管道温度传感器探头应用中强度估算浅析

摘要：简述了管道温度传感器的整体组成及探头的结构改进，分析了传感器的安装模型（悬臂梁结构）和管路介质对传感器探头冲击受力分析，给出了影响探头塑性形变的两个因素，估算了探头强度，计算了其在应用中由工作载荷引起的形变量。

关键词：悬臂梁结构；塑性形变；强度估算

1.引言

在飞机燃油系统和环控系统中，管道内流体的温度是非常重要的参数，它直接影响各系统的工作性能。管道温度传感器输出为二次仪表提供数据参考，对飞行安全意义重大。管路内介质流速较大且不均匀，对伸入管路的传感器探头有较大冲击。为保证实时、准确、长期稳定的检测管道内流体的温度，对传感器结构的薄弱环节进行强度估算，以确定设计的合理性以及是否进行相关的改进十分必要。

2 强度估算目的及估算方法

强度估算目的：计算分析探头规格为Φ4×100的管道温度传感器在管路介质流速为200 m/s冲击下的探头强度是否满足使用要求（即是否有较大的塑性变形）。

强度估算方法：本文通过探头自重及振动、外力F两方面引起的探头塑性形变来粗略估算产品探头强度是否满足实际使用要求。

2.1探头结构优化。

管道温度传感器从结构上大体分为两部分，前端探头为感温部分，后端为固线座组件用来引出和固定测量电缆，传感器结构示意图如图1所示。

图1 管道温度传感器结构示意图

对探头强度进行优化：管道温度传感器的探头部分为100mm长的薄壁结构，强度上为整个传感器的薄弱环节，探头规格和尺寸如图1，探头壁厚为0.75mm。探头部分在加工时做了改进，细长探头和球面结构连接处根部加工工艺为清根。为消除应力集中，现将其更改为R1的圆弧过渡如图2所示。探头改进后，产品在振动试验中（经HB5830.5-84 A曲线验证，加速度为14g）从未出现变形、裂纹、结构损伤等问题。

图2 改进后探头示意图

2.2自重和振动引起探头塑性形变估算

传感器安装于被测管道后（安装示意图如图5），探头为悬臂梁结构，其受力分析如图3所示。

图3 传感器探头受力示意图

q为探头自重mg产生的均布载荷，q=mg/100mm，探头质量为m，计算探头质量如下式：

将r=2mm，r1=1.25mm，l1=98mm，ρ=7.9×103Kg/m3代入式1，求得m=6.052g。

探头的最大剪力和弯矩为悬臂梁的自由端，计算公式分别如式2和式3：

计算求得FS=59.3096×10-3N，M=31.419×10-4N，由式2和式3计算得知，由悬臂梁自重引起的剪力和弯矩可不予考虑。

探头在实际使用中的振动量级用HB5830.5-84 E曲线近似模拟，加速度为6g，由以上计算知由振动引起的剪力和弯矩的数量级分别为10-3和10-4，在实际应用中可忽略其影响。

2.3外力F加载探头塑性形变模型分析

传感器安装在管路中（安装示意图见图5），探头为悬臂梁结构，不考虑探头自重的影响下，由材料力学分析，悬臂梁的最大弯曲正应力 与最大弯曲切应力 分别如式4和式5：

由式4和式5得到式6：

传感器探头截面为Φ4的圆，L为梁的跨度，L=100，h为截面高度，探头b=h=4。将参量代入式6计算可知，当L>>h时，梁的最大弯曲正应力远大于弯曲切应力，即 >> 。由此可见，一般细长的薄壁截面梁结构，只考虑弯曲正应力 。

2.4 外力F引起探头塑性形变估算

实际应用中，管路流体对传感器探头冲击示意图如图6所示。管路中流体的动压估算如式7（静压和动压相比较小，忽略其影响）。

动压估算Δ （式7）

将ρ=0.8×103，V=200m/s，代入式7，计算得到流体动压ΔP=16MPa。

管路中由于介质冲击，作用在探头上的力F计算为

F=ΔP×S×COS450 （式8）

其中S为投影到探头的横截面积，S=[d×（L-L1）+π/2×（2mm）2]×COS450 （式9）

式9中d=4mm，L=100mm，L1=19mm。综合式7和式9计算得到，垂直于传感器探头轴向方向，探头受力F=3736.728N。

图5 传感器安装示意图 图6 管路介质冲击示意图

传感器探头部分截面为圆环，如图4所示，其横截面积A计算为 （式10）

将r=2mm，r1=1.25mm，代入式10中计算得到横截面积 m3。

由GJB 2294/2295-1995不锈钢（1Cr18Ni9Ti）棒材和板材的抗拉强度σ均为σ≤540MPa。

（式11）

由式11计算得探头的许用应力F1≤σ×A=4135.121N。

2.估算结果和结论

由估算结果知：F=3736.728N

由式（8）、（10）、（11）计算出发生塑性形变的探头最大长度Lmax=108.1527mm。L=100

估算结论：管道温度传感器探头强度符合实际工程应用。

参考文献

[1] 冯维明，宋娟，赵俊峰.材料力学.北京：国防工业出版社，2010.05。

[2] 余同希，邱信明，沖击动力学 清华大学出版社，2011.08。

[3] 《工程材料实用手册》，编辑委员会编，第2版，第1卷，北京：中国标准出版社，2001.09。

作者简介：李文华（1985 — ），女，辽宁朝阳人，研究方向为电子产品设计。

（作者单位：中国飞行试验研究院）