CN209623934U - 具有压力p-位移特性的活门真空膜盒 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种具有压力P‑位移W特性的活门真空膜盒，旨在提供一种结构强度、可靠性高的活门真空膜盒。本实用新型通过下述技术方案予以实现：具有刚性中心的中心盲孔筒体一端伸入波纹内腔，另一端通过下端盖与支座的筒体构成一体；各片波纹膜片相邻平面之间留有足够保护的间隔空间的下凹平面结构，并以至少两个同心圆的波纹围绕下凹平面圆盘形成连续的至少两个波纹；至少三层重叠的上膜片位于所述中心盲孔筒体的上端，顶端的上膜片采用电子束焊焊接连接于上端盖圆周边沿；下膜片围绕所述中心盲孔筒体柱体同心层叠，与电子束焊焊接连接，底端上的下膜片沿下端盖圆周边电子束焊封口，通过抽真空后获得真空膜盒密封内腔，成为活门真空膜盒。

Description

具有压力P-位移特性的活门真空膜盒

技术领域

本实用新型涉及一种应用于飞行器发动机调节器的活门真空膜盒，特别是应用焊接波纹管实现内部具体结构具有一定特征的真空膜盒和高空活门真空膜盒压力P-位移W特性的方法。

背景技术

燃油流量调节器是发动机自动控制的核心部件，同时也是故障高发区。航空发动机燃油流量调节器在膜盒老化和变计量油孔磨损、堵塞的故障模式下的供油量。计算表明：对于燃油流量调节堵塞的影响十分显著。膜盒作为测量压力或压差时，需要的输出参数是位移W。利用经验公式计算膜盒组件中自由端的输出位移为W=(n1c1+n2c2)(Fp-2+c3n1c1)（24）式中：n1、n2分别为开口膜盒和真空膜盒的个数；c1、c2分别为开口膜盒和真空膜盒的特性系数；c3为经验系数；Fp为膜盒绝对压缩量相关量Fp=P3f-P22.5n1c1n1c1+n2c2。燃油流量调节器中的膜盒组件在长期使用后容易老化，直接影响薄膜的压缩性，即使膜盒的系数c1、c2变大。膜盒老化后在相同工作环境下，燃油流量调节器的供油量会比正常情况下的偏多。膜盒老化对燃油流量调节器的供油特性影响不大；而变计量油孔的磨损、堵塞则对其特性的影响十分显著。如果燃油流量调节器中的变计量油孔磨损，就会造成其面积增大；如果变计量油孔发生堵塞，则其面积减小。当膜片的两面受到不同的压力或力的作用时，膜片向压力低的一面应变移动，使其中心产生与压力差成一定关系的位移。波纹管它是具有多个横向波纹的圆柱形薄壁折皱的壳体，波纹管具有弹性，在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下能产生位移。研制与生产满足特定要求的真空膜盒是一项复杂的任务。若要求膜盒位移与被测压力呈线性关系，一般是较易达到，而在20km～30km高度时，要求位移与所测量的大气高度呈线性关系就不容易了。膜盒位移W与测量大气高度H基本呈线性关系，当P﹣H从760mmHg均匀减小时，其位移急剧增加，呈现强烈的渐增特性，使这种膜盒的试制十分困难。由于波纹膜片参数很多，又相互制约，所以使得它的设计很复杂，波纹膜片的参数主要指两方面，一是膜片参数，二是型面参数膜片参数主要有膜片材料，膜片厚度和膜片工作直径等型面参数是指与膜片波纹形状有关的参数，主要有波纹深度、波纹形状、边缘波纹、型面锥度、波纹倾角、波距等等，波纹膜片型面有时为了调节膜片的特性，将膜片的型面做成一定的锥度或者球面度。在设计高度表的真空膜盒时，经常利用型面锥度来提高在真空时膜盒的灵敏度。锥型和球型膜片参数很多，特别是大挠度非线性微分方程组，在数学上求解极其困难，以往的理论计算可以分为两类：一类是采用壳体或者扁壳的大挠度，或者小挠度方程来求解。另一类是将波纹壳或者波纹圆板看成是结构上的正交各向异性壳或者正交各向异性圆平板，采用正交各向异性壳或者正交各向异性圆平板的大挠度或者小挠度)方程来进行研究。对于波纹圆板，它得到的特征缺少中心挠度的偶次项，因而不能反映载荷反向时波纹壳(圆板)不同的刚度特征,而当波纹数较少及挠度较大时，这种差别可以是显著的，不能用于研究波纹壳(圆板)的应力分布和局部失稳现象，只能解决分段均匀的波纹壳(圆板)问题，即每个波的波纹深度、波纹形状必须一致，而不能解决带有边缘波纹、波纹深浅不同的波纹壳问题。由于壳体大挠度方程本身的非线性和复杂性，增加了求解难度。

目前，用于飞行器、发动机燃油流量调节器中使用的高空活门真空膜盒，采用了以成型波纹管作为弹性敏感元件。由于成型波纹管在大的压力载荷下易产生塑性变形和轴向失稳，同时，相同的内外径尺寸、厚度条件下，成型波纹管集中力刚度K₁小，为此，成型波纹管高空活门真空膜盒需要在结构中采用增加弹性元件弹簧的设计，通过成型波纹管集中力刚度K₁和增加的弹簧刚度K₂叠加，得到成型波纹管高空活门真空膜盒集中力刚度K_f，K_f=K₁＋K₂，最终实现高空活门真空膜盒要求的压力P-位移W特性。这种通过多个弹性敏感元件的性能叠加获得真空膜盒的性能方式，增加了制造环节误差的影响和性能调试的困难。成型波纹管真空膜盒要求高的压力P-位移W特性，要求成型波纹管真空膜盒集中力刚度K_f小，由于弹簧刚度K₂分配了真空膜盒的部分集中力刚度，留给成型波纹管的集中力刚度K₁更小，成型波纹管需要制作大的波深比，大波深比成型波纹管在弹性敏感元件材料厚度尺寸小的情况下制造困难。

现有技术中，现有成型波纹管高空活门真空膜盒采用了由铜导管抽真空的结构形式。铜导管一端锡焊固定在膜盒支座上，与成型波纹管高空活门真空膜盒内腔相通，在铜导管另一端抽真空至要求值，锡焊密封导管端口。由于焊锡的熔点温度低，成型波纹管高空活门真空膜盒结构允许的使用环境温度低，同时，焊锡的强度低，造成成型波纹管高空活门真空膜盒的结构强度较低。现有成型波纹管高空活门真空膜盒结构的零件数量多，可靠性较低。

现有技术采用的成型波纹管高空活门真空膜盒，集中力刚度K_f=K₁＋K₂，需要通过成型波纹管集中力刚度K₁和弹簧刚度K₂进行叠加、协调。并且由于增加了弹簧刚度K₂误差的影响，调试成型波纹管高空活门真空膜盒压力P-位移W特性更困难。

焊接波纹管作为弹性敏感元件一般应用集中力刚度进行设计计算，而焊接波纹管真空膜盒要求的压力P-位移W特性，直接反映的是焊接波纹管真空膜盒均布力刚度K`_P关系。现行设计焊接波纹管真空膜盒要求的压力P-位移W特性，采用经验方法，即比照已有压力P-位移W特性的真空膜盒尺寸和结构，调整尺寸规格接近的焊接波纹管参数，通过做出焊接波纹管真空膜盒试验获得的性能，修正之前的焊接波纹管参数反复试验，缺乏将活门真空膜盒要求的压力P-位移W特性，转化为焊接波纹管能直接测量的集中力刚度K_f进行设计的理论计算方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，减小高空中活门真空膜盒实现压力P-位移W特性的困难，特别是在弹性敏感元件材料厚度尺寸小的条件下，提供一种采用单一弹性敏感元件，能够满足高空中活门真空膜盒压力P-位移W特性的要求，结构强度、可靠性高，适用于更高的高环境工作温度的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒。

本实用新型实现上述目的技术解决方案：一种具有压力P-位移特性的活门真空膜盒，包括：固联在上端盖2与下端盖7之间焊接波纹管5，其特征在于，具有刚性中心的中心盲孔筒体8一端伸入波纹内腔，另一端通过下端盖7与支座9的筒体构成一体；各片波纹膜片相邻平面之间留有足够保护的间隔空间的下凹平面结构，并以至少两个同心圆的波纹围绕下凹平面圆盘形成连续的至少两个波纹：至少三层重叠的上膜片4位于所述中心盲孔筒体8的上端，顶端的上膜片4采用电子束焊焊接连接于上端盖2圆周边沿；下膜片6围绕所述中心盲孔筒体8柱体同心层叠，与电子束焊焊接连接，底端上的下膜片6沿下端盖7圆周边电子束焊封口，通过上端盖2上的凸台通孔1抽真空后获得真空膜盒密封内腔，成为单一的弹性敏感元件的活门真空膜盒。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果。

本实用新型采用单一的焊接波纹管做弹性敏感元件的高空活门真空膜盒，比现有使用成型波纹管加弹簧做弹性敏感元件的高空活门真空膜盒，降低了实现高空活门真空膜盒要求高的压力P-位移W特性的难度。同时，避免高的压力P-位移W特性要求时弹性敏感元件材料厚度尺寸小，大波深比的成型波纹管存在不能制造的风险。

本实用新型采用单一的弹性敏感元件焊接波纹管的活门真空膜盒，不同于现有技术成型波纹管高空活门真空膜盒集中力刚度K_f=K₁＋K₂，需要通过成型波纹管集中力刚度K₁和弹簧刚度K₂进行叠加、协调才能实现压力P-位移W特性。本实用新型仅需调整焊接波纹管自身集中力刚度K_f，就能直接实现活门真空膜盒要求的压力P-位移W特性。克服了现有技术由于增加了弹簧刚度K₂误差的影响，调试成型波纹管高空活门真空膜盒压力P-位移W特性更困难的缺陷。

本实用新型采用包括焊接波纹管5和上端盖2、支座9，焊接连接后,通过上端盖2凸台通孔1抽真空封焊成为焊接波纹管的高空活门真空膜盒。作为弹性敏感元件组件的高空活门真空膜盒，感受高度改变时的压差△P变化，焊接波纹管产生弹性变形，带动上端盖2的位移增量△W增大或减小，仅需调整单一的弹性敏感元件焊接波纹管集中力刚度K_f，可获得高空活门真空膜盒需要的压力P-位移W特性。

本实用新型在要求弹性敏感元件材料厚度尺寸小，焊接波纹管仍能做出较大的波深比，可实现高空活门真空膜盒高的压力P-位移W特性。这种采用焊接结构和膜片自身具有波纹型面结构的焊接波纹管，在大的压力载荷下比现有技术成型波纹管更能抵抗塑性变形和轴向失稳，避免因此出现的压力P-位移W特性改变。

本实用新型实现高的压力P-位移W特性的高空活门真空膜盒，弹性敏感元件材料厚度尺寸小，波纹管具有较大的波深比，这是由于焊接波纹管各道波纹的波深是通过相邻两件波片的内外圆焊接连接形成的，获得大的波深比，工艺容易实现，相比于现有技术成型波纹管，大波深比的成型波纹管制造困难，甚至不能加工容易的多。

本实用新型在结构上，采用上膜片4与上端盖2电子束焊焊接连接，下膜片6与支座9电子束焊焊接连接为焊接波纹管膜盒，通过上端盖2中心设计凸台φ0.4～φ0.5通孔1，抽真空后电子束焊焊封口，获得真空膜盒密封内腔，取消了现有技术成型波纹管结构中锡焊铜导管的结构和使用导管锡焊封口。在同一零件结构上实现真空膜盒抽真空和密封的功能，减少活门真空膜盒结构中的零件数量，结构连接处减少，可靠性提高。这种采用电子束焊连接强度高，焊接结构允许的使用工作环境温度提高。而且上端盖2凸台φ0.4～φ0.5通孔1由电子束焊对同种不锈钢材料封口焊接，焊接强度、密封性高于成型波纹管铜导管的铜、锡焊接连接。

本实用新型提出的活门真空膜盒压力P-位移W特性理论设计计算方法。活门真空膜盒要求的压力P-位移W特性，由公式K`<sub>P</sub>=P/W，确定焊接波纹管真空膜盒的均布力刚度K`_P，通过初步给定参数和查等圆弧型波纹管f₀，曲线图图4进行试算，获得可测量的焊接波纹管集中力刚度K_f。在活门真空膜盒设计阶段，实现了通过理论计算，预判设计的活门真空膜盒满足压力P-位移W特性可行性，避免了设计的焊接波纹管最终不能满足活门真空膜盒压力P-位移W特性要求的风险，减少了现行活门真空膜盒实现压力P-位移W特性需通过大量反复的试验和修正工作，缩短了研制周期。

通过抽真空可直接获得真空膜盒要求的真空密封内腔。活门真空膜盒结构采用自身材料焊接封口，结构全部采用电子束焊，设计凸台φ0.4～φ0.5通孔1结构。取消了现有成型波纹管高空活门真空膜盒结构中锡焊铜导管的结构和使用铜导管锡焊封口。电子束焊焊接结构的连接强度和密封性远高于现有锡焊结构的连接强度和密封性，减少了结构的零件数量，提高了结构的可靠性。采用3J1精密合金材料的焊接波纹管膜片工作温度250℃，现有锡焊导管结构焊锡熔点温度183℃，活门真空膜盒材料和结构允许使用的工作环境温度比现有结构更高。支座9中心新设计中心盲孔筒体结构8，承受过载压力时，为各道波纹的膜片之间留足间隔空间，避免波纹管各波在过载压力作用下产生塑性变形或破坏；上端盖2与支座9新设计的下凹平面结构，避免型面波纹在过载压力时被无凹面的平面结构的保护直接作用，产生塑性变形或破坏。

附图说明

图1是本实用新型具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒结构剖视图。

图2是图1实现压力P-位移W特性的原理示意图。

图3是图1波片的构造示意图。

图4是等圆弧型焊接波纹管f₀，曲线图。

图中：1凸台通孔，2上端盖，3下凹平面盖沿，4上膜片，5焊接波纹管，6下膜片，7下端盖，8中心盲孔筒体，9支座。

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，包括：固联在上端盖2与下端盖7之间的焊接波纹管5，焊接波纹管5由上膜片外缘和上端盖2外缘采用电子束焊焊接连接；下膜片6外缘和下端盖7外缘采用电子束焊焊接连接，通过上端盖2中心凸台φ0.4～φ0.5通孔1抽真空后电子束焊焊封口，获得真空膜盒要求的真空密封内腔。具有刚性中心的中心盲孔筒体8一端伸入波纹内腔，另一端通过下端盖7与支座9的筒体构成一体；各片波纹膜片相邻平面之间留有足够保护的间隔空间的下凹平面结构，并以至少两个同心圆的波纹围绕下凹平面圆盘形成连续的至少两个波纹；至少三层重叠的上膜片4位于所述中心盲孔筒体8的上端，顶端的上膜片4采用电子束焊焊接连接于上端盖2圆周边沿；下膜片6围绕所述中心盲孔筒体8柱体同心层叠，与上膜片4电子束焊焊接连接，底端上的下膜片6沿下端盖7圆周边沿电子束焊封口，通过上端盖2上的凸台通孔1抽真空后获得真空膜盒密封内腔，成为单一的弹性敏感元件的活门真空膜盒。

活门真空膜盒感受高度改变时的压差△P变化，焊接波纹管产生弹性变形，带动上端盖2的位移增量△W增大或减小，调整单一的弹性敏感元件焊接波纹管的集中力刚度K_f，可获得高空中活门真空膜盒需要的压力P-位移W特性。

活门真空膜盒上端盖2中心凸台通孔1采用φ0.4～φ0.5通孔的凸台结构，可不增加零件直接满足真空膜盒抽真空的要求。为避免波片型面波纹在过载压力时被无凹面的平面直接作用，产生塑性变形或破坏，上端盖2与上膜片4相接平面为过载保护膜片波纹型面的下凹平面盖沿3，在上膜片4承受过载压力时，为膜片型面波纹在上端盖2下凹平面结构内留足保护空间。

上膜片4和下膜片6可以采用弹性模量低，弹性屈服强度高的3J1精密合金材料。3J1材料焊接波纹管在交变载荷作用下不易失弹和产生塑性变形。

参阅图2～图4。在以下描述的实施例中，上膜片4和下膜片6厚度h、波高H，膜片外圆半径R、膜片内孔半径r，通过电子束焊焊接连接膜片内径ΦC、外径ΦB，成为具有n个波数的焊接波纹管。

设计活门真空膜盒要求的压力P-位移W特性，由线性弹性敏感元件刚度取决于载荷与扰度的比值是个常数，线性弹性敏感元件均布力刚度K`<sub>P</sub>=P/W，以单一焊接波纹管作为弹性敏感元件，确定波纹膜片材料及弹性模量E，依据真空膜盒需要满足配合的外部尺寸，设计给出膜片外圆半径R、膜片内孔半径r，初步给出并试算膜片厚度h、波数取值n、波高取值H，由k=R/r确定波深系数k，由k<sub>1</sub>=H/h确定波高系数k<sub>1</sub>，查等圆弧型波纹管f<sub>0</sub>，曲线图4，获得无量纲刚度、无量纲有效面积f<sub>0</sub>，由A<sub>0</sub>=f<sub>0</sub>πR<sup>2</sup>计算新设计的焊接波纹管真空膜盒有效面积A<sub>0</sub>，由K<sub>f</sub>=πEh<sup>3</sup>/nR<sup>2</sup>计算新设计的焊接波纹管集中力刚度K<sub>f</sub>；将真空膜盒要求的压力P-位移W特性转化为真空膜盒的均布力刚度K`_P，将A₀和设计要求焊接波纹管真空膜盒均布力刚度K`<sub>P</sub>代入K`_f=A₀K`<sub>P</sub>，得到设计要求焊接波纹管集中力刚度K`_f，与焊接波纹管集中力刚度K_f比较，由K`_f与K_f是否相等或相近，验算焊接波纹管真空膜盒的设计是否满足活门真空膜盒的压力P-位移W特性要求，否则根据新设计的焊接波纹管真空膜盒集中力刚度K_f差异大小，调整膜片厚度h、波数n、波高H的取值，重新设计计算。

在可选的实施例中，采用焊接波纹管做弹性敏感元件的高空活门真空膜盒，压力P-位移W特性的理论设计计算。例如某飞行器的高空中的活门真空膜盒要求在绝对压力P：1.01 MPa～0.31 MPa时的位移值应为W：4.5±0.72mm，最大外径不大于：Ф28.5mm。采用焊接波纹管做弹性敏感元件设计活门真空膜盒，满足高空活门真空膜盒的压力P-位移W特性。

本例真空膜盒均布压力测量范围：P=0.07MPa，测量压力范围位移：W=4.5mm，均布力刚度：K`_P=P/W=0.016MPa/mm，用于高空环境的气体介质温度：-55℃～+180℃。

膜片选择圆弧型波形，圆弧型波形具有良好的耐压及力学性能，满足环境、介质温度和良好弹性，膜片选择3J1材料，弹性模量E：E=1.95×10⁵MPa。

本例真空膜盒需要满足配合的外形尺寸要求，确定膜片外圆半径R：R=14mm，膜片内孔半径r：r=7.7mm，初步给出并通过试算满足压力P-位移W特性的膜片厚度h、波数n、波高H，膜片厚度h取值：0.103mm，波数n取值：14，避免型面应力集中和型面扭曲，波高H取值：0.3mm，计算波深系数k：k=R/r=1.818，计算波高系数k₁：k₁=H/h=2.913，查等圆弧型波纹管f₀，曲线图，无量纲刚度=25，无量纲有效面积：f₀=0.61，焊接波纹管真空膜盒有效面积：A₀=f₀πR²=375.4mm²，焊接波纹管真空膜盒集中力刚度：K_f=πEh³/nR²=6.1N/mm；同理，波数n取值15，焊接波纹管真空膜盒集中力刚度：K_f=5.693N/mm。用特性设计计算得到的焊接波纹管真空膜盒有效面积A₀代入本例要求真空膜盒均布力刚度K`<sub>P</sub>，验算真空膜盒特性设计：K`_f=A₀K`<sub>P</sub>，代入本例要求真空膜盒均布力刚度：K`_P=0.016MPa/mm，本例要求真空膜盒集中力刚度：K`<sub>f</sub>=A<sub>0</sub>K`_P=6.006N/mm，验算结果：设计的波数n：14和波数n：15活门真空膜盒集中力刚度K_f范围：6.1N/mm～5.693N/mm，与本例要求真空膜盒集中力刚度K`_f：6.006N/mm接近，取最接近的波数n：14。上述设计可实现真空膜盒压力P-位移W特性要求。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，根据本本实用新型的技术方案加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，包括：固联在上端盖（2）与下端盖（7）之间焊接波纹管（5），其特征在于，具有刚性中心的中心盲孔筒体（8）一端伸入波纹内腔，另一端通过下端盖（7）与支座（9）的筒体构成一体；各片波纹膜片相邻平面之间留有足够保护的间隔空间的下凹平面结构，并以至少两个同心圆的波纹围绕下凹平面圆盘形成连续的至少两个波纹；至少三层重叠的上膜片（4）位于所述中心盲孔筒体（8）的上端，位于顶端的上膜片（4）采用电子束焊焊接连接于上端盖（2）圆周边沿；下膜片（6）围绕所述中心盲孔筒体（8）柱体同心层叠，与电子束焊焊接连接，底端上的下膜片（6）沿下端盖（7）圆周边电子束焊封口，通过上端盖（2）上的凸台通孔（1）抽真空后获得真空膜盒密封内腔，成为单一的弹性敏感元件的活门真空膜盒。

2.如权利要求1所述的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，其特征在于：活门真空膜盒感受高度改变时的压差△P变化，焊接波纹管产生弹性变形，带动上端盖（2）的位移增量△W增大或减小，调整单一的弹性敏感元件焊接波纹管的集中力刚度K_f，获得高空中活门真空膜盒需要的压力P-位移W特性。

3.如权利要求1所述的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，其特征在于：采用上膜片（4）与上端盖（2）电子束焊焊接连接，下膜片（6）外缘和下端盖（7）外缘采用电子束焊焊接连接，通过上端盖（2）中心凸台φ0.4～φ0.5通孔（1）抽真空后电子束焊焊接封口，获得真空膜盒要求的密封真空内腔。

4.如权利要求1所述的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，其特征在于：上端盖（2）与上膜片（4）相接平面为过载保护膜片波纹型面的下凹平面盖沿（3），在上膜片（4）承受过载压力时，为膜片型面波纹在上端盖（2）下凹平面结构内留足保护空间。

5.如权利要求1所述的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，其特征在于：在结构上，采用上膜片（4）与上端盖（2）电子束焊焊接连接，下膜片（6）与支座（9）电子束焊焊接连接为焊接波纹管膜盒。

6.如权利要求1所述的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，其特征在于：活门真空膜盒结构采用自身材料焊接封口，结构全部采用电子束焊，设计φ0.4～φ0.5凸台通孔（1）结构。

7.如权利要求1所述的具有压力P-位移W特性的活门真空膜盒，其特征在于：膜片选择圆弧型波形，膜片弹性模量E：E=1.95×10⁵MPa。