管道溫度傳感器探頭應(yīng)用中強度估算淺析

摘要：簡述了管道溫度傳感器的整體組成及探頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，分析了傳感器的安裝模型（懸臂梁結(jié)構(gòu)）和管路介質(zhì)對傳感器探頭沖擊受力分析，給出了影響探頭塑性形變的兩個因素，估算了探頭強度，計算了其在應(yīng)用中由工作載荷引起的形變量。

關(guān)鍵詞：懸臂梁結(jié)構(gòu)；塑性形變；強度估算

1.引言

在飛機燃油系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)中，管道內(nèi)流體的溫度是非常重要的參數(shù)，它直接影響各系統(tǒng)的工作性能。管道溫度傳感器輸出為二次儀表提供數(shù)據(jù)參考，對飛行安全意義重大。管路內(nèi)介質(zhì)流速較大且不均勻，對伸入管路的傳感器探頭有較大沖擊。為保證實時、準(zhǔn)確、長期穩(wěn)定的檢測管道內(nèi)流體的溫度，對傳感器結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強度估算，以確定設(shè)計的合理性以及是否進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)十分必要。

2 強度估算目的及估算方法

強度估算目的：計算分析探頭規(guī)格為Φ4×100的管道溫度傳感器在管路介質(zhì)流速為200 m/s沖擊下的探頭強度是否滿足使用要求（即是否有較大的塑性變形）。

強度估算方法：本文通過探頭自重及振動、外力F兩方面引起的探頭塑性形變來粗略估算產(chǎn)品探頭強度是否滿足實際使用要求。

2.1探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

管道溫度傳感器從結(jié)構(gòu)上大體分為兩部分，前端探頭為感溫部分，后端為固線座組件用來引出和固定測量電纜，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 管道溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

對探頭強度進(jìn)行優(yōu)化：管道溫度傳感器的探頭部分為100mm長的薄壁結(jié)構(gòu)，強度上為整個傳感器的薄弱環(huán)節(jié)，探頭規(guī)格和尺寸如圖1，探頭壁厚為0.75mm。探頭部分在加工時做了改進(jìn)，細(xì)長探頭和球面結(jié)構(gòu)連接處根部加工工藝為清根。為消除應(yīng)力集中，現(xiàn)將其更改為R1的圓弧過渡如圖2所示。探頭改進(jìn)后，產(chǎn)品在振動試驗中（經(jīng)HB5830.5-84 A曲線驗證，加速度為14g）從未出現(xiàn)變形、裂紋、結(jié)構(gòu)損傷等問題。

圖2 改進(jìn)后探頭示意圖

2.2自重和振動引起探頭塑性形變估算

傳感器安裝于被測管道后（安裝示意圖如圖5），探頭為懸臂梁結(jié)構(gòu)，其受力分析如圖3所示。

圖3 傳感器探頭受力示意圖

q為探頭自重mg產(chǎn)生的均布載荷，q=mg/100mm，探頭質(zhì)量為m，計算探頭質(zhì)量如下式：

將r=2mm，r1=1.25mm，l1=98mm，ρ=7.9×103Kg/m3代入式1，求得m=6.052g。

探頭的最大剪力和彎矩為懸臂梁的自由端，計算公式分別如式2和式3：

計算求得FS=59.3096×10-3N，M=31.419×10-4N，由式2和式3計算得知，由懸臂梁自重引起的剪力和彎矩可不予考慮。

探頭在實際使用中的振動量級用HB5830.5-84 E曲線近似模擬，加速度為6g，由以上計算知由振動引起的剪力和彎矩的數(shù)量級分別為10-3和10-4，在實際應(yīng)用中可忽略其影響。

2.3外力F加載探頭塑性形變模型分析

傳感器安裝在管路中（安裝示意圖見圖5），探頭為懸臂梁結(jié)構(gòu)，不考慮探頭自重的影響下，由材料力學(xué)分析，懸臂梁的最大彎曲正應(yīng)力 與最大彎曲切應(yīng)力 分別如式4和式5：

由式4和式5得到式6：

傳感器探頭截面為Φ4的圓，L為梁的跨度，L=100，h為截面高度，探頭b=h=4。將參量代入式6計算可知，當(dāng)L>>h時，梁的最大彎曲正應(yīng)力遠(yuǎn)大于彎曲切應(yīng)力，即 >> 。由此可見，一般細(xì)長的薄壁截面梁結(jié)構(gòu)，只考慮彎曲正應(yīng)力 。

2.4 外力F引起探頭塑性形變估算

實際應(yīng)用中，管路流體對傳感器探頭沖擊示意圖如圖6所示。管路中流體的動壓估算如式7（靜壓和動壓相比較小，忽略其影響）。

動壓估算Δ （式7）

將ρ=0.8×103，V=200m/s，代入式7，計算得到流體動壓ΔP=16MPa。

管路中由于介質(zhì)沖擊，作用在探頭上的力F計算為

F=ΔP×S×COS450 （式8）

其中S為投影到探頭的橫截面積，S=[d×（L-L1）+π/2×（2mm）2]×COS450 （式9）

式9中d=4mm，L=100mm，L1=19mm。綜合式7和式9計算得到，垂直于傳感器探頭軸向方向，探頭受力F=3736.728N。

圖5 傳感器安裝示意圖 圖6 管路介質(zhì)沖擊示意圖

傳感器探頭部分截面為圓環(huán)，如圖4所示，其橫截面積A計算為 （式10）

將r=2mm，r1=1.25mm，代入式10中計算得到橫截面積 m3。

由GJB 2294/2295-1995不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）棒材和板材的抗拉強度σ均為σ≤540MPa。

（式11）

由式11計算得探頭的許用應(yīng)力F1≤σ×A=4135.121N。

2.估算結(jié)果和結(jié)論

由估算結(jié)果知：F=3736.728N

由式（8）、（10）、（11）計算出發(fā)生塑性形變的探頭最大長度Lmax=108.1527mm。L=100

估算結(jié)論：管道溫度傳感器探頭強度符合實際工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 余同希，邱信明，沖擊動力學(xué) 清華大學(xué)出版社，2011.08。

[3] 《工程材料實用手冊》，編輯委員會編，第2版，第1卷，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.09。

作者簡介：李文華（1985 — ），女，遼寧朝陽人，研究方向為電子產(chǎn)品設(shè)計。

（作者單位：中國飛行試驗研究院）