一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置及其实验方法与流程

1.本发明主要涉及航空航天飞行器的技术领域，具体涉及一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置及其实验方法。


背景技术：

2.航空航天飞行器中的液压管路系统（包含阀门、接头、油滤等成附件），是一种广泛采用的动力传输结构。系统运行时，管路内部油液在液压泵提供的压力的驱使下流动，流经各种形式的管路、成附件、负载作动器等，最后油液返回油箱形成回路，从而实现对飞行器操控功能的要求。
3.由于泵的往复吸排油动作，其内部油液也会产生压力脉动，这种脉动会随着压力油液的流动一起沿着导管路径传递，从而使得管路系统中的压力脉动随着不同管路布局而发生变化，同时也会导致管路发生流致振动。流致振动会导致结构产生交变疲劳应力、共振、流固耦合、管接头的微动磨损等作用效应，这些作用效应不但是管路系统的“跑冒滴漏”故障的主要致因，也是导致系统流体压力、流阻等功能异常的主要原因。因此，研究典型管路结构压力脉动特性及其导致振动响应规律是飞行器管路设计的重要环节。
4.目前，管路系统的压力脉动特性和振动响应多为理论方法研究，试验装置的研发投入多为降低压力脉动的装置，例如：一种智能主动控制式高压管路压力脉动消振装置及方法（cn202011520204.x），一种分频组合压力脉动衰减装置及方法（cn202010584632.2）等。而且，压力脉动试验和振动响应试验经常是分开的，例如一种飞机燃油管路压力脉动系统（cn202020032372.3）、压力脉动分析方法、装置、计算机设备和存储介质（cn202010422855.9），液压管路振动试验台（cn202011301782.4）、一种流体管路振动特性测试装置（cn210834067u）等，上述的一些发明在压力脉动的实现上是充液堵塞的加压方式（非流动），管内液体的无法流动，难以获得对应的流致振动响应规律。在压力脉动与振动相互关联的测试方法和装置方面，专利查询中有：一种水轮机转轮振动与压力脉动的关联性测试分析方法（cn202011109578.2），其对象与飞行器管路结构有很大差异。


技术实现要素：

5.本发明主要提供了一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置及其实验方法用以解决上述背景技术中提出的技术问题。
6.本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置，包括高压油泵，所述高压油泵的输入端连接有油箱，所述油箱的输入端连接有调压机构，所述调压机构的输出端连接有油滤，所述油滤的输入端与试验件相连接，所述试验件的输入端与高压油泵的输出端相连接，所述试验件与数据采集仪电连接。
7.进一步的，所述试验件包括输入端通过管路与所述高压油泵相连接、输出端通过管路与所述油滤相连接的测试管路，连接于高压油泵与测试管路之间的管路上的入口压力
传感器，连接于测试管路与油滤之间连接的管路的出口压力传感器。
8.进一步的，所述试验件还包括安装于测试管路外表面的加速度传感器，以及安装于所述测试管路外表面的应变片。
9.进一步的，所述测试管路的外表面贯穿有支撑台架，所述支撑台架包括用于支撑所述测试管路与高压油泵之间连接的管路的固定支架，以及用于支撑所述测试管路与油滤之间连接的管路的活动支架，所述固定支架的一侧表面安装有供所述支撑所述测试管路与高压油泵之间连接的管路穿插的第一管接头，所述固定支架的壳体上设有第一滑槽，所述第一滑槽的底端设有设于所述固定支架一侧表面的第一刻度尺。
10.进一步的，所述活动支架的一侧表面嵌入有第一滑块，所述活动支架通过第一滑块与所述第一滑槽滑动连接，所述活动支架壳体上设有第二滑槽，所述第二滑槽的一侧设有设于所述活动支架一侧表面的第二刻度尺，所述第二滑槽的槽体内滑动连接有第二滑块，所述第二滑块的壳体上安装有第二管接头。
11.进一步的，所述调压机构包括通过管道与所述油箱的输入端相连接的第一三通，所述第一三通的输入端通过软管分别连接调压阀和手阀，所述调压阀和手阀通过管道与第二三通相连接，所述第二三通通过管道与油滤的输入端相连接。
12.根据以上的一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置的技术方案，还将提供一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置的实验方法，包括以下步骤：步骤一，将试验件的输出端连接油滤，油滤的输出端连接调压机构，调压机构的输出端连接油箱，油箱的输出端连接高压油泵，高压油泵的输出端连接试验件，形成回路；步骤二，启动高压油泵，以使高压油泵抽出油箱内的油液，并输送油液依次经过试验件、油滤、调压机构，直至油液流回油箱；步骤三，通过调压机构调整步骤二中所输送的油液的压力水平，以使回路内产生规定压力水平下的压力脉动；步骤四，通过与回路电连接的数据采集仪采集数据，得到试验件的压力脉动传递特性、试验件的流阻特性、试验件在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应以及试验件在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应。
13.进一步的，所述步骤四中，所述数据采集仪与回路电连接，得到试验件的压力脉动传递特性和流阻特性，包括以下子步骤：第一步，通过数据采集仪与入口压力传感器和出口压力传感器相连接；第二步，通过数据采集仪获得测试管路入口处的压力波动曲线p1和出口处的压力波动曲线p2；第三步，分析对比第二部获得的p1和p2的幅值关系，以获得被测对象的压力脉动传递特性，获得压力或者压力脉动的幅值变化结果，依据相关理论分析被测对象的流阻特性。
14.进一步的，所述步骤四中，所述数据采集仪与回路电连接，得到试验件在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应，包括以下子步骤：第一步，将加速度传感器粘贴于测试管路外表面，粘贴位置沿管路截面间隔90
°
；第二步，加速度传感器 连接数据采集仪，启动系统并开始测试，以获得被测对象在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应。
15.进一步的，所述步骤四中，所述数据采集仪与回路电连接，得到试验件在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应，包括以下子步骤；第一步，在靠近第一管接头和第二管接头5mm的位置处，分别粘贴两个沿着管路轴向的应变片，相邻两个应变片沿着管路截面间隔90
°
粘贴；第二步，通过导线与数据采集仪相连接，启动系统并开始测试，以获得被测对象在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明能够测试各种不同管路典型结构压力脉动相应，以进一步这些典型结构在不同压力水平和脉动幅值的传递规律、开关阀时的压力水锤幅值、以及不同脉动工况下的管路典型结构的振动加速度和应变响应，以进一步分析管路典型结构内部流体脉动与结构振动响应的关联性，试验装置能够为飞行器液压或者发动机管路的不同结构形式的流阻和流致振动特性分析提供参考。
17.以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。
附图说明
18.图1为本发明的整体示意图；图2为本发明支撑台架的结构示意图；图3为本发明活动支架的侧视图；图4为本发明试验件流致振动的加速度测试的示意图；图5为本发明试验件被测对象的振动应变响应测试的示意图；图6为本发明典型管路的结构示意图；图7为本发明测试管路压力脉动变化的示意图；图8为本发明测试管路第一管接头压力脉动变化的示意图；图9为本发明测试管路第二管接头压力脉动变化的示意图；图10为本发明稳态、慢关阀、快关阀时的脉动曲线图；图11为直管试样在5mpa压力水平下的动态应变响应图；图12为直管试样在10mpa压力水平下的动态应变响应图；图13为直管试样在15mpa压力水平下的动态应变响应图；图14为15mpa压力水平下直管在慢关阀和快关阀导致的应变片的变化规律；图15为快关阀的加速度和应变响应影响图；图16为直管试样在15mpa压力水平下快慢关阀时的振动响应。
19.图中：10、高压油泵；20、油箱；30、调压机构；31、第一三通；32、调压阀；33、手阀；34、第二三通；40、油滤；50、试验件；51、测试管路；52、入口压力传感器；53、支撑台架；531、固定支架；532、活动支架；533、第一管接头；534、第一滑槽；535、第一刻度尺；536、第一滑块；537、第二滑槽；538、第二滑块；539、第二管接头；53a、第二刻度尺；54、出口压力传感器；55、加速度传感器；56、应变片；60、数据采集仪。
具体实施方式
20.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图
中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
21.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
23.实施例，请参照附图1-17，一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置，包括高压油泵10，所述高压油泵10的输入端连接有油箱20，所述油箱20的输入端连接有调压机构30，所述调压机构30的输出端连接有油滤40，所述油滤40的输入端与试验件50相连接，所述试验件50的输入端与高压油泵10的输出端相连接，所述试验件50与数据采集仪60电连接；进一步的，所述试验件50包括输入端通过管路与所述高压油泵10相连接、输出端通过管路与所述油滤40相连接的测试管路51，连接于高压油泵10与测试管路51之间的管路上的入口压力传感器52，连接于测试管路51与油滤40之间连接的管路的出口压力传感器54；进一步的，所述试验件50还包括安装于测试管路51外表面的加速度传感器55，以及安装于所述测试管路51外表面的应变片56；所述调压机构30包括通过管道与所述油箱20的输入端相连接的第一三通31，所述第一三通31的输入端通过软管分别连接调压阀32和手阀33，所述调压阀32和手阀33通过管道与第二三通34相连接，所述第二三通34通过管道与油滤40的输入端相连接；需要说明的是，在本实施例中，高压油泵10配合较高的电机转速，通过电机高速转动完成快速的吸、排油动作，以维持系统的压力，并产生持续压力脉动；进一步的，油箱20的容量应与回路所有管路容积、高压油泵的流量要求确定其容积，油箱20与高压油泵10之间用软管相连接，高压油泵10从油箱20抽取油液，然后流经试验段以及所有管路回路后，液压油再返回油箱。如此反复，这样不但实现管路内高压流体的流动，还可以实现油液的循环利用和系统的持续工作。油箱20上有注油口，油液损耗后，通过注油口添加油液；油箱20侧面有示液条，能够显示油箱20中当前油液的高度，若监测油液不足时及时添加；进一步的，手阀33用于手动调节阀门的快速开关阀或者慢速开关阀，模拟实际飞行器液压管路系统中的负载作动快速或慢速开闭，这样系统能够模拟不同开、关阀速率下的水锤现象进一步的，调压阀32用于设置试验所要求的压力水平，用压力表监测当前管路中的实际压力，调压阀还能起到系统压力保护的作用；进一步的，油滤40用于过滤回路中油液杂质，注意油滤有过滤压力的作用，所以油滤应该安装在被测段之后；进一步的，能够获得不同压力水平下典型管路结构的压力及其压力脉动传递特
性，只要将不同的典型管路结构接入到回路中的试验测试段，启动高压油泵10形成流动回路循环，从泵流出的带有压力和压力脉动的液压油，通过调压阀32设置试验所要求的压力水平，回路内即出现试验所要求压力的流体流动和压力脉动，并流经了试验测试段，在试验段内通过数据采集仪60获得对被测对象的压力、加速度和应变数据，即获得了不同的典型管路结构的压力脉动和流致振动响应。
24.为三种压力水平(5mpa，10mpa，15mpa)下直管入口(第一管接头533)和出口处(第二管接头539)通过入口压力传感器52和出口压力传感器54测得的稳态压力脉动，其中，5mpa压力水平时，入口的稳态脉动幅值为6.7bar，经直管传递后压力脉动幅值降为5.4bar，压力脉动幅值下降量为1.3bar。10mpa压力水平时的入口的稳态脉动幅值为8.5bar，经直管传递后压力脉动幅值降为6.9bar，压力脉动幅值下降量为1.6bar。10mpa压力水平时的入口的稳态脉动幅值为9.9bar，经直管传递后压力脉动幅值降为7.1bar，压力脉动幅值下降量为2.8bar。可以看到随着压力水平的增长，压力脉动幅值和下降量也有所增大。
25.能够获得稳态、慢关阀、快关阀状态下典型管路结构的压力及其压力脉动传递特性。可以看到关阀过程中，系统的压力从工作压力快速下降(几乎为零，与关阀的开度有关)。开阀时又从零上升至工作压力。关开阀瞬间有小幅的水锤效应出现。可以看到快关阀比慢关阀的最低压力幅值更低；而快开阀时，达到工作压力时，会存在显著的压力冲击峰，而慢关阀时却无此现象。所以该试验装置，可以监测不同水平的开阀时间和压力水锤增长幅值，入表1所示。
26.表1 快开阀时不同压力下的开阀时间和压力水锤增长幅值 压力水平/mpa开阀时间/s增长幅值δ0/bar150.432.72100.491.43150.450.8能够获得稳态、慢关阀、快关阀状态下典型管路结构的压力及其压力脉动传递特性，能够看到出口处的2，4号应变片的响应显著高于入口，说明载荷在直管上通过振动发生传递和放大，对比不同压力水平下，管路的轴向应变幅值未发生显著增大；能够获得稳态、慢关阀、快关阀状态下典型管路结构的加速度和应变响应特性，关阀的快慢程度也会影响管路结构的振动响应结果，快关阀的应变变化更加迅速。慢关阀时压力变化较为平缓，而快关阀时呈现类似于方波的突然变化规律，其它两种压力下呈现相同的规律。开阀快慢主要影响的是瞬态水锤效应，由于开阀快慢导致的流致振动对管路结构的加速度和应变响应影响较小。
27.实施例，请参照附图1-17，所述测试管路51的外表面贯穿有支撑台架53，所述支撑台架53包括用于支撑所述测试管路51与高压油泵10之间连接的管路的固定支架531，以及用于支撑所述测试管路51与油滤40之间连接的管路的活动支架532，所述固定支架531的一侧表面安装有供所述支撑所述测试管路51与高压油泵10之间连接的管路穿插的第一管接头533，所述固定支架531的壳体上设有第一滑槽534，所述第一滑槽534的底端设有设于所述固定支架531一侧表面的第一刻度尺535；所述活动支架532的一侧表面嵌入有第一滑块536，所述活动支架532通过第一滑块536与所述第一滑槽534滑动连接，所述活动支架532壳体上设有第二滑槽537，所述第二
滑槽537的一侧设有设于所述活动支架532一侧表面的第二刻度尺53a，所述第二滑槽537的槽体内滑动连接有第二滑块538，所述第二滑块538的壳体上安装有第二管接头539；需要说明的是，在本实施例中，为了适应不同测试管路51，在支撑台架53上装有第一滑槽534，第一滑槽534的一侧有第一刻度尺535，便于测量固定支架531与活动支架532之间的距离，第一滑槽534的一端为固定支架531，第一滑槽534中有第一滑块536，第一滑块536可以在第一滑槽534上移动，第一滑块536上用螺栓固连活动支架532，活动支架532可以与第一滑块536一起沿着第一滑槽534运动，当滑到指定位置时通过第一刻度尺535确定距离，通过拧紧第一滑块536上的螺栓，将第一滑块536固定在第一滑槽534的指定位置上；固定支架531和活动支架532上设计过框结构用于固定管接头；固定支架531固定在第一滑槽534的端部，不可移动，其中第一管接头533安装在固定支架531上，此第一管接头533连接测试管路51的流体输入端口；活动支架532底部固连在第一滑块536上，可以与第一滑块536一起沿着第一滑槽534移动和固定，活动支架532上装有第二滑槽537，第二滑槽537的一侧也有第二刻度尺53a，第二滑槽537的中心刻度为0，用于测量不同管形结构的横向偏移量，第二滑槽537内有第二滑块538，第二滑块538可以沿着第二滑槽537移动，当滑到指定位置时通过第二刻度尺53a确定距离，通过拧紧第二滑块538上的螺栓，将第二滑块538固定在第二滑槽537的指定位置上；试验装置可以根据实际典型管路的尺寸，给出第一滑槽534和第二滑槽537的长度，即可实现不同长度和弯曲管路和附件的连接和固定，具有很强的通用性。
28.如图1-17所示，根据上述实施例还将提供一种测试管路压力脉动和振动响应的试验装置的实验方法，包括以下步骤：步骤一，将试验件50的输出端连接油滤40，油滤40的输出端连接调压机构30，调压机构30的输出端连接油箱20，油箱20的输出端连接高压油泵10，高压油泵10的输出端连接试验件50，形成回路；步骤二，启动高压油泵10，以使高压油泵10抽出油箱20内的油液，并输送油液依次经过试验件50、油滤40、调压机构30，直至油液流回油箱20；步骤三，通过调压机构30调整步骤二中所输送的油液的压力水平，以使回路内产生规定压力水平下的压力脉动；步骤四，通过与回路电连接的数据采集仪60采集数据，得到试验件50的压力脉动传递特性、试验件50的流阻特性、试验件50在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应以及试验件50在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应；进一步的，所述步骤四中，所述数据采集仪60与回路电连接，得到试验件50的压力脉动传递特性和流阻特性，包括以下子步骤：第一步，通过数据采集仪60与入口压力传感器52和出口压力传感器54相连接；第二步，通过数据采集仪60获得测试管路51入口处的压力波动曲线p1和出口处的压力波动曲线p2；第三步，分析对比第二部获得的p1和p2的幅值关系，以获得被测对象的压力脉动传递特性，获得压力或者压力脉动的幅值变化结果，依据相关理论分析被测对象的流阻特性；
进一步的，所述步骤四中，所述数据采集仪60与回路电连接，得到试验件50在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应，包括以下子步骤：第一步，将加速度传感器55粘贴于测试管路51外表面，粘贴位置沿管路截面间隔90
°
；第二步，加速度传感器55 连接数据采集仪60，启动系统并开始测试，以获得被测对象在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应；进一步的，所述步骤四中，所述数据采集仪60与回路电连接，得到试验件50在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应，包括以下子步骤；第一步，在靠近第一管接头533和第二管接头5395mm的位置处，分别粘贴两个沿着管路轴向的应变片56，相邻两个应变片56沿着管路截面间隔90
°
粘贴；第二步，通过导线与数据采集仪60相连接，启动系统并开始测试，以获得被测对象在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应。
29.本发明的具体操作方式如下：将试验件50的输出端连接油滤40，油滤40的输出端连接调压机构30，调压机构30的输出端连接油箱20，油箱20的输出端连接高压油泵10，高压油泵10的输出端连接试验件50，形成回路，启动高压油泵10，以使高压油泵10抽出油箱20内的油液，并输送油液依次经过试验件50、油滤40、调压机构30，直至油液流回油箱20；通过调压机构30调整步骤二中所输送的油液的压力水平，以使回路内产生规定压力水平下的压力脉动，通过与回路电连接的数据采集仪60采集数据，得到试验件50的压力脉动传递特性、试验件50的流阻特性、试验件50在不同压力脉动下的面外和面内振动加速度响应以及试验件50在不同压力脉动下的面外和面内振动应变响应。
30.上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。