专利名称：一种减小管道端部推力和振动的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量控制技术领域，具体为一种减小管道端部推力和振动的装置。
背景技术：
在发动机地面模拟试验中需要将试验对象与管道直接相连，由于模拟进气具有高压、高温、高速的特点，而且由于存在管路、流体及气固耦合的影响，实现试验对象的高精度推力测量较为困难，需要解决以下技术问题1)推力架与进气管道接口实现无推力连接； 2)实现系统进气参数变化对测力系统特别是对接口部分的动力学特征无影响；3)降低或消除管道对测量系统产生的振动；4)采取的措施要能够保证气流品质。其中消除进气对测量系统产生附加推力和强迫振动是提高发动机推力测量精度的技术关键，并要实现系统在进气状态下，进气道前端部具有物理连接与气动特征隔离的双重特性，以消除推力架的附加影响，提高推力测量的精度。当管道受热和遇冷收缩时，将对与其相连的设备和结构产生作用力，并在管道中引起应力。当管道系统比较刚硬时，这种推力和应力都将扩大，因此，在设计试验对象与管道相连时必须考虑管道柔性设计和膨胀的问题。柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀、冷缩、端点附加位移、管道支撑设置不当、气固耦合等原因造成系列问题，而减小管道端部推力可以使测量架不承受介质内压力和热位移产生的轴向推力。用于热补偿和增加管道柔性的金属管道元件主要有波纹管膨胀节、填料函式膨胀节和金属软管，目前采取的技术手段主要有以下方式1.迷宫与密封垫圈或填料函组合方式；依靠部件的相对运动达到吸收热位移的目的。其不足之处容易产生泄漏，且由于管道结构受热变形，密封环易失效，对接的管道易卡死不能吸收变形应力，无法准确测量推力；2.石墨套环密封方式；该方式利用石墨高温变形量较小且具有自润滑特性。使用条件为相互对接的管道在轴向具有热不敏感特性，且在工作过程中轴向偏移量较�。徽舛陨杓坪图庸すひ找蠼细撸以谑导手泻苣炎龅剑虼烁梅椒ê苣咽凳�3.波纹管位移补偿方式；利用金属波纹管膨胀节的变形吸收位移，虽可满足位移补偿要求，但易产生振动，难于同时实现管端推力终止以及消除系统气固耦合振动。波纹管使气流品质降低，其对位移的补偿作用是以附加发动机轴向推力为代价，因此对发动机冲压燃烧以及推力测量有较大影响；在进气道前端连接金属波纹管，可以实现管路热膨胀位移补偿，但由于波纹面对气流的调制作用使气流品质劣化。4.套筒补偿器方式；对管道热变形有较好作用，但需占用较大空间，对气流盲板力的影响补偿作用不足；上述前两种方式对材料和安装工艺具有较高要求，在实际中难以实施和应用，后两种方式为国内外较常用的管道补偿手段，但对于推力测量这样一种特定的应用场合而言，现有的处理方法不能满足技术要求，因此必须专门设计零刚度补偿机构进行动态推力减小管道端部推力与振动的机构。
发明内容
要解决的技术问题为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种减小管道端部推力和振动的装置，以实现高精度测量发动机推力的目的。技术方案本发明基于输流管路动力学特征，提出利用气浮式的活动台面来消除a.热载荷对管道的变形应力影响；b.高速能量流对管道产生的冲击载荷；C.流体与结构耦合作用对系统产生的强迫振动，其关键技术在于利用空气弹簧力学特性和正负刚度并联原理，综合考虑了各种载荷的复合作用。本发明的技术方案为所述一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于包括活动浮台支撑组件和缓冲舱；所述活动浮台支撑组件包括承力箱体、活动台面、支撑弹簧、空气弹簧和空气弹簧高度控制部件；承力箱体一端开口，在承力箱体侧壁上均布有若干连接座；活动台面放置在承力箱体开口一端，在活动台面上表面设置有滑槽，活动台面底面上固定有若干连接杆， 活动台面底面的连接杆与承力箱体侧壁上的连接座个数相同，并且位置对应，每一对连接杆和连接座之间通过支撑弹簧连接，所有支撑弹簧的中心轴线相互平行，支撑弹簧支撑活动台面处于水平状态；空气弹簧包括气囊、下腔室和附加气室，气囊一端通过顶盖与活动台面底面中部固定连接，气囊另一端与下腔室密封压接连接，下腔室与气囊的连接部位设置有阻尼孔，下腔室与附加气室通过管道连接，附加气室固定在承力箱体底部；空气弹簧高度控制部件包括高度控制杆、高度控制阀组、进气管道和排气管道，高度控制杆一端固定在活动台面底面，另一端穿过高度控制阀组，高度控制杆平行于支撑弹簧中心轴线，当活动台面降低时，高度控制杆向下运动，控制高度控制阀组内的进气阀打开，进气管道从外部进气至附加气室，当活动台面升高时，高度控制杆向上运动，控制高度控制阀组内的排气阀打开， 排气管道从附加气室向外部排气；所述缓冲舱外形为圆柱形，圆柱两端为球面，缓冲舱由内外两层组成，缓冲舱内壳和外壳之间通过若干连接件连接，且每个连接件上开有过气通孔，在缓冲舱内壳上也开有若干过气通孔；在缓冲舱水平方向一侧固定有连接外部发动机进气道的出气管道，且出气管道与缓冲舱内壳和外壳分别密封固定；在缓冲舱外壳外表面上设有滑块，滑块方向与出气管道中心轴线平行，滑块与活动台面上表面的滑槽对应，构成滑动副；在缓冲舱外壳上还开有连接外部竖直进气管的进气孔，进气孔中心轴线垂直于出气管道中心轴线；在缓冲舱水平方向另一侧外壳的外表面上固定有连接台，连接台与平衡杆在平衡杆中心位置铰接， 平衡杆两端分别与两根斜拉弹簧一端的转动接头铰接，两根斜拉弹簧的另一端分别与固定在活动台面上表面两侧的两个斜拉弹簧固定结构固定连接，斜拉弹簧固定结构包括固定在活动台面的固定杆、转动轴和转接头，转接头与斜拉弹簧端部固定连接，转动轴平行于缓冲舱圆柱段的中心轴线，转接头与固定杆通过转动轴转动连接；连接台端部与固定在活动台面上表面中部的主固定杆通过中部弹簧连接，且中部弹簧的中心轴线垂直于缓冲舱圆柱段
5的中心轴线。所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于气囊由腰环约束为4 曲气囊，腰环处气囊的横截面面积为活动台面底面面积的2/3。所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于转接头上安装有调节螺母，用于调节斜拉弹簧的张力；活动台面上表面中部的主固定杆上也安装有主调节螺母， 用于调节中部弹簧的张力。所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于缓冲舱内壳上的过气通孔沿内壳横截面周向均勻分布。所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于活动台面上表面的滑槽采用金属橡胶材料。所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于缓冲舱水平方向有两个出气管道，两个出气管道中心轴线相互平行，且两个出气管道中心轴线构成的平面与缓冲舱圆柱段的中心轴线平行，两个出气管道中心轴线相对缓冲舱圆柱段中心横截面对称； 平衡杆中心处于缓冲舱圆柱段中心横截面上，中部弹簧的中心轴线处于缓冲舱圆柱段中心横截面上。所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于缓冲舱外壳上有两个进气孔，两个进气孔的中心轴线构成的平面过缓冲舱圆柱段的中心轴线。有益效果本发明所提供的技术方案实现了进气道与外部进气管路的复合载荷影响的物理隔离。在系统的工作过程中由于活动台面的轴向移动，保证管道在活动台面的进气端的刚度近似为零，使外部进气管道对测量系统的影响得到隔离，可适用于一类进气或液体介质试验对象需要进行推力测量的场合，试验结果表明可显著降低在复合载荷作用下管端推力和耦合振动的影响，满足推力测量的需要。
图1 本发明的结构示意图；(主视图，并去除承力箱体一侧侧壁)图2 本发明的结构示意图；(左视图，并去除承力箱体一侧侧壁)图3 本发明的结构示意图；(俯视图)图4 缓冲舱结构剖视图；图5 斜拉弹簧固定结构示意图；图6:固定杆示意图；图7:转接头示意图；其中1、支撑脚；2、排气管道；3、高度控制阀组；4、连接座；5、高度控制杆；6、支撑弹簧；7、腰环 ’8、气囊；9、连接杆；10、斜拉弹簧固定结构；10-1、转动轴；10-2、固定杆； 10-3、转接头；11、滑槽；12、出气管道；13、进气孔口连接法兰；14、主固定杆；15、活动台面； 16、缓冲舱；17、斜拉弹簧；18、阻尼孔；19、连接座导杆；20、下腔室；21、附加气室；22、进气管道；23、承力箱体；24、主调节螺母；25、平衡杆；26、中部弹簧；27、连接台；28、转动接头； 29、调节螺母；30、滑块；31、缓冲舱外壳；32、缓冲舱内壳；33、过气通孔；34、连接件。
具体实施例方式下面结合具体实施例描述本发明实施例本实施例应用在冲压发动机地面模拟试验中，用于高精度测量冲压发动机推力。参照附图1，本发明所述一种减小管道端部推力和振动的装置包括活动浮台支撑组件和缓冲舱16。参照附图1和附图2，所述活动浮台支撑组件包括承力箱体23、活动台面15、支撑弹簧6、空气弹簧和空气弹簧高度控制部件。承力箱体为一端开口方形结构，在承力箱体的四个侧壁上各固定有一个连接座4，而且四个连接座处于承力箱体的四个拐角处，在每个连接座上固定有一个连接座导杆。活动台面放置在承力箱体开口一端，在活动台面上表面设置有两条滑槽，用于与缓冲舱上的滑块配合形成滑动副。活动台面底面上固定有四个圆柱形连接杆9，四个连接杆的位置与承力箱体侧壁上的连接座位置对应，并且与连接座上的连接座导杆同轴，每一对连接杆和连接座导杆之间通过支撑弹簧连接，支撑弹簧两端分别与连接杆和连接座导杆套接固定，所有支撑弹簧的中心轴线相互平行，支撑弹簧支撑活动台面处于水平状态。在这里四个支撑弹簧主要起辅助支撑和高度限位的作用，提供活动台面及其承载部件的静态载荷支撑力。空气弹簧包括气囊8、下腔室20和附加气室21，气囊由腰环7约束为4曲气囊，腰环处气囊的横截面面积为活动台面底面面积的2/3。气囊一端通过顶盖与活动台面底面中部固定连接，气囊另一端与下腔室密封压接连接，下腔室与气囊的连接部位设置有阻尼孔 18，下腔室与附加气室通过管道连接，附加气室固定在承力箱体底部，空气弹簧提供工作状态下活动台面的主要支撑力。空气弹簧高度控制部件包括高度控制杆5、高度控制阀组3、进气管道22和排气管道2，高度控制杆一端固定在活动台面底面，另一端穿过高度控制阀组，高度控制杆平行于支撑弹簧中心轴线。当活动台面降低时，高度控制杆随之向下运动，控制高度控制阀组内的进气阀打开，进气管道从外部进气至附加气室，进而有附加气室进入气囊内，使活动台面恢复到原来高度；当活动台面升高时，高度控制杆随之向上运动，控制高度控制阀组内的排气阀打开，排气管道从附加气室向外部排气，也就是将气囊内的空气排向外部大气中，从而使平台恢复到原来的高度，因此可保证活动台面保持设定高度。高度控制阀组既是检测元件又是控制元件，它随时检测空气弹簧的变形并控制空气弹簧的充气和排气，使空气弹簧的振动位移幅值小于0. 1mm，使活动台面保持稳定高度以确保活动台面上与缓冲舱相连的外部水平出气管道的水平度，空气弹簧具有恒定刚度特征和良好吸振特性，保证了活动台面上缓冲舱连接端的稳定性。空气弹簧工作时，4曲气囊充入压缩空气，形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加，空气弹簧的高度降低，内腔容积减�。掌傻母斩仍黾樱�4曲气囊的有效承载面积加大，此时空气弹簧的承载能力增加；当振动载荷量减小时，空气弹簧的高度升高，4 曲气囊容积增大，空气弹簧的刚度减�。�4曲气囊的有效承载面积减小，此时空气弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递、振幅与振动载荷得到高效控制。利用高度控制阀组，使空气弹簧在任何载荷下保持一定的工作高度。参照附图3和附图4，缓冲舱外形为圆柱形，圆柱两端为球面，缓冲舱采用不锈钢材料，缓冲舱由内外两层组成。缓冲舱内壳32和外壳31之间通过周向均布的6条连接件 34连接，连接件的长度等于缓冲舱圆柱段的轴向长度，且每个连接件上开有过气通孔，在缓冲舱内壳上也开有若干过气通孔33，而且缓冲舱内壳上的过气通孔沿内壳横截面周向均勻分布，设置过气通孔的目的是改善气流品质，使进入的高速紊流场均化，并降低外部竖直进气管对活动台面的冲击载荷。在缓冲舱水平方向一侧固定有连接外部冲压发动机进气道的水平出气管道12，且出气管道与缓冲舱内壳和外壳分别密封固定连接，缓冲舱内气流从缓冲舱内壳腔进入水平出气管道。缓冲舱水平方向的出气管道共有两个，两个出气管道中心轴线相互平行，且两个出气管道中心轴线构成的平面与缓冲舱圆柱段的中心轴线平行，两个出气管道中心轴线相对缓冲舱圆柱段中心横截面对称。在缓冲舱外壳外表面底部上设有两条滑块30，滑块方向与出气管道中心轴线平行，滑块与活动台面上表面的滑槽11对应，构成滑动副。滑槽材料采用金属橡胶材料，利用金属橡胶较大的阻尼特性，使水平出气管道热膨胀应力得到释放，进而使沿缓冲舱轴向和沿滑槽方向的振动快速衰减。在缓冲舱外壳上还开有连接外部竖直进气管的进气孔，进气孔中心轴线垂直于出气管道中心轴线，在进气孔口有连接法兰13连接外部竖直进气管。外部竖直进气管使用对压力不敏感的多层波纹管，不锈钢材料，长径比应满足15 ( L/D ( 50，使该部分结构具有较好柔度。缓冲舱外壳上的进气孔有两个，两个进气孔的中心轴线构成的平面过缓冲舱圆柱段的中心轴线。在缓冲舱水平方向另一侧的外壳外表面上固定有连接台27，连接台在平衡杆25 的中心处与平衡杆铰接，平衡杆中心处于缓冲舱圆柱段中心横截面上。平衡杆两端分别与两根斜拉弹簧17 —端的转动接头28铰接，两根斜拉弹簧的另一端分别与固定在活动台面上表面两侧的两个斜拉弹簧固定结构10固定连接，斜拉弹簧固定结构包括固定在活动台面的固定杆10-2、转动轴10-1和转接头10-3，转接头与斜拉弹簧端部固定连接，转动轴平行于缓冲舱圆柱段的中心轴线，转接头与固定杆通过转动轴转动连接；连接台端部与固定在活动台面上表面中部的主固定杆14通过中部弹簧沈连接，且中部弹簧的中心轴线垂直于缓冲舱圆柱段的中心轴线，中部弹簧的中心轴线处于缓冲舱圆柱段中心横截面上。在转接头上还安装有调节螺母四，用于调节斜拉弹簧的张力；活动台面上表面中部的主固定杆上也安装有主调节螺母M，用于调节中部弹簧的张力并锁紧中部弹簧。在缓冲舱连接外部竖直进气管和外部发动机进气道后，外部供气通过柔性波纹管垂直进气，根据振动原理系统，在竖直方向活动台面与柔性波纹管构成正负摆结构，从而形成垂向超低频小幅值振动；两个连接外部发动机进气道的水平出气管道与缓冲舱另一侧设置的中部弹簧以及两个斜拉弹簧构成正负刚度并联机构，使动态刚度大大降低，提高轴向失稳频率以稳定气流。特别的采用空气弹簧高度调节具有柔滑过度特性，在试验前空气弹簧充气至设定压力状态，用于消减台面上构件的重力，通过设制的高度控制杆，控制进、排气电磁阀使台面保持稳定高度，这样在垂向和轴向振动频率呈超低频振动且由于振动能量得到吸收因此振动幅值�。芄槐Ｖせ撼宀账匠銎艿烙胪獠糠⒍赖乃蕉龋涣硗庥捎诓捎没蔽杖扰蛘捅湫危扔αΤ浞质头牛虼怂椒较蚨苑⒍啦母郊油屏苄。梢月愀呔韧屏Σ饬康募际跻�。 本发明所提供的技术方案实现了进气道与外部进气管路的复合载荷影响的物理隔离。在系统的工作过程中由于活动台面的轴向移动，保证管道在活动台面的进气端的刚度近似为零，使外部进气管道对测量系统的影响得到隔离，可适用于一类进气或液体介质试验对象需要进行推力测量的场合，试验结果表明可显著降低在复合载荷作用下管端推力和耦合振动的影响，满足推力测量的需要。
权利要求
1.一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于包括活动浮台支撑组件和缓冲舱；所述活动浮台支撑组件包括承力箱体、活动台面、支撑弹簧、空气弹簧和空气弹簧高度控制部件；承力箱体一端开口，在承力箱体侧壁上均布有若干连接座；活动台面放置在承力箱体开口一端，在活动台面上表面设置有滑槽，活动台面底面上固定有若干连接杆，活动台面底面的连接杆与承力箱体侧壁上的连接座个数相同，并且位置对应，每一对连接杆和连接座之间通过支撑弹簧连接，所有支撑弹簧的中心轴线相互平行，支撑弹簧支撑活动台面处于水平状态；空气弹簧包括气囊、下腔室和附加气室，气囊一端通过顶盖与活动台面底面中部固定连接，气囊另一端与下腔室密封压接连接，下腔室与气囊的连接部位设置有阻尼孔，下腔室与附加气室通过管道连接，附加气室固定在承力箱体底部；空气弹簧高度控制部件包括高度控制杆、高度控制阀组、进气管道和排气管道，高度控制杆一端固定在活动台面底面，另一端穿过高度控制阀组，高度控制杆平行于支撑弹簧中心轴线，当活动台面降低时，高度控制杆向下运动，控制高度控制阀组内的进气阀打开，进气管道从外部进气至附加气室，当活动台面升高时，高度控制杆向上运动，控制高度控制阀组内的排气阀打开，排气管道从附加气室向外部排气；所述缓冲舱外形为圆柱形，圆柱两端为球面，缓冲舱由内外两层组成，缓冲舱内壳和外壳之间通过若干连接件连接，且每个连接件上开有过气通孔，在缓冲舱内壳上也开有若干过气通孔；在缓冲舱水平方向一侧固定有连接外部发动机进气道的出气管道，且出气管道与缓冲舱内壳和外壳分别密封连接；在缓冲舱外壳外表面上设有滑块，滑块方向与出气管道中心轴线平行，滑块与活动台面上表面的滑槽对应，构成滑动副；在缓冲舱外壳上还开有连接外部竖直进气管的进气孔，进气孔中心轴线垂直于出气管道中心轴线；在缓冲舱水平方向另一侧外壳的外表面上固定有连接台，连接台与平衡杆在平衡杆中心位置铰接，平衡杆两端分别与两根斜拉弹簧一端的转动接头铰接，两根斜拉弹簧的另一端分别与固定在活动台面上表面两侧的两个斜拉弹簧固定结构固定连接，斜拉弹簧固定结构包括固定在活动台面的固定杆、转动轴和转接头，转接头与斜拉弹簧端部固定连接，转动轴平行于缓冲舱圆柱段的中心轴线，转接头与固定杆通过转动轴转动连接；连接台端部与固定在活动台面上表面中部的主固定杆通过中部弹簧连接，且中部弹簧的中心轴线垂直于缓冲舱圆柱段的中心轴线。
2.根据权利要求1所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于气囊由腰环约束为4曲气囊，腰环处气囊的横截面面积为活动台面底面面积的2/3。
3.根据权利要求1所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于转接头上安装有调节螺母，用于调节斜拉弹簧的张力；活动台面上表面中部的主固定杆上也安装有主调节螺母，用于调节中部弹簧的张力。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于 缓冲舱内壳上的过气通孔沿内壳横截面周向均勻分布。
5.根据权利要求1所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于活动台面上表面的滑槽采用金属橡胶材料。
6.根据权利要求1所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于缓冲舱水平方向有两个出气管道，两个出气管道中心轴线相互平行，且两个出气管道中心轴线构成的平面与缓冲舱圆柱段的中心轴线平行，两个出气管道中心轴线相对缓冲舱圆柱段中心横截面对称；平衡杆中心处于缓冲舱圆柱段中心横截面上，中部弹簧的中心轴线处于缓冲舱圆柱段中心横截面上。
7.根据权利要求1或6所述的一种减小管道端部推力和振动的装置，其特征在于缓冲舱外壳上有两个进气孔，两个进气孔的中心轴线构成的平面过缓冲舱圆柱段的中心轴线。
全文摘要
本发明提出了一种减小管道端部推力和振动的装置，包括活动浮台支撑组件和缓冲舱，活动浮台支撑组件通过支撑弹簧和空气弹簧支撑活动台面，并通过空气弹簧高度控制部件控制空气弹簧高度；活动台面上通过滑槽连接缓冲舱，缓冲舱接外部竖直进气管和外部发动机进气道。本发明所提供的技术方案实现了进气道与外部进气管路的复合载荷影响的物理隔离。在系统的工作过程中由于活动台面的轴向移动，保证管道在活动台面的进气端的刚度近似为零，使外部进气管道对测量系统的影响得到隔离，可适用于一类进气或液体介质试验对象需要进行推力测量的场合，试验结果表明可显著降低在复合载荷作用下管端推力和耦合振动的影响，满足推力测量的需要。
文档编号G01M15/02GK102507065SQ20111038626
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者周东 申请人:中国航天科技集团公司第四研究院四○一所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
