楊俊磊 劉珂 賈博 西安遠(yuǎn)方航空技術(shù)發(fā)展有限公司

引言

在飛機(jī)燃油系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)中，管道內(nèi)介質(zhì)的溫度是非常重要的參數(shù)，它直接影響各系統(tǒng)工作性能和飛行安全。管道溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)控管道內(nèi)流體的溫度，對(duì)飛機(jī)的飛行安全具有有重要大意義。管道溫度傳感器在工作過(guò)程中，存在壓力、溫度、振動(dòng)等環(huán)境條件，為保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安全，在傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度分析，以確定設(shè)計(jì)的合理性。

1 某型管道溫度傳感器

1.1 管道溫度傳感器的工作原理

某型管道溫度傳感器以Pt100鉑電阻作為溫度敏感元件感受被測(cè)介質(zhì)溫度的變化，并把溫度的變化轉(zhuǎn)換成與其成近似線性關(guān)系的電阻值變化信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化間接測(cè)量流體介質(zhì)溫度，產(chǎn)品具有測(cè)量精度高，靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 管道溫度傳感器的組成

某型管道溫度傳感器其外形如圖1所示。傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為兩部分，前端探頭和后端固線座。前端探頭為感溫部分，含有Pt100鉑電阻作的感溫元件。后端固線座由M12×1外套螺母和固線座組件構(gòu)成，外套螺母用于將傳感器固定在被測(cè)管道的安裝座上。

圖1 某型管道溫度傳感器外形圖

1.3 探頭結(jié)構(gòu)尺寸

某型管道溫度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，傳感器通過(guò)安裝座安裝，屬懸臂梁受力結(jié)構(gòu)。

圖2 探頭尺寸

2 探頭強(qiáng)度分析

2.1 計(jì)算目的

對(duì)規(guī)格為L(zhǎng)=70mm、材料為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的某型管道溫度傳感器探頭分別在加速度為6g的振動(dòng)、靜壓為45MP對(duì)探頭薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，從而確定產(chǎn)品探頭強(qiáng)度是否滿足使用要求。

2.2 探頭振動(dòng)條件下的強(qiáng)度分析

在測(cè)量探頭為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的細(xì)長(zhǎng)桿狀情況下，探頭部分中70mm長(zhǎng)的薄壁結(jié)構(gòu)為整個(gè)傳感器的薄弱環(huán)節(jié)。

假設(shè)傳感器探頭安裝后如圖3所示，探頭為懸臂梁結(jié)構(gòu)，q為探頭的均布載荷，q=6mg/L，

不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的密度ρ=7.9×103Kg/m3，探頭質(zhì)量為m，計(jì)算探頭質(zhì)量如下式：

由圖2知R=2mm，=L-R=68mm，r=1.25mm代入式1，求得m=4.205g，

圖3 傳感器探頭受力分析

探頭的最大剪力和彎矩為懸臂梁的自由端，計(jì)算公式如下：

由圖3知探頭的橫截面為薄壁環(huán)形，則探頭的最大彎曲正應(yīng)力為

則探頭的最大彎曲切應(yīng)力為

探頭進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，為純彎曲試驗(yàn)，鋼材的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間存在近似關(guān)系：，不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）棒材的抗拉強(qiáng)度為=540MPa。則探頭的最大彎曲正應(yīng)力為和切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的疲勞極限。

2.3 探頭在45MOPa壓力的強(qiáng)度分析

傳感器安裝到活塞壓力器后，受力分析如圖4。其中活塞壓力器的壓力為P=45MPa。由材料力學(xué)分析得，在半徑為2mm的球面部分上壓力的合力的作用線與探頭的軸線重合，探頭的橫截面上各點(diǎn)的正應(yīng)力為

圖4 傳感器油壓示意圖

管道壓力P作用在探頭上的力F計(jì)算公式為：F=P×S （式8）其中S為探頭在yz面上的投影面積，如圖3所示：

式5中a=4mm，L=70mm。綜合式4和式5計(jì)算得到，垂直于傳感器探頭軸向方向，探頭受力F≈12522N。

將F=12522N，R=2mm,r=1.25mm,L=70mm代入式9和式10得=73.85MPa，=122.76MPa。

根據(jù)第一強(qiáng)度理論，材料的破壞是由最大正應(yīng)力引起時(shí)，材料不論受到幾項(xiàng)應(yīng)力，只要其中最大的一項(xiàng)主應(yīng)力達(dá)到在簡(jiǎn)單拉伸（或壓縮）極限數(shù)值時(shí)材料就會(huì)發(fā)生破壞，而其他兩個(gè)方向的主應(yīng)力則不起作用

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，材料的破壞是由綺變引起的，即某種材料不論受力狀態(tài)如何，只要崎變比能達(dá)到材料的極限數(shù)值時(shí)，它就開(kāi)始破壞，按照第四強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度理論條件為

2.4 結(jié)論

某型管道溫度傳感器探頭為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料，長(zhǎng)度為70mm時(shí)，在加速度為6g的振動(dòng)環(huán)境和壓力為45MPa的活塞壓力器中，探頭不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。