一种航空煤油液压泵在线环境高温试验箱的研制.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 6年 第 02期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 0 4 一 种航空煤油液压泵在线环境高温试验箱的研制 卢学渊， 张 琛 力源液压系统有限公司， 贵州 贵阳 5 5 0 0 1 8 摘 要 该文介绍了一种航空煤油液压泵在线环境高温试验箱的研制。该高温试验箱是结合航空煤油液压泵试验台， 把在线T况的航 空煤油液压泵放置于高温试验箱工作室内， 为其提供满足要求的温升速率和可按多种温控曲线变化的环境温度 ， 从而实现对航空煤 油液压泵在环境高温条件下进行性能特性考核。该高温试验箱采取了多种安全防护措施， 以保证试验过程的安全可靠性。 关键词 航空煤油； 环境高温； 在线工况； 温升速率 ； 安全防护 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 2 0 0 0 8 0 4 T h e De v e l o p me n t o f a n o n ． 1 i n e Hi g h T e mp e r a t u r e T e s t C h a mb e r f o r Av i a t i o n Ke r o s e n e Hy r d r a ul i c P u mp LUXu e - y u a n ， Z HA NG Ch e n L i y u a n Hy d r a u l i c S y s t e m C o ． ， L t d ． ， G u i y a n g 5 5 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e d e v e l o p me n t o f a h i g h t e mp e r a t u r e t e s t c h a mb e r f o r a v i a t i o n k e r o s e n e h y d r a u l i c p u mp o n - l i n e i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． ． Th e h i g h t e mp e r a t u r e t e s t b o x i s c o mb i n e d wi t h a v i a t i o n k e r o s e n e h y dr a u l i c p u mp t e s t b e n c h ， t h e o n l i n e c o n d i t i o n o f a v i a t i o n k e r o s e n e h y dr a u l i c p u mp p l a c e d i n t h e h i g h t e mp e r a t u r e t e s t b o x s tud i o ， p r o v i d e me e t r e q u i r e me n t s o f t h e r a t e o f t e mp e r a t u r e ris e a n d a c c o r d i n g t o a v a r i e t y o f t e mp e r a tur e c o n t r o l c u r v e o f t h e t e mp e r a t u r e o f t h e e n v i r o n me n t ， S O a s t o r e a l i z e t h e h y d r a u l i c p u mp o f a v i a t i o n k e r o s e n e u n d e r h i g h t e mp e r a tur e e n v i r o n me n t c o n d i t i o n s o f p e r f o r ma n c e a p p r a i s a l f o r t h e ． T h e h i g h t e mp e r a tur e t e s t c h a mb e r h a s a d o p t e d ma n y k i n d s o f s a f e t y p r e c a u t i o n s t o e n s u r e t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e t e s t p r o c e d u r e ． Ke y wo r d s a v i a t i o n k e r o s e n e ； e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e ； o n l i n e o p e r a t i n g mo d e ； t e mp e r a t u r e ris i n g r a t e ； s a f e ty p r o t e c t i o n U 引 舌 航空煤油液压泵在线环境高温试验箱 以下简称 “ 高温试验箱” 是结合航空煤油液压泵试验台， 把在线 工况的航空煤油液压泵放置于高温试验箱工作室内进 行试验的环境箱。由于某型航空煤油液压泵必须进行 在线环境高温性能试验考核， 目前国内尚未有现成成 熟的高温试验箱能够用于该类型产品的在线环境试 验， 为此， 需要研制出能满足航空煤油液压泵在线环境 高温试验的高温试验箱。 1 主要技术参数 根据航空煤油液压泵试验要求 ， 高温试验箱应满 足如下技术要求 1 工作温度范 围 常温 一 2 1 5 ％， 按设定程序 运行 2 温升速率 不小于2 1 ％ ／ m i n 带载全程平均 ； 3 航空煤油液压泵在线工况， 工作介质为R P ～ 3 ； 4 产品最大重量为 2 0 k g 材质为不锈钢， 包括高 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 9 作者简介 卢学渊 1 9 7 8 一 ， 男， 贵州贵阳人， 高级lT程师， 本科 ， 主要从 事液压测试系统设计工作。 8 温试验箱 内的管路接头 ； 5 高温试验箱箱体容积 0 ．4 m 。 2 难点分析 根据以上技术参数要求 ， 高温试验箱的研制存在 以下难点 1 被试航 空煤 油液压 泵二 r 作介质为 R P 一 3 ， 所需 工作温度高。根据 G B 3 8 3 6 ． 1 2 0 0 0 爆炸性气体环境用 电气设备第 1 部分 通用要求 中的温度组别分类， 见表 1 ， 高温试验箱最高工作温度2 1 5 ％， 此时加热器温度高 于2 1 5 ％， 已在其引燃温度范围内， 如果在试验过程中 航空煤油发生泄漏 ， 且具有足够氧气的条件下， 则容易 产生燃烧和爆炸的危险 ； 表 1 温度组别分类 名称 分级方法温度组别引燃温度电气产品表面最高温度 油 、 。 T s 乏 T s 。 T i z O o 。C 2 温升速率大， 不小于2 1 ％／ m i n 。同时由于需要 向高温试验箱内充氮气， 在充气和排气时， 带走了部分 热量， 影响温升速率， 这就需增大加热器的功率来弥补 该部分热量损失。但在增加加热器功率的同时， 加热 器表面局部温度升高 ， 增加了产生燃烧和爆炸的危 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 2 ．2 0 1 6 险性 ； 3 航空煤油液压泵在高温、 高压、 大流量和长时 工作 的严 酷在线工况下 ， 可能产生泄漏 、 爆管的现象 ， 此时高温试验箱内充满燃气或大量煤油， 如有火源和 氧气， 立即产生燃烧或爆炸。 针对以上难点， 下面在进行高温试验箱设计时， 进 行 了充分的考虑 、 设计 ， 对以上难点进行了解决。 3 工作原理及组成 3 ． 1 工作原理 高温试验箱工作 的基本原理 是采用 电加热器 、 水 冷却器结合风机对高温试验箱工作室内部的空气进行 循环加热或冷却， 通过选择适合的加热功率和电气控 制方式， 以实现按一定温升速率加温和温度控制等功 能， 从而为高温试验箱工作室内的被试产品提供满足 要求 的环境温度。 高温试验箱电气控制是采用触摸式可编程温度控 制仪 ， 配置R S 4 8 5 通讯接 口， 供上位计算机进行远程控 制和通讯， 实现计算机对试验箱的启动停止控制、 运行 方式的设定和数据显示采集等功能， 其运行方式可设 置为 程序运行、 恒定运行、 定时开机等方式。 根据高温试验箱工作的基本原理， 结合其主要技 术参数和难点分析， 对高温试验箱采取了以下针对性 的设计 1 在航空煤油液压泵在线工况条件下 ， 高温试验 箱工作室内容易形成爆炸性气体， 爆炸性气体燃烧需 具备三个条件 气体、 蒸气或雾状的可燃物质与空气构 成的混合物、 助燃物和点火源。可通过防止点火源出 现， 控制助燃物 含氧量 浓度等方式， 防止爆炸性气体 燃烧或爆炸。由于气体 、 蒸气或雾状的可燃物质的产 生和释放无法控制， 但可以控制含氧浓度。航空煤油 燃烧所需最低氧含量浓度为 1 1 ． 7 ％一1 4 ． 4 ％。所 以可通 过向高温试验箱工作内冲入氮气， 置换工作室内空气， 降低工作室内氧气浓度 ， 防止爆炸性气体燃烧和爆炸 条件的具备。 高温试验箱氮气控制系统主要由压力表 、 玻璃转 子流量计 、 控制阀和氧气浓度传感器等构成， 氮气流量 可调。高温试验箱工作时， 氮气控制系统控制恒定流 量向工作室供氮气 ， 氧气浓度传感器监测含氧浓度。 当含氧浓度低于 l 1 ．7 ％时， 高温试验箱才能进行工作。 由于工作室内气体温度高于氧浓度传感器的使用温 度 ， 因此工作室内排出的气体要经过水冷却后才能通 过氧浓度传感器检测， 当氧气浓度超过安全浓度时， 高 温试验箱加热停止工作。 2 由于可通过向高温试验箱工作室内冲入氮气 ， 降低工作室内氧气浓度 ， 防止爆炸性气体燃烧和爆炸 条 件 的具 备 ， 通过理 论计算 见 “ 3 ． 3 加 热功率选 择计 算” ， 可以加大加热器的功率， 以满足其升温速率。 3 高温试验箱内设置实时温度监测及超温报警 指示 ， 如温度超过 2 1 5 o C ， 立即停机报警。 4 在高温试验箱内安装防爆可燃气体浓度检测 传感器， 如果箱体内燃气浓度超过设定值 ， 立即停机报 警 ， 并在箱外安装摄像头， 可实时直接观察箱体内工 况 ， 如出现爆管或大量泄漏油现象， 可紧急停止高温试 验箱工作。 5 高温试 验箱 内所有 的强 电 2 2 0 V 元件均选 择 防爆元件 ， 其他测控元件尽可能选择防爆元件 ， 并设 置 了电气连锁和紧急控制等多重保护措施 。 3 - 2 组 成 由于被试产品介质的特殊性， 高温试验箱做了特 殊的处理和设计， 详见图1 高温试验箱结构图。其主要 由工作室6 、 外壳9 、 内壁 1 0 、 保温层 5 、 泄爆箱8 、 防爆加 热器 l 5 、 防爆风机 l 、 氮气控制系统和电气控制元件等 组成。高温试验箱工作室位于箱体中部， 被试产品通 过产品安装接口1 1 放置于工作室内， 液压管路通过管 路接口l 2 与试验台连接， 箱体上部是泄爆箱 ， 如工作室 内发生爆炸 ， 首先破环箱体最薄弱的泄压门7 ， 箱体内 爆炸杂质进入泄爆箱 ， 避免了爆炸杂质四处飞溅 ， 危害 安全。箱体下部放置防爆加热器 、 防爆风机和水冷却 器 1 6 ， 防爆加热器结合防爆风机对工作室内的气体进 行循环加热 气体从右边的可调风口l 3 进人工作室， 从 左边的可调风 口进入箱体下部 ， 水冷却器用于快速降 温。外壳和内壁之问为玻璃棉保温层 。通过打开侧 门 4 可安装工作室内的产品和管路。相关的电气及温控 仪表布置于仪表板2 上。l 4 为脚轮， 便于高温试验箱 移动和安装 。 图2 是高温试验箱试验安装结构图。航空煤油液 压泵 被试产品 安装固定于试验台传动装置 l 的传动 头上2 ， 由试验台电机驱动工作。高温试验箱产品安装 接口中心距离地面高与试验台传动头距离地面中心高 相等， 便于高温试验箱装配。传动头与高温试验箱之 间使用密封头4 进行密封。被试产品的液压管路通过 管路接口6 与试 验台管路连接， 正门7 可开关 ， 便于产品的安装和 维护。高温试验箱箱体外壳材料采用优质冷轧钢板表 面静电喷塑处理 ， 箱体内壁材料采用进口不锈钢板， 并 设计有矩形多层钢化玻璃观察窗及照明装置。 9 液 压 气 动 与 密 ． ／20 1 6年 第 0 2期 9 l O 1 1 l 2 1 3 l 4 卜防爆风机2 一 仪表板3 一 密封条4 - 1] f q 5 - 保温层6 一 工作室 7 一 泄压门 8 一 泄爆箱9 一 外壳1 0 一 内壁l 1 一 产品安装接口 1 2 一 管路接口 1 3 一 可调风口 1 4 一 脚轮 1 5 一 防爆加热器1 6 一 水冷却器 图1高温试验箱结构图 ，＼ 4、＼ ＼ ＼ 枣 ． L 一 ’ E 萎 I 5 、 声 冀 澎 西 1 - “ j g g 1 一 试 验台传动装置2 一 试验 台传动头3 一 航 空煤油 液泵 4 一 密封头5 一 T作室6 一 管路接口 7 - 正门 图2高温试验箱试验安装结构图 3 ． 3加热功率选择计算 为了实现高温试验箱从常温加热到 2 1 5 ℃的温升 速率不小于2 1 C ／ m i n 带载全程平均 ， 下面对防爆加热 器的加热功率选择进行计算。 根据高温试验箱的结构， 可知以下条件 高温试验箱箱体内散热表面积约4 ．5 n 4 ； 用于围护 结构的保温玻璃棉8 8 0 ra m； 内壁和风板材料为不锈 钢 ， 重约 3 5 k g ； 防爆风机 2 套， 安装功率2 x 2 5 0 W， 效率 0 ．8 ； 防爆加热管约重 1 8 k g ； 环境温度为2 5 o C ； 不锈钢负 载 2 0 k g 。 根据以上已知条件， 综合各方面的因素， 对高温试 验箱的耗热量计算如下 围护结构的耗热量Q Q K S A t A ／ 8 x S x A t 2 2 3 W 1 式 中A 导热系数 W／ m C ， 取A 0 ． 0 2 1 ； 保 温玻璃面厚度 IT I ， 取 O ．0 8 ； 1 0 传热系数 w／ m ．℃ ， 取K A ／ O ． 2 6 ； S _ 热面积 ， 取 S 4 ． 5 ； △ 传热温差 ℃ ， 取A t 2 1 5 q C 一 2 5 o C 1 9 0 ； 内壁 、 风板及加热管的耗热量 Q Q z C △ ／ 7 T_ 8 5 7 8 W 2 式 中卜不锈钢 比热 J ／ k g C ， 取 C 4 6 0 ； m 内壁、 风板及加热管的重量 k g ， 取 m 5 3； 卜温升时间 S ， 取7 -- 5 4 0 。 电机发热量 Q Q ， o N 4 0 0 W 3 式中 传热系数， 取 0 ． 8 ； ／ V -．一 电机功率 W ， 取 N 2 x 2 5 0 5 0 0 。 负载的耗热量 Q Q C 7 ／ 3 2 3 7 w 4 式中 吸热系数， 取 1 ．0 ； 胁一负载重量 k g ， 取M 2 0 。 空气吸热 Q Q s c V A t ／ T 1 7 0 W 5 式中c 空气比热 J ／ k g C ， 取c l O 0 0 ； 空气密度 k g ／ m 。 ， 取z 1 ． 2 ； 箱内体积 m ， 取 V -- O ． 4 。 进气和漏气 Q Q l O Q s 1 7 0 0 W 6 综上计算高温试验箱总耗热量Q 为 Q Q, Q 2 Q Q s Q 6 一 Q 1 3 ． 5 k W 防爆加热器功率的选择 考虑到换气、 漏热等因 素， 按加热效率0 ．8 计算， 加热器功率Q 为 Q Q ／ O ． 8 1 6 ． 9 k W 因此， 加热器功率选择 1 8 k W即可满足要求。 4 安全防护措施 由于被试航空煤油液压泵介质的特殊性， 在进行 高温试验箱的设计时， 在满足技术参数和解决主要难 点的同时， 从多方面采取了如下的安全防护措施 1 设计充氮气保护系统， 向高温试验箱工作室充 氮气， 控制高温试验箱内氧含量来达到防爆的目的， 并 对充氮压力 、 流量进行控制和监测 ； 2 采用专用防爆风机， 风机设置过载保护 ， 风机 过载， 系统停止运行并报警； 3 采用专用防爆加热器； 4 超温保护检测 在高温试验箱体内设置温度传 感器 ， 对箱体温度进行实时监测 ， 当温度超过设定值 8 7 6 5 4 3 2 l Hy d r a u l i c s P n e u ma ti c s S e a l s ／ No ． 0 2 ．2 0 1 6 时， 系统停止运行并报警； 5 氧气浓度检测 通过对氧气浓度检测 ， 控制高 温试验箱内氧含量低于航空煤油燃烧的最低氧含量 ， 主要通过向高温试验箱内充注氮气 ， 置换箱内空气而 达到降低箱内氧含量的目的， 如氧气浓度过高设定值 ， 系统停止运行并报警； 6 采用耐高温防爆可燃气体浓度检测传感器检 测高温试验箱内可燃性气体 ， 当检测到箱内可燃性气 体超标时立即停机并报警； 7 安全可靠的漏电断路保护装置和接地装置； 8 高温试验箱内风机风叶采用软金属材料制作 ， 以避免摩擦或碰触电火花的产生； 9 设计照明灯和摄像头f 安装在箱体外面 ， 便于 观察高温试验箱内被试产品的运行情况 ； 1 O 设置电源缺相、 错相保护， 防爆加热器短路等 保护装置 ， 并进行声光报警 ， 主控制 台设置 紧急停 按钮 ； 一 - - - - - - 十- - - - - 1- 接第7 页 动作将排水引入到B 量筒中， 同时A量筒将水卸掉， 大 约在 1 2 0 0 s 时， 带电磁阀的三通A动作将将排水引入到 A量筒中， 同时B 量筒将水卸掉， 如此往复， 实现对排水 量的连续高精度测量。结果证明该测量精度较高 ， 装 置稳定性好， 能够实现对超大试样排水量实时连续高 精度检测。 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 薹lo 0 0 5 0 0 O 时I 司／ s 图2 排水量连续测量的实际结果 4 总结 在超大三轴试验中， 超大试样排水量将达到甚至 超过1 6 0 L ， 且流量不均匀 ， 流速时快时慢 ， 排出时间持 续两周左右。传统的排水量检测方法由于主观、 客观 原因很难满足对其进行实时连续高精度测量。本文对 常用的传统排水量测量方法的特点进行了分析与梳 理， 详细阐述了传统排水量测量方法对超大试样排水 1 1 在高温试验箱工作室顶部设置泄压门和泄 爆箱 ； 1 2 高温试验箱的试验间具备良好的通风设施和 消防设备。 5 结束语 本文研制的航空煤油液压泵在线环境高温试验 箱， 已通过相关的试验 ， 能够实现其技术指标 ， 安全防 护措施能满足要求 ， 并可逐步运用 于生产试验 中， 为该 类航空煤油液压泵在线环境高温试验提供了技术参考 和依据。 参考文献 【 1 ]1 周修， 源江鲁． 环境试验技术与设备发展概述f J 1 ． 中国仪器仪 表， 2 0 0 8 ， 6 8 8 - 9 2 ． 【 2 ] 康志萍． 环境试验特点及其发展方向【 J 1 ． 环境技术， 2 0 1 2 ， 4 ． [ 3 】 何志琴， 宋洪儒． 在线参数优化的环境试验箱研究 f J 1 ． 工业 控制计算机， 2 0 0 9 ， 2 2 9 1 ． 量测量所面临的难题， 最后提出一种满足超大三轴试 验中超大试样体变 排水量 特点的实时连续高精度测 量设计方案， 并对该方案进行了试样验证 ， 试样结果表 明， 该装置测量精度高 ， 装置稳定性好 ， 能够实现对超 大试样排水量实时连续高精度检测。 参考文献 【 1 ] 崔治 ， 胡新江 ， 肖巍． H K U S T 体变测量方法在动三轴中的应 用[ J ] ． 地震工程学报， 2 0 1 4 ， 4 ． [ 2 】 刘湘宁， 周克骥 ， 张建民． 一台多用途的体变测量及控制系 统[ J 】 _ 大坝观测与土工测试， 2 0 0 1 ， 3 ． [ 3 ]3 詹良通 ， 吴宏伟． 新双室非饱和土体积变化测量系统[ c 】 ， ／ 中 国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文 集． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 『 4 ] 李小亭 ， 王小杰 ， 方立德， 刘然 ， 卢庆华． 新型内外管差压流 量计特性研究[ J 1 ． 仪器仪表学报， 2 0 1 2 ， 1 o ． 【 5 】 姜勇． 时差法超声波流量计设计与研究[ D 】 ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 6 ． [ 6 】 濮 良贵， 纪名刚． 机械设计【 M 】 ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 7 】 机械设计手册编委会． 机械设计手册 第3 卷 [ M 】 ． 北京 机 械工业出版社， 2 0 0 4 ． 【 8 】 N u m e ri c a l S o l u t i o n o f t h e We i g h t F u n c t i o n f o r E l e c t r o m a g n e t ． i c ， F l o w Me t e r [ J 1 ． C o m p u t e r A i d e d D r a f t i n g ， D e s i g n a n d Ma n u ． f a e t u r i n g ， 2 0 1 0 ， 2 ．