度。

作为本发明的一个优选实施方式，为了避免在伸入过程中探头2对待测部件内壁造成损伤，在轴向-径向位移转换器3上还设置有操作部4，在伸入过程中可通过例如绳子、拉杆等装置对操作部4进行操作，从而使轴向-径向位移转换器3压缩弹簧5，由此使得探头2缩回本体8，从而避免在伸入过程中探头2划伤内壁。

由上可知，本发明的内径测量装置特别适应于固体火箭发动机药柱内腔等具有内腔内直径存在变化的部件，通过测量探头挤压测量锥转换为测量锥的轴向位置变化，并传递给位移传感器，从而达到将内径的径向变化转换为位移传感器的位移测量。此外，当在温度变化导致固体发动机药柱内径改变时，能够实时测量出其新的内径，由此能够实现对内径的动态实时测量。

作为本发明的进一步改进，在内径测量装置的本体8的一个端部设置有封头1。通过设置封头1，可以使得内径测量装置可以测量隔板型发动机在立式贮存的状态下药柱的下沉量。具体来说，在使用时将封头1顶住发动机的药柱隔板，通过本体8上的刻度可以读取封头1的位置变化，由此确定药柱的下沉量。

在实际使用过程中，首先将探头2装入本体8中，优选地可以采用两个或更多个探头，并且可以使处于同一直径上的两个探头的距离为内腔的直径；随后，组装轴向-径向位移转换器3、弹簧5以及位移传感器6，并在操作部4上设置用于操作轴向-径向位移转换器3的部件例如绳子、拉杆等；然后将位移传感器6通过固定装置7固定至本体8，并使得弹簧5处于压缩状态；然后将本体8与套筒9和法兰盘10连接；最后将通过拉动绳子等来使轴向-径向位移转换器3回缩从而使内径探头2回缩，按照本体8上的刻度将探头2送入需要测量的位置上后，将法兰盘10发动机壳体固定连接，实现轴向定位。对内径测量装置进行校准后，即可开始监测固体火箭发动机内腔直径的变化。

由上可知，本发明能够实现对固体发动机药柱直径的长时间实时测量。这通过测量探头挤压锥形的轴向-径向位移转换器而转换为轴向-径向位移转换器的轴向位置变化，并传递给例如基于LVDT的高精度位移传感器，从而达到将固体火箭发动机药柱内径的径向变化转换为位移传感器的电压数据输出来实现。通过利用机械结构保证了内径测量探头始终紧密接触药柱内壁并实现轴向定位，保证测量结果的正确性和测量精度，解决了传统的人工测量方法在药柱内腔深处无法实现精准测量的问题。

上文描述的仅仅是有关本发明的精神和原理的示例性实施方式。本领域技术人员可以明白，在不背离所述精神和原理的前提下，可以对所描述的示例做出各种变化，这些变化及其各种等同方式均被本发明人所预想到，并落入由本发明的权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种使用用于固体火箭发动机药柱的内径测量装置测量内径的方法，所述内径测量装置包括：

本体，所述本体具有空腔且限定有轴线，在所述本体的壁上开设有至少一个测量孔；

多个探头，所述探头从所述测量孔中伸出，且所述探头均采用自回缩式测量探头，由接触部和弹簧组成，且所述多个探头在周向上均匀分布；

轴向-径向位移转换器，所述轴向-径向位移转换器呈锥形，且所述轴向-径向位移转换器的锥形表面与所述探头抵接；

位移传感器，固定至所述本体，并且所述位移传感器的一端与所述轴向-径向位移转换器的底面抵接，用于测量所述轴向-径向位移转换器的轴向移动量；

预加载件，一端抵接与所述轴向-径向位移转换器的底面，另一端固定至固定部分，用于为所述轴向-径向位移转换器提供预加载力；

操作部，所述操作部与所述轴向-径向位移转换器连接，在所述操作部上设置有用于使所述轴向-径向位移转换器沿着压缩所述预加载件的方向移动的部件，所述部件是绳子或杆；

封头，设置在所述本体的端部，所述封头用于与在立式贮存的状态下的隔板型发动机的药柱隔板抵接，从而测量药柱的下沉量；

在所述本体的远离所述测量孔的另一端设置有连接部件，所述连接部件用于与待测量部件连接，所述连接部件包括与所述本体连接的套筒和与所述套筒连接的法兰部，所述法兰部用于与带测量部件连接；

其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将探头装入本体中；

组装轴向-径向位移转换器、预加载件以及位移传感器；

在操作部上设置用于操作轴向-径向位移转换器的部件；

将位移传感器固定至本体，并使得预加载件处于压缩状态；

将本体与套筒和法兰盘连接；

通过拉动所述绳子或杆来使轴向-径向位移转换器回缩从而使探头回缩，按照本体上的刻度将探头送入需要测量的位置上后，将法兰盘与发动机壳体固定连接，实现轴向定位；

校准后，开始监测固体火箭发动机内腔直径的变化以及隔板型发动机的药柱的下沉量。