金屬聯(lián)軸器膜片 返回列表頁(yè)

膜片按行業(yè)分：有電聲行業(yè)膜片；機(jī)械行業(yè)橡膠膜片；過(guò)濾隔離行業(yè)微孔膜片；光學(xué)行業(yè)膜片；金屬聯(lián)軸器膜片。

波紋膜片式光纖法布里-珀羅壓力傳感器

光纖壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾、、、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工程建設(shè)、石油鉆井、大型變電設(shè)備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等環(huán)境。為了準(zhǔn)確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測(cè)量精度，需要新的材料或進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)2種。毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓力感知敏感度低，可用于大壓強(qiáng)范圍的測(cè)量，但不適于對(duì)精度要求高的微壓測(cè)量。膜片式法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)理論上可以獲得較高的靈敏度，成為常用的干涉型光纖壓力傳感器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線性度好、測(cè)量、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)良特性。為了進(jìn)一步提高膜片式F-P壓力傳感器的靈敏度，設(shè)計(jì)并研制了波紋膜片式光纖 F-P 壓力傳感器，該傳感器靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。 

傳感器的結(jié)構(gòu)分析

壓力傳感器由波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭等構(gòu)成，其中d波紋膜片即為壓力敏感膜。1）將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)端面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合；2）將玻璃圓環(huán)另一端的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)，即構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器。光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里-珀羅(F-P)腔。光經(jīng)光纖垂直入射，一部分被光纖端面反射，另一部分光經(jīng)過(guò)空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內(nèi)部發(fā)生干涉。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)生形變，從而改變 F-P腔的腔長(zhǎng)，引起反射譜的相位移動(dòng)。對(duì)反射光譜進(jìn)行解調(diào)，可以腔長(zhǎng)的大小，從而計(jì)算得出作用于波紋膜片上的壓力。

傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設(shè)置波紋膜片的參數(shù)：工作半徑為4600μm，厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm，楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，材料為316L不銹鋼。

仿真計(jì)算波紋寬度為500、600、750、1000μm時(shí)撓度隨壓力的變化曲線。在同等壓力下，波紋寬度越大，撓度越大。當(dāng)波紋寬度高于750μm時(shí)，壓力-撓度曲線的線性度變差。為了撓度變化較大且線性度較好的值，選擇波紋寬度為750μm的波紋膜片。

仿真計(jì)算波高為10~90μm時(shí)撓度的變化情況。當(dāng)波高為30~80μm時(shí)，撓度有較高的變化量，在撓度相同、線性度近似的情況下，綜合考慮波紋膜片的加工成本，選擇波紋高度為60μm的波紋膜片。

利用 CoventorWare 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置敏感膜的厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的壓力，波紋膜撓度為55μm。

傳感器壓力測(cè)試系統(tǒng)

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測(cè)系統(tǒng)是各自獨(dú)立的，且具有2個(gè)通道，每個(gè)通道可以檢測(cè)100個(gè)傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長(zhǎng)分辨率為0.25pm，精度±1pm。2個(gè)通道采用高功率掃描激光器作為光源，輸出波長(zhǎng)為1510~1590nm，光源輸出的光通過(guò)一個(gè)2×2光纖耦合器被分成強(qiáng)度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測(cè)通道，作為入射參考光；另一束光傳輸經(jīng)過(guò)F-P微腔形成干涉信號(hào)，再通過(guò)光纖耦合器接回到CH1檢測(cè)通道，作為反射測(cè)量光；2束光同時(shí)進(jìn)行掃描并傳入計(jì)算機(jī)。由于波紋膜撓度和壓力呈線性關(guān)系，因此壓力的大小可由對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)的變化量來(lái)定。

用YS-2.5型活塞壓力計(jì)對(duì)傳感器從0~0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.01MPa標(biāo)定一次，25 ℃時(shí)，微壓傳感器的初始腔長(zhǎng)為137.11μm，腔長(zhǎng)總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真?zhèn)鞲衅鞯那婚L(zhǎng)隨壓力變化曲線 ，Matlab計(jì)算的腔長(zhǎng)擬合方程為L(zhǎng)=518.0188P+137.1081，均方根誤差為0.9991，傳感器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程范圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結(jié)果一致。

遲滯性是反映傳感器在正反行程過(guò)程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)。先對(duì)壓力傳感器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出傳感器升降壓曲線幾乎重合，計(jì)算相對(duì)遲滯誤差為0.4%，遲滯效應(yīng)很弱。

隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)金屬膜片設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

飛行優(yōu)化控制和推進(jìn)劑能量管理需要，發(fā)展了一種采用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進(jìn)行固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室分隔的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次關(guān)機(jī)、啟動(dòng)。在現(xiàn)有兩種形式隔離裝置中，隔艙式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、下脈沖裝藥形式限

制小、打開(kāi)壓強(qiáng)統(tǒng)一性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐漸發(fā)展形成噴射棒、非金屬易碎、金屬膜片等形式隔離裝置的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。

金屬聯(lián)軸器膜片式隔艙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)常選用金屬或非金屬支撐件、一側(cè)經(jīng)絕熱處理的金屬膜片組合進(jìn)行燃燒室分隔，經(jīng)驗(yàn)證，該方案采用隔熱層、沉淀硬化不銹鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)燃燒室分隔，但仍存在質(zhì)量大、絕熱特性差等缺點(diǎn)。提出了8通氣孔金屬隔

板設(shè)計(jì)，提高了絕熱和抗燒蝕性能，但結(jié)構(gòu)型面仍有不足。

輪輻式支撐件可減小隔艙重量，并且可與密封膜片緊密貼實(shí)，因此被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，在膜片上還能實(shí)施刻痕、絕熱處理、材料改進(jìn)等措施，可進(jìn)一步打開(kāi)壓強(qiáng)、材料敏感性等特性。

金屬膜片設(shè)計(jì)

采用金屬膜片和輪輻式支撐構(gòu)成隔艙結(jié)構(gòu)完成雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室級(jí)間隔離。其工作原理為： I 脈沖點(diǎn)火工作時(shí)，在金屬膜片分隔作用下兩脈沖燃燒室保持獨(dú)立； 當(dāng) II 脈沖工作內(nèi)壓達(dá)到打開(kāi)壓強(qiáng)后，膜片按預(yù)先設(shè)計(jì)形式破裂，兩級(jí)燃燒室貫通，燃?xì)庖来瓮ㄟ^(guò)隔艙結(jié)

構(gòu)、I 脈沖燃燒室和尾噴管后排出，產(chǎn)生   次推力。

為實(shí)現(xiàn)以上工作過(guò)程，金屬膜片在隔艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中占重要地位。根據(jù)液體發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)破裂膜片研究方法，確定采用、易變形的LY12鋁合金材料、薄板形式金屬膜片。另外，為、方便地控制打開(kāi)壓強(qiáng)、隔艙消融形狀，還需在其一側(cè)進(jìn)行預(yù)先刻痕處理。 

應(yīng)力強(qiáng)度因子公式推導(dǎo)

在不影響結(jié)論正確性基礎(chǔ)上，做以下假設(shè)以便合理確定預(yù)制缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成膜片設(shè)計(jì)：

( 1) 選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對(duì)象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結(jié)構(gòu)。

( 2) 膜片實(shí)際破壞過(guò)程為瞬間動(dòng)態(tài)過(guò)程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認(rèn)為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程為線彈性斷裂問(wèn)題。

( 3) 圓弧長(zhǎng)度與預(yù)制缺陷V型槽斜面長(zhǎng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)對(duì)預(yù)制缺陷圓角并不敏感，因此，預(yù)制缺陷需確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅為V型槽開(kāi)口角度α，缺陷a和膜片厚度h。

此外，由于所確定的金屬膜片預(yù)制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對(duì)象；所設(shè)計(jì)的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴(kuò)展破壞，因此只需求解預(yù)制缺陷處的 I 型應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI 即可表

征金屬膜片性。

金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點(diǎn)燃初始?jí)簭?qiáng)控制要求，確定金屬膜片設(shè)計(jì)打開(kāi)壓強(qiáng)為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m2的膜片結(jié)構(gòu)尺寸分別為： 開(kāi)口角度α =90°，缺陷a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計(jì)算，在該參數(shù)條件時(shí)預(yù)制缺陷上應(yīng)力強(qiáng)度因子隨徑向距離變化關(guān)系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應(yīng)力大，應(yīng)力強(qiáng)度因子在該處也達(dá)到值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到21.4 MPa/m2 ，大于對(duì)應(yīng)材料斷裂韌性，因此在該燃燒室

內(nèi)壓作用下，膜片將從中心位置開(kāi)始破壞并逐步擴(kuò)展致整個(gè)預(yù)制缺陷，符合預(yù)先設(shè)計(jì)。

金屬膜片打開(kāi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為考核結(jié)構(gòu)參數(shù)性，采用裝置開(kāi)展隔艙金屬聯(lián)軸器膜片打開(kāi)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結(jié)構(gòu)、進(jìn)壓口、測(cè)試裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中在 II 脈沖集氣室內(nèi)裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間，通過(guò)設(shè)置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)產(chǎn)生的壓強(qiáng)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初始?jí)簭?qiáng)。