管路及支架振動試驗技術

于韶明，衛 國，任冬輝，趙帥帥，胡彥平

（北京強度環境研究所，北京，100076）

0 引言

新型中型運載火箭通過簡單的適應性改造，短期內即可實現發射高、中、低軌各種應用衛星的能力，以滿足當前國內外主流衛星發射市場的迫切需求，打造成中國航天面向市場化、國際化的主力火箭。預計2021年左右，該型號運載火箭各項技術趨于穩定時，將承擔中國80%左右的發射任務。該型號運載火箭作為按照載人航天標準研制的新型中型運載火箭，具有高性能、高可靠的顯著優勢，應用前景十分廣闊[1～3]。

該型號采用液氧/煤油作為燃料，燃燒后產生二氧化碳和水，無毒無污染，不會對環境造成破壞，是名符其實的“綠色”火箭。然而新燃料的使用對設計提出新的要求，氧化劑帶來的低溫環境對材料、產品的性能有很大的影響[4～7]，特別是對作為火箭“血管”的管路系統要求更高，不僅需滿足液氧/煤油等介質的安全可靠的運行，同時需要完成加注、增壓、輸送等各種功能。

管路在振動環境中可能發生“跑”、“冒”、“滴”、“漏”、“裂”、“斷”等問題，管路支架在復雜振動環境下也可能導致斷裂、失效等多種問題。為了保證新型中型運載火箭的高可靠性、高成功率，需要對輸送管路、預冷回流管路、排氣管路、增壓管路、測壓管路等一系列管路進行充分的地面試驗考核，暴露薄弱點，提高可靠性[8]。

1 管路及支架振動試驗實現難題

管路及支架振動試驗為復雜邊界的復合環境試驗，涉及準確邊界模擬、內壓、低溫等多種要求，屬于非標準試驗，需要根據每個產品的具體使用工況、結合工程實現能力合理設計試驗方法，力求經濟、有效、便捷地達到管路及支架的地面振動試驗目的。

通過對涉及的各級輸送管路、預冷回流管路、排氣管路、增壓管路、測壓管路等復雜管路地面振動試驗項目整理，充分評估其難點，主要包括以下幾點：

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

b）因載重量級大，其輸送管路、內徑較大，在施加內壓后，管路的膨脹引起的伸長力很大，已超過振動設備的承載能力，對振動試驗提出了巨大的挑戰。

c）管路施加內壓后，因兩端位移受到限制，會出現壓桿穩定問題，給操作帶來風險，操作不慎管路加壓就會發生失穩破壞。

d）振動設備在常溫環境下運行，而液氧管路需在低溫環境下進行試驗模擬，試驗過程中需解決振動臺的低溫防護問題。

e）箭上管路多為空間管路，管路鋪設方向存在多種角度，箭上安裝多為取樣管路，試驗產品角度也無法準確提供，需要設計可調角度工裝，同時要求工裝能夠滿足振動傳遞的要求。

針對以上問題，從多個方面研究相應的試驗技術，合理解決管路振動試驗中的一系列問題，既滿足管路考核要求，又具有較強的推廣性。

2 管路及支架振動試驗技術

2.1 支架邊界模擬

管路支架為管路的關鍵邊界，由于管路為空間結構，支架的邊界實現就比較困難。目前主要通過轉接工裝連接管路支架，但是地面試驗采用的轉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確導致試驗失敗，要求管路支架的轉接工裝諧振頻率不能低于500 Hz。

設計各個方向諧振頻率均達到500 Hz以上支架轉接工裝，不僅適用性差，造成經濟上的浪費，同時由于重量大也會影響振動應力的加載。設計了通用型支架轉接工裝，對工裝進行有限元仿真[9]，如圖1所示。工裝兩個方向的諧振頻率分別為115 Hz和1679 Hz，利用轉接工裝諧振頻率高的方向進行管路支架的安裝，如圖2所示。既解決了支架轉接工裝經濟性通用性問題，也滿足了振動應力加載的難題。

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

圖2 支架轉接工裝應用Fig.2 Application of Bracket Transfer Fixture

2.2 內力平衡系統

某型號管路最大直徑達320 mm，其中內壓達0.45 MPa，加壓后對接觸面的壓力達30 kN，對目前采用的9 t振動臺的推力影響很大，甚至無法完成振動應力的加載。而事實上，管路內加壓后壓力為管路內力，可以不需要由振動臺來承載。

為了避免管路的內壓力反作用于振動臺，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，每組設計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，用來實時監測拉力的大小，在試驗增壓過程中，內壓與橡皮繩拉力交替施加，逐步平衡，直至滿足試驗壓力要求。通過鑄塊、橫梁與地軌搭建了整個內力平衡系統的框架，在橫梁上安裝了吊葫蘆，通過彈力繩與管路振動端連接，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，能夠清晰地對彈力繩的受力情況進行監測、分析，水平的彈力繩與力傳感器保證管路振動端能夠實現一定的位移與角度。通過內力平衡系統中部分夾具與鑄塊的擺放，可以實現各種管路的空間造型，模擬出管路在箭上的真實工作狀態。

采用橡皮繩內力平衡系統承載管路內壓引起的壓力，如圖3所示，既能夠消除管路內力對振動臺的影響，確保振動正常加載；同時橡皮繩的剛度低對試驗產品無附加影響[10]，確保振動應力加載過程中振動位移變化后橡皮繩內力幾乎無變化。

圖3 內力平衡系統應用Fig.3 Application of Internal Balance System

2.3 防失穩系統

管路增壓過程中，管路會因內壓增大而伸長，由于管路兩端被限制，形成壓桿穩定問題，如圖4所示。壓桿穩定時受壓桿件維持其原有直線平衡形式的能力；當細長桿件受壓時表現出與強度失效全然不同的性質，例如直桿受壓，當壓力達到一定量值時，桿件會發生失穩破壞。壓桿穩定臨界值Pr[11]為

式中L為桿件長度；E為楊氏模量；I為慣性矩。

圖4 壓桿穩定示意Fig.4 Schematic Diagram of Pressure Bar Stability

以某型號助推煤油管為例，管路長度1530 mm，壁厚1 mm，外徑D為180 mm，內徑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定臨界值，某型號助推煤油管為波紋管，同時管路非直管，如圖5a所示，臨界壓力應遠小于470 kN，試驗管路增壓后發生壓桿穩定失效破壞的可能性很大。試驗時增壓過程中確實發現波紋管處發生較大鼓包，如圖5b所示。

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

在振動端工裝上設計吊環孔，通過吊環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個吊葫蘆，通過調整吊葫蘆將整個振動端工裝限定在一個特定的空間位置。在工裝與振動臺連接孔上固定導向螺栓，在調試過程中，利用臺面和導向螺栓限定工裝的轉角，監視螺栓的狀態，如出現鎖死即刻通過調整橡皮繩消除，直到定位螺栓可以自由轉動再進一步加載內壓。通過反復調整各組橡皮繩的拉力，直到壓力達到額定壓力。壓力和位移調試完成后，將試驗件與振動臺臺面連接后即可進行相關振動試驗。

經過試驗驗證，該系統在提供了足夠的平衡力的同時還提供了足夠的約束，在調試和試驗過程中有效約束了試驗管路，防止了失穩的情況，保證了試驗順利進行。

2.4 振動臺低溫防護系統

管路結構件在低溫振動復合環境下，結構的強度和剛度與常溫環境下都有顯著的不同，需要經過地面上模擬低溫復合環境進行考核。

振動臺只能在常溫環境中正常運行，液氮溫區管路低溫振動試驗時，管路內加注液氮，低溫會傳導到振動設備上，振動應力無法正常加載。為避免管路加入低溫介質對振動臺設備的影響，設計振動臺低溫防護系統[12]，確保管路產品加注低溫介質后振動應力正常加載。低溫防護系統如圖6所示。

圖6 低溫防護系統示意Fig.6 Schematic Diagram of Cryogenic Protection System

動圈與工裝連接釘需要在低溫（最低達20 K）工況下保持高強度，同時熱導率盡量低；選用不銹鋼釘（材料為0Cr18Ni9）連接后，保證振動臺的能量通過隔熱裝置能夠傳導到轉接工裝上，同時盡量較少產品上的低溫傳導到振動臺上。

選用防低溫液體材料制成的防護布，嵌套在振動臺動圈連接柱與隔熱裝置之間，防止低溫介質泄露灼傷動圈。防護布首先需要能夠防止低溫液體泄露，同時需要具備足夠的韌性，能夠蓋在振動臺動圈上。

隔熱裝置需要選取熱傳導率低、剛度高的材料，既保證振動設備能量的傳遞，又能阻斷管路低溫向振動臺動圈傳遞，石英/酚醛短纖維材料在熱傳導率與剛度等方面均滿足，是良好的振動設備隔熱裝置材料。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

管路系統為空間分布，結構復雜、長度各異；同時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確預知，需要現場確定；另外管路振動試驗時經常需要進行位移加載。這些方面導致地面振動試驗的實施困難較大。

設計可調角度工裝，管路的連接法蘭與轉接工裝通過活動槽連接，活動槽實現連接法蘭角度的調整，含活動槽的轉接工裝通過貫通螺桿固定連接法蘭，實現振動能量的有效傳遞。

某型號芯一級氧排氣管試驗時，其中一端接口不在平面內，采用空間管路振動夾具的方法，根據實際情況調整管路接口，順利完成安裝，如圖7所示。最終順利完成芯一級氧排氣管試驗。

圖7 氧排氣管試驗試驗Fig.7 Schematic Diagram of Pipeline Test

3 結論

為了順利完成某型號管路系統振動試驗，保證地面試驗的完備性，管路及支架振動試驗技術解決了以下試驗難題：

a）支架邊界的模擬方法，通過有限元計算對模擬工裝進行分析，以此為依據進行支架安裝，經濟有效地完成多個管路及支架振動試驗。

b）內力平衡系統，將管路增壓引起的伸長力轉換為內力，而不直接施加于振動臺上，確保振動臺能夠正常工作。

c）基于壓力穩定理論的防失穩系統，確保了內力平衡系統作用于管路后，管路不失穩。內力平衡系統、防失穩系統解決了煤油輸送管振動試驗中易失穩的難題。

d）振動臺的低溫防護系統，確保了振動臺進行低溫管路振動試驗時能夠在正常溫度環境中，確保了低溫管路振動試驗順利進行。

e）設計可調角度工裝，確保了復雜空間管路的安裝問題，同時保證振動量級的有效傳遞。