管路及支架振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

于韶明，衛(wèi) 國，任冬輝，趙帥帥，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

0 引言

新型中型運(yùn)載火箭通過簡單的適應(yīng)性改造，短期內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射高、中、低軌各種應(yīng)用衛(wèi)星的能力，以滿足當(dāng)前國內(nèi)外主流衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)的迫切需求，打造成中國航天面向市場(chǎng)化、國際化的主力火箭。預(yù)計(jì)2021年左右，該型號(hào)運(yùn)載火箭各項(xiàng)技術(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，將承擔(dān)中國80%左右的發(fā)射任務(wù)。該型號(hào)運(yùn)載火箭作為按照載人航天標(biāo)準(zhǔn)研制的新型中型運(yùn)載火箭，具有高性能、高可靠的顯著優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊[1～3]。

該型號(hào)采用液氧/煤油作為燃料，燃燒后產(chǎn)生二氧化碳和水，無毒無污染，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，是名符其實(shí)的“綠色”火箭。然而新燃料的使用對(duì)設(shè)計(jì)提出新的要求，氧化劑帶來的低溫環(huán)境對(duì)材料、產(chǎn)品的性能有很大的影響[4～7]，特別是對(duì)作為火箭“血管”的管路系統(tǒng)要求更高，不僅需滿足液氧/煤油等介質(zhì)的安全可靠的運(yùn)行，同時(shí)需要完成加注、增壓、輸送等各種功能。

管路在振動(dòng)環(huán)境中可能發(fā)生“跑”、“冒”、“滴”、“漏”、“裂”、“斷”等問題，管路支架在復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境下也可能導(dǎo)致斷裂、失效等多種問題。為了保證新型中型運(yùn)載火箭的高可靠性、高成功率，需要對(duì)輸送管路、預(yù)冷回流管路、排氣管路、增壓管路、測(cè)壓管路等一系列管路進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)考核，暴露薄弱點(diǎn)，提高可靠性[8]。

1 管路及支架振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)難題

管路及支架振動(dòng)試驗(yàn)為復(fù)雜邊界的復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)，涉及準(zhǔn)確邊界模擬、內(nèi)壓、低溫等多種要求，屬于非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，需要根據(jù)每個(gè)產(chǎn)品的具體使用工況、結(jié)合工程實(shí)現(xiàn)能力合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，力求經(jīng)濟(jì)、有效、便捷地達(dá)到管路及支架的地面振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

通過對(duì)涉及的各級(jí)輸送管路、預(yù)冷回流管路、排氣管路、增壓管路、測(cè)壓管路等復(fù)雜管路地面振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目整理，充分評(píng)估其難點(diǎn)，主要包括以下幾點(diǎn)：

a）為了管路的安全，箭上基本按照500 mm距離安裝一個(gè)支架，在振動(dòng)設(shè)備加載平面有限的現(xiàn)狀下，在確保管路兩端邊界的同時(shí)，完成管路支架邊界的模擬比較困難。

b）因載重量級(jí)大，其輸送管路、內(nèi)徑較大，在施加內(nèi)壓后，管路的膨脹引起的伸長力很大，已超過振動(dòng)設(shè)備的承載能力，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

c）管路施加內(nèi)壓后，因兩端位移受到限制，會(huì)出現(xiàn)壓桿穩(wěn)定問題，給操作帶來風(fēng)險(xiǎn)，操作不慎管路加壓就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

d）振動(dòng)設(shè)備在常溫環(huán)境下運(yùn)行，而液氧管路需在低溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，試驗(yàn)過程中需解決振動(dòng)臺(tái)的低溫防護(hù)問題。

e）箭上管路多為空間管路，管路鋪設(shè)方向存在多種角度，箭上安裝多為取樣管路，試驗(yàn)產(chǎn)品角度也無法準(zhǔn)確提供，需要設(shè)計(jì)可調(diào)角度工裝，同時(shí)要求工裝能夠滿足振動(dòng)傳遞的要求。

針對(duì)以上問題，從多個(gè)方面研究相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)，合理解決管路振動(dòng)試驗(yàn)中的一系列問題，既滿足管路考核要求，又具有較強(qiáng)的推廣性。

2 管路及支架振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

2.1 支架邊界模擬

管路支架為管路的關(guān)鍵邊界，由于管路為空間結(jié)構(gòu)，支架的邊界實(shí)現(xiàn)就比較困難。目前主要通過轉(zhuǎn)接工裝連接管路支架，但是地面試驗(yàn)采用的轉(zhuǎn)接工裝無法完全模擬箭上邊界條件，為了不因支架邊界模擬不準(zhǔn)確導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，要求管路支架的轉(zhuǎn)接工裝諧振頻率不能低于500 Hz。

設(shè)計(jì)各個(gè)方向諧振頻率均達(dá)到500 Hz以上支架轉(zhuǎn)接工裝，不僅適用性差，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，同時(shí)由于重量大也會(huì)影響振動(dòng)應(yīng)力的加載。設(shè)計(jì)了通用型支架轉(zhuǎn)接工裝，對(duì)工裝進(jìn)行有限元仿真[9]，如圖1所示。工裝兩個(gè)方向的諧振頻率分別為115 Hz和1679 Hz，利用轉(zhuǎn)接工裝諧振頻率高的方向進(jìn)行管路支架的安裝，如圖2所示。既解決了支架轉(zhuǎn)接工裝經(jīng)濟(jì)性通用性問題，也滿足了振動(dòng)應(yīng)力加載的難題。

圖1 支架轉(zhuǎn)接工裝諧振頻率Fig.1 Resonance Frequency of Fixture for Bracket Transfer

圖2 支架轉(zhuǎn)接工裝應(yīng)用Fig.2 Application of Bracket Transfer Fixture

2.2 內(nèi)力平衡系統(tǒng)

某型號(hào)管路最大直徑達(dá)320 mm，其中內(nèi)壓達(dá)0.45 MPa，加壓后對(duì)接觸面的壓力達(dá)30 kN，對(duì)目前采用的9 t振動(dòng)臺(tái)的推力影響很大，甚至無法完成振動(dòng)應(yīng)力的加載。而事實(shí)上，管路內(nèi)加壓后壓力為管路內(nèi)力，可以不需要由振動(dòng)臺(tái)來承載。

為了避免管路的內(nèi)壓力反作用于振動(dòng)臺(tái)，采用4組與豎直方向成一定角度（不超過30°）的彈力繩平衡軸向力。彈力繩單根最大拉力不小于1 kN，本著留有50%余量的原則，每組設(shè)計(jì)9根橡皮繩，在橡皮繩龍骨與下端鋼絲繩之間布置了力傳感器，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉力的大小，在試驗(yàn)增壓過程中，內(nèi)壓與橡皮繩拉力交替施加，逐步平衡，直至滿足試驗(yàn)壓力要求。通過鑄塊、橫梁與地軌搭建了整個(gè)內(nèi)力平衡系統(tǒng)的框架，在橫梁上安裝了吊葫蘆，通過彈力繩與管路振動(dòng)端連接，在彈力繩中間布置了力傳感器，使得在位移載荷加載的過程中，能夠清晰地對(duì)彈力繩的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，水平的彈力繩與力傳感器保證管路振動(dòng)端能夠?qū)崿F(xiàn)一定的位移與角度。通過內(nèi)力平衡系統(tǒng)中部分夾具與鑄塊的擺放，可以實(shí)現(xiàn)各種管路的空間造型，模擬出管路在箭上的真實(shí)工作狀態(tài)。

采用橡皮繩內(nèi)力平衡系統(tǒng)承載管路內(nèi)壓引起的壓力，如圖3所示，既能夠消除管路內(nèi)力對(duì)振動(dòng)臺(tái)的影響，確保振動(dòng)正常加載；同時(shí)橡皮繩的剛度低對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品無附加影響[10]，確保振動(dòng)應(yīng)力加載過程中振動(dòng)位移變化后橡皮繩內(nèi)力幾乎無變化。

圖3 內(nèi)力平衡系統(tǒng)應(yīng)用Fig.3 Application of Internal Balance System

2.3 防失穩(wěn)系統(tǒng)

管路增壓過程中，管路會(huì)因內(nèi)壓增大而伸長，由于管路兩端被限制，形成壓桿穩(wěn)定問題，如圖4所示。壓桿穩(wěn)定時(shí)受壓桿件維持其原有直線平衡形式的能力；當(dāng)細(xì)長桿件受壓時(shí)表現(xiàn)出與強(qiáng)度失效全然不同的性質(zhì)，例如直桿受壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定量值時(shí)，桿件會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。壓桿穩(wěn)定臨界值Pr[11]為

式中L為桿件長度；E為楊氏模量；I為慣性矩。

圖4 壓桿穩(wěn)定示意Fig.4 Schematic Diagram of Pressure Bar Stability

以某型號(hào)助推煤油管為例，管路長度1530 mm，壁厚1 mm，外徑D為180 mm，內(nèi)徑d為178 mm，彈性模量200 GPa，管路慣性矩I為

得到臨界壓力Pr=470 kN，該臨界壓力為純不銹鋼直管的壓桿穩(wěn)定臨界值，某型號(hào)助推煤油管為波紋管，同時(shí)管路非直管，如圖5a所示，臨界壓力應(yīng)遠(yuǎn)小于470 kN，試驗(yàn)管路增壓后發(fā)生壓桿穩(wěn)定失效破壞的可能性很大。試驗(yàn)時(shí)增壓過程中確實(shí)發(fā)現(xiàn)波紋管處發(fā)生較大鼓包，如圖5b所示。

圖5 助推煤油管示意Fig.5 Schematic Diagram of Pipeline Test

在振動(dòng)端工裝上設(shè)計(jì)吊環(huán)孔，通過吊環(huán)與四周的直立柱用四組互成90°的彈力繩加鋼絲繩固定，在直立柱上布置4個(gè)吊葫蘆，通過調(diào)整吊葫蘆將整個(gè)振動(dòng)端工裝限定在一個(gè)特定的空間位置。在工裝與振動(dòng)臺(tái)連接孔上固定導(dǎo)向螺栓，在調(diào)試過程中，利用臺(tái)面和導(dǎo)向螺栓限定工裝的轉(zhuǎn)角，監(jiān)視螺栓的狀態(tài)，如出現(xiàn)鎖死即刻通過調(diào)整橡皮繩消除，直到定位螺栓可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)再進(jìn)一步加載內(nèi)壓。通過反復(fù)調(diào)整各組橡皮繩的拉力，直到壓力達(dá)到額定壓力。壓力和位移調(diào)試完成后，將試驗(yàn)件與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面連接后即可進(jìn)行相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在提供了足夠的平衡力的同時(shí)還提供了足夠的約束，在調(diào)試和試驗(yàn)過程中有效約束了試驗(yàn)管路，防止了失穩(wěn)的情況，保證了試驗(yàn)順利進(jìn)行。

2.4 振動(dòng)臺(tái)低溫防護(hù)系統(tǒng)

管路結(jié)構(gòu)件在低溫振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度與常溫環(huán)境下都有顯著的不同，需要經(jīng)過地面上模擬低溫復(fù)合環(huán)境進(jìn)行考核。

振動(dòng)臺(tái)只能在常溫環(huán)境中正常運(yùn)行，液氮溫區(qū)管路低溫振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，管路內(nèi)加注液氮，低溫會(huì)傳導(dǎo)到振動(dòng)設(shè)備上，振動(dòng)應(yīng)力無法正常加載。為避免管路加入低溫介質(zhì)對(duì)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備的影響，設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)低溫防護(hù)系統(tǒng)[12]，確保管路產(chǎn)品加注低溫介質(zhì)后振動(dòng)應(yīng)力正常加載。低溫防護(hù)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 低溫防護(hù)系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic Diagram of Cryogenic Protection System

動(dòng)圈與工裝連接釘需要在低溫（最低達(dá)20 K）工況下保持高強(qiáng)度，同時(shí)熱導(dǎo)率盡量低；選用不銹鋼釘（材料為0Cr18Ni9）連接后，保證振動(dòng)臺(tái)的能量通過隔熱裝置能夠傳導(dǎo)到轉(zhuǎn)接工裝上，同時(shí)盡量較少產(chǎn)品上的低溫傳導(dǎo)到振動(dòng)臺(tái)上。

選用防低溫液體材料制成的防護(hù)布，嵌套在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈連接柱與隔熱裝置之間，防止低溫介質(zhì)泄露灼傷動(dòng)圈。防護(hù)布首先需要能夠防止低溫液體泄露，同時(shí)需要具備足夠的韌性，能夠蓋在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈上。

隔熱裝置需要選取熱傳導(dǎo)率低、剛度高的材料，既保證振動(dòng)設(shè)備能量的傳遞，又能阻斷管路低溫向振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈傳遞，石英/酚醛短纖維材料在熱傳導(dǎo)率與剛度等方面均滿足，是良好的振動(dòng)設(shè)備隔熱裝置材料。選取石英/酚醛短纖維加工隔熱裝置。

2.5 空間管路變角度工裝

管路系統(tǒng)為空間分布，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長度各異；同時(shí)火箭上管路許多都是取樣安裝，管路接口的空間角度無法提前準(zhǔn)確預(yù)知，需要現(xiàn)場(chǎng)確定；另外管路振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行位移加載。這些方面導(dǎo)致地面振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施困難較大。

設(shè)計(jì)可調(diào)角度工裝，管路的連接法蘭與轉(zhuǎn)接工裝通過活動(dòng)槽連接，活動(dòng)槽實(shí)現(xiàn)連接法蘭角度的調(diào)整，含活動(dòng)槽的轉(zhuǎn)接工裝通過貫通螺桿固定連接法蘭，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的有效傳遞。

某型號(hào)芯一級(jí)氧排氣管試驗(yàn)時(shí)，其中一端接口不在平面內(nèi)，采用空間管路振動(dòng)夾具的方法，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整管路接口，順利完成安裝，如圖7所示。最終順利完成芯一級(jí)氧排氣管試驗(yàn)。

圖7 氧排氣管試驗(yàn)試驗(yàn)Fig.7 Schematic Diagram of Pipeline Test

3 結(jié)論

為了順利完成某型號(hào)管路系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)，保證地面試驗(yàn)的完備性，管路及支架振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)解決了以下試驗(yàn)難題：

a）支架邊界的模擬方法，通過有限元計(jì)算對(duì)模擬工裝進(jìn)行分析，以此為依據(jù)進(jìn)行支架安裝，經(jīng)濟(jì)有效地完成多個(gè)管路及支架振動(dòng)試驗(yàn)。

b）內(nèi)力平衡系統(tǒng)，將管路增壓引起的伸長力轉(zhuǎn)換為內(nèi)力，而不直接施加于振動(dòng)臺(tái)上，確保振動(dòng)臺(tái)能夠正常工作。

c）基于壓力穩(wěn)定理論的防失穩(wěn)系統(tǒng)，確保了內(nèi)力平衡系統(tǒng)作用于管路后，管路不失穩(wěn)。內(nèi)力平衡系統(tǒng)、防失穩(wěn)系統(tǒng)解決了煤油輸送管振動(dòng)試驗(yàn)中易失穩(wěn)的難題。

d）振動(dòng)臺(tái)的低溫防護(hù)系統(tǒng)，確保了振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行低溫管路振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)能夠在正常溫度環(huán)境中，確保了低溫管路振動(dòng)試驗(yàn)順利進(jìn)行。

e）設(shè)計(jì)可調(diào)角度工裝，確保了復(fù)雜空間管路的安裝問題，同時(shí)保證振動(dòng)量級(jí)的有效傳遞。