可抗高离心加速度的气压箱设计*

董雪明，王敏林，秦朝俊，杜美林

(北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

随着空天技术领域的进一步拓展，广泛应用于航空、航天领域的飞行器己成为各国研究的重点，目前，对于飞行器而言，为有效检测惯性器件能否满足高空环境下的应用要求，必须通过环境模拟实验进行性能检测[1-3]。 然而，目前的环境试验中，大都考虑了离心-振动加速度、离心-温度的复合环境测试，尚未开展在离心加速度下的惯性器件的气压实验等相关研究[4]。 因此，开展在不同离心加速度下的气压校准研究对我国惯性器件的复合校准研究具有重要的意义。

要开展气压校准研究首先要研制气压发生装置，而气压发生装置研制的关键是对气体压力的自动精确控制。 德国首先研制出第一个气动伺服阀，大大推进了气动伺服控制技术的发展[5]。 但由于气动伺服阀结构复杂、价格昂贵等因素，使其应用范围受到了一些限制。 意大利和美国通过将变结构技术和PWM 控制技术应用于伺服系统的控制中，提高了系统的稳定性和抗介质污染能力[6-8]。 在国内的气动工业和气动技术的研究方面，北理工和哈工大相继对气压开关阀进行了理论分析和实验研究，所设计的高速开关阀PWM 控制系统，具有结构简单、可靠性高等特点，是计算机技术应用于气动控制系统的最佳形式之一[9-11]。 后来，浙江大学研制的一种用于高压容积减压控制系统的高压气动开关控制阀，采用新型材料、新型密封方式和新型结构，具有良好的应用前景[12]。

在气压箱的研制方面，信息产业部电子第五研究所[13]研制了GGV 高低温低气压箱，可进行高温、低温、高度试验等可靠性与模拟环境试验。 但由于并未进行箱体内气压稳定性和均匀性分析，导致使用精度不高。 中国华阴兵器试验中心[14]针对采用液氮制冷的低气压箱，进行了低气压条件下降温过程的冷负荷仿真模拟，减小了设计规模。 合肥工业大学[15]分析了不同温度下气压箱内的温度场情况，并采用数值仿真，得出系统中间温度随蒸发温度、冷凝温度以线性规律变化。 然而上述分析并未考虑在离心加速度下的气压箱内气体分布情况，也没有设计气压控制系统以保证气压箱内的稳定性。

本文基于国内外的最新研究进展，主要工作为研制一种可抗高离心加速度的气压箱结构。 具体研究内容如下:①高密封低气压实验箱设计；②气压实验箱箱体强度校核计算；③气压控制系统的设计；④数值仿真分析和实验验证。

所研制的气压箱具有密封性好，稳定性强，可抗高离心加速度，并且易于安装和拆卸等优点，能够满足离心-气压复合装置开展气压灵敏度系数校准等试验要求，具有重要的工程价值和良好的应用前景。

1 高密封低气压实验箱设计

由于在进行加速度计的离心—气压复合计量校准实验时，需要将整个实验箱置于离心加速度可达20gn的离心机上，实验箱将承受高g的离心加速度，因此要求实验箱具有抗大离心力的能力。 除此之外，由于采用静止控压，旋转保压的气压控制方案，所以在离心机工作状态下，对气压实验箱的密封性有很高的要求。

考虑到实验箱自身体积、质量受到很大的限制，而且在结构上应该尽量避免有一定质量的部件非刚性连接。 选取了圆柱形腔壁，保证加速度计在实验时有尽量大的安装面积，在此基础上，实验箱与离心机的连接方式采用法兰连接的方式。 法兰连接强度高，能够承受较大的压力，方便拆卸、密封性能好。实验箱的基本结构及工作示意图如图1 所示，图中规定了本文中采取的坐标系，坐标系x方向为离心机臂轴向，y为反重力方向，z为水平方向。

图1 实验箱工作结构示意图

高密封低气压实验箱采用圆柱形腔体结构，实验箱装配图如图2 所示。

图2 高密封低气压实验箱装配图

从图2 中可以看出，实验箱主要由气压腔和附属部件组成。 根据离心加速度的要求，采用屈服强度、焊接性较好的304 不锈钢无缝钢管作为气压腔材料，内径为261 mm，壁厚为6 mm。 304 不锈钢无缝钢管组织类型为奥氏体类不锈钢，表面光洁，有较高的塑性、韧性和机械强度，耐酸、碱性气体、溶液和其他介质的腐蚀。 总体来说，奥氏体不锈钢具有优良的焊接性。 几乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奥氏体，奥氏体不锈钢的热物理性能和组织特点决定了其焊接工艺要点。 气压腔外壳上航空插头安装座结构可安装一个19 芯的密封航空插头，固定在气压腔内的加速度计通过航空插头与腔体外电缆相连接，用螺钉完成航空插座与安装座的连接固定，中间采用密封橡胶垫密封。 实验箱底部焊接一安装法兰，气压实验箱与离心机机臂采用法兰安装方式，通过螺栓与离心机机臂上的安装座固定连接，考虑到对密封性的要求，采用O 形密封圈密封。 这种安装密封方式不仅容易安装和拆卸，也有利于了加速度计与气压实验箱独立安装，互不影响。 为了实现对气压腔内气压的测量与控制，在气压腔壁上加工焊接内径为16 mm 的三通结构，通过连接法兰，一端用来连接压力传感器，另一端用来连接真空球阀。在离心机静止时，打开真空球阀，通过气压精密测控系统使气压腔内气压达到设定值，然后关闭真空球阀，断开真空球阀与地面气路的连接，实验箱就可以单独在离心机上运转。

2 气压实验箱箱体强度校核计算

考虑到气压实验箱工作在高离心加速度的离心机上，将承受较大的离心力作用，因此为了安全起见，需要对实验箱进行强度校核。 实验箱中所有的焊接工艺要求都采用等组配或高组配的焊接接头，焊缝应具有与母材同等的综合机械性能。 由于试验箱的质量中心与离心机旋转轴线的距离R大于加速度计质心与离心机旋转轴线的距离r，试验箱实际承受的加速度A1大于加速度计承受的加速度A0。 初步估计r＝2 m，R＝2.15 m，加速度计承受的最大离心加速度为20gn，可计算出实验箱承受的最大离心加速度为:

2.1 气压腔安装法兰强度校核

根据加速度计及其夹具所需空间尺寸，查询国标选定外径为273 mm 的流体输送用不锈钢焊接钢管，厚度为6 mm。 通过钢管外径，查询标准法兰，选用公称直径DN ＝250 mm 的真空固定法兰，其外形尺寸如表1 所示。

表1 真空固定法兰外形尺寸单位:mm

装置整体设计重量约为44 kg，加速度峰值为21.5gn，需核算的最大离心力为:

即为装置自身在离心力场下所需要克服的最大拉力。

对于DN＝250 mm 的固定法兰，钢管所受等效拉力为:

即为正常使用中法兰与钢管焊接时，钢管所能承受的最大拉力，此强度仅为法兰与钢管的焊接强度，与法兰厚度、公称直径、焊接接头和坡口尺寸有关，与钢管本身强度无关。

由上二式可知:

故最大离心加速度下，所选法兰与钢管焊接强度满足要求。

2.2 法兰螺栓组受轴向载荷强度校核

法兰所需承重装置总设计质量为44 kg。 将装置的工作情况视作变载荷，其残余预紧力系数K＝1.0。因为用到四氟套管垫片，其螺栓连接相对刚度情况没有查到数据，相对刚度取λ＝0.3，与金属相同，能保证安全性。 在离心机上的运转相当于静载荷，螺栓为M10 碳素钢，螺栓小径d1＝8.376 mm，其安全系数取Ss＝4，机械性能等级按普通螺栓取6.8，故屈服强度σs＝480 MPa。 螺栓组数量为12，其载荷通过螺栓组形心，因此各螺栓分担的工作载荷相等。

每个螺栓所受到的轴向载荷为:

残余预紧力为:

预紧力为:

总载荷为:

许用应力为:

所以为

可知，螺栓组轴向受力情况符合要求，且轴向受力情况远低于许用应力要求，故因重力引起的横向力及翻转力矩无需计算。

3 离心场下气压场分布仿真及分析

离心—气压复合计量校准系统要实现离心加速度与气压的复合，离心力场不可避免地会对气压分布产生影响，因此下面主要讨论离心力场下，气压场的分布情况，这对离心—气压复合计量校准系统的设计具有参考和指导价值。

3.1 离心—气压复合试验箱简化物理模型

根据初步设想，我们所要设计的气压试验箱为圆柱形密闭腔体，悬挂安装，图3 所示为气压试验箱的简化物理模型，腔体直径为260 mm，圆柱高为300 mm。

图3 气压试验箱简化物理模型

①为了节约计算资源，将现有条件简化，作如下假设:A. 离心机作匀速圆周运动；B. 试验箱内流体为空气；C. 试验箱内空气以较小的马赫数流动，不考虑温度对气压场的影响；D. 采用布斯涅斯克近似假设；E. 除动量方程中的密度外，其余物性看作不随温度变化。

②确定初始条件与边界条件

离心机带动试验箱做高速旋转运动，试验箱中心到离心机中心的距离为2.15 m，离心加速度范围为0~20gn，试验箱密闭性良好，流体模型的边界默认为wall 条件，内部流体为空气，重力加速度g＝9.8 m/s2，沿负y轴方向。 选择SIMPLE 方式进行压力速度耦合求解，选择k-epsilon 模型作为k~e 湍流模型。

③计算网格划分

利用前处理软件GAMBIT 进行结构化网格划分，划分后的网格数为953 754 个。

3.2 气压场在不同离心加速度下数值仿真

利用仿真软件fluent 对离心—气压复合试验箱内的气压场分布进行仿真，首先分析不同离心加速度对气压场的分布的影响。 假定试验箱内初始压力为标准大气压P0＝101.325 kPa，得到的仿真结果如图4~图7 所示。

图4 离心加速度为20 gn

图5 离心加速度为10 gn

由图6、图7 可以看出，试验箱内部的气体在离心加速度的作用下，沿离心力方向运动，导致试验箱的远端压力增大，导致图中不同区域的形成，而离旋转中心近的一端气体压力减小，试验箱因为离心力的作用，使得试验箱内在离心力方向的压力分布不均匀，不均匀程度与离心力大小有关，从图8 可以看出，沿离心力方向的气压呈梯度分布，当初始气压与离心加速度一定时，沿离心力方向距离差若一定则气体压差也一定。

图6 离心加速度为5 gn

图7 离心加速度为1 gn

图8 离心加速度20 gn，P0 ＝101.325 kPa沿离心力方向气压分布

表2 所示为不同离心加速度下试验箱内最大压差，可以看出离心加速度越大，最大压差越大。 而当离心加速度达到最大值时，气压箱内的最大压差仅为68 Pa，相比于初始气压值100 kPa 来说，可以忽略不计。

表2 不同离心加速度下试验箱内最大压差

3.3 气压场在不同初始气压下数值仿真

假定离心加速度为一定值20gn，相应的初始气压设置为P0，得到不同初始气压下的仿真结果，如图9~图12 所示。

图9 初始气压P0 ＝100 kPa

图10 初始气压P0 ＝60 kPa

图11 初始气压P0 ＝10 kPa

图12 初始气压P0 ＝1 kPa

由图9~图12 可以看出，试验箱在固定离心加速度的作用下，试验箱内气压不均匀程度与试验箱内初始气压大小有关，表3 所示为不同初始气压下试验箱内最大压差，可以看出初始气压越大，压差越大。 通过计算最大压差和初始气压的比值来分析气压箱内气体不均匀对被校传感器的影响，可以发现比值均在10-3量级，因此气压箱内的气体压差可以忽略不计。

表3 不同初始气压下试验箱内最大压差

3.4 仿真结果分析

通过研究离心力场下的试验箱内气压场的分布，对试验箱内气压在不同离心加速度和不同初始气压条件下的分布进行了数值模拟，得到如下结论:

①离心加速度对试验箱内沿离心力方向的气压分布有很大影响，呈梯度分布，对垂直离心力方向上的同一截面上气压没有多大影响；

②试验箱内初始气压的大小也是影响试验箱内气压不均匀的因素之一；

③在离心加速度与试验箱内初始气压一定时，沿离心力方向上的两点若距离差一定则气压差也恒定，这对试验箱的设计有一定参考意义。

④通过数值仿真分析，发现在不同离心加速度下，气压箱内靠近气压箱外壁位置的气压值和初始气压值基本一致。 因此可以将被校传感器安装在靠近气压箱外壁位置，以保证传感器受到的气压和初始气压值一致。

⑤对气压箱内气体不均匀性进行了分析，发现在不同离心加速度和不同初始气压条件下，气压箱内的最大压差相比于初始气压值来说，可以忽略不记。 因此，在离心力作用下压力场的不均匀性对传感器的校准精度产生影响较小，可以忽略。

4 气压控制系统设计

系统由高密封低气压实验箱、气压控制执行机构、气压精密测控系统、高精度压力传感器和真空泵五部分组成。

高密封低气压实验箱为加速度计提供安装和校准环境，真空泵提供负气压源，气压精密测控单元通过实验箱气压的高精度测量及对气压控制执行机构的协调控制，使高密封低气压实验箱内气压最终精确达到设定值。

4.1 气压执行机构

气压精密控制系统通过设计合理的气路结构和选择恰当的执行元件，实现了气压试验箱内气压的精密控制，使各个执行机构按照一定的步骤动作，并解决了气路结构与气压试验箱连接密封性及易于拆卸等问题，下面逐一介绍。

气路元器件的选择对实现高密封气压试验箱内气压的精密控制至关重要，从图13 可以看出气路控制执行机构主要包括真空泵、升压阀、降压阀、粗调阀、精调阀。 下面进行逐一分析。

图13 试验箱气压生成原理图

①真空泵的选择

真空泵是产生负压的一种新型、高效、清洁的气源发生装置，本系统使用油润滑旋片式真空泵，这种真空泵是利用泵腔内活塞做旋转运动，将气体吸入、压缩并排除，以达到抽气目的，最大的特点是当进口端气体压强大于一定阈值时，抽气速率(体积流量)是一个定值。 考虑到本系统目标气压范围为(1~100)kPa，选用真空泵的流量为20 m3/h，极限真空为2 mbar，极限压力为200 Pa 可满足要求。

②升、降压阀及粗调阀的选择

本系统统一选用直动电磁阀，控制电压为24 V直流电，通径为4 mm。 直动电磁阀用于压力控制与调节场合，控制简单，流量比较大，可提高控制效率。由于这种电磁阀通电后，阀门开度保持不变，类似孔板流量计，一般可以认为流过电磁阀的流量与电磁阀前后压差的平方成正比。 即:

式中:Q为流过阀的体积流量，P1为阀前压力，P2为阀后压力，a为比例常数，对于气体一定，结构一定的电磁阀其值变化不大。

从公式中可以看出，当阀门前后压差一定时，通过阀门的气体流量也就一定。 对于直动电磁阀，在加电时其阀门开度基本是按线性急速增大，到完全开度的时间极短，通常小于10 ms，而关闭时间相对长一些，因此当通过阀的气体流量较大时，需要考虑由于阀门开启和关闭的延时而导致气体过冲的问题。

③精调阀的选择

为了实现对高密封气压试验箱内气压小范围的精确控制，要求精调阀在小范围内能连续、准确地控制流量的大小，从而控制气压试验箱内气压的大小。本系统选用比例电磁调节阀作为精调阀，这种调节阀本质上可看作一个局部阻力可变的元件，根据能量守恒定理，当流过调节阀的流体为不可压缩流体时，可得到如下流量方程:

式中:Q为流过阀的体积流量，A为阀连接管的截面积，P1为阀前压力，P2为阀后压力，ξ为阀的阻力系数(与阀结构形式、流体性质及阀的开度有关)。

当阀口径一定、阀两端压差一定时，通过控制比例电磁调节阀两端的电压大小，改变阀芯行程(开度)来改变流通截面积，从而改变阻力系数，调节流入或流出试验箱的气体流量，从而实现气压压力控制。 本系统选用进口的高精度PSV-2 比例电磁调节阀，通径为1.02 mm，最大气体流量为13 L/min，调节电压选用(0~12)V，利用幅值为12 V 的PWM信号通过一阶滤波电路RC 实现D/A 变换，通过改变PWM 的占空比，改变输出的模拟电压值，从而控制比例电磁阀的开度。

4.2 气压精密测控

气压精密测控系统主要思路:离心机未工作状态下将试验箱压力控制到设定值，在离心机工作状态进行保压监测，测控原理如图14 所示。

图14 气压精密测控原理图

首先，通过测控单元给定压力设定值，在控制的过程中，采用硅谐振压力传感器检测试验箱内的压力值，传感器的输出信号经过调理与采集送入测控单元中心，形成压力反馈，然后根据一定的控制策略产生控制信号，该控制信号经过设备驱动作用到压力执行机构上，用来控制执行机构中阀门的开度以调节试验箱内气体的压力值，最终使试验箱的压力值达到设定值，然后关闭真空手动球阀，断开与试验箱的气路连接，进入保压监测阶段。 离心机与地面电路连接通过滑环转接，保证离心机工作时，能对试验箱内气压进行监测。

4.3 气压传感器的选择

传感器的选择关系到系统测试精度的高低，以及后面电路的设计，因此必须最先确定。 在此我们选择压电激励谐振筒式压力传感器。 该传感器是由一薄壁金属筒作为感受压力的敏感元件，输出形式为频率量，是测量气体绝对压力的传感器。 该传感器具有测试精度高，带有温度补偿的优点，由于振筒传感器是以频率量输出，具有Q值高，阻尼小，对外界冲击、振动和加速度以及电源电压变化等都不敏感的特点，在任何恒定温度下使用时，误差可以忽略不计，当传感器使用的温度范围大时，因被测量气体的密度有较大的变化，测量的压力误差也增大，因此在宽温度范围使用传感器时，需加以温度误差补偿。硅谐振压力传感器精度高，可达到0.01%，测量范围为0~130 kPa，适合气压精密测控系统。

5 试验验证

基于以上仿真结果进行验证，设定离心加速度为20gn的情况下，分别设定定点压力控制目标点进行实验验证，降压过程分别为70 kPa、40 kPa 和10 kPa，升压过程为40 kPa、70 kPa 和99 kPa。

根据数值仿真的分析结果，在实验中将被校传感器固定在气压箱内靠近气压箱外壁的位置以保证传感器受到的气压和初始气压值一致。 并设置高精度气压传感器放置在惯性传感器附近，实时监测惯性传感器受到的气压值，以保证气压测量的准确性。

对所设计的气压箱进行试验，得到气压控制稳态精度情况，如表4 所示。

表4 压力控制实验结果

选取降压过程中40 kPa 的实验数据绘制控制过程曲线进行分析，如图15~图16 所示。 从图中可以看出，当试验箱气压值远离目标值时，系统进入粗控阶段，粗调阀开启，精调阀关闭，试验箱气压值迅速降低；当试验箱气压值接近目标值时，系统进入精调阶段，粗调阀关闭，精调阀开始控制，并且随着压力值不断逼近目标值，精调阀的控制占空比也越来越小，直到试验箱气压值进入误差允许范围内，精调阀停止工作，系统进入压力保持阶段。 压力保持阶段的气压效果如图17 所示，从图中可以看出，系统控制效果及试验箱密封情况良好。

图15 试验箱40 kPa 压力控制整体趋势图

图16 试验箱40 kPa 壓力控制过程中控制阀切换图

图17 40 kPa 目标值压力保持阶段

6 结论

本文首先提出并实现了一种可抗高离心加速度的气压箱结构，研制了气压范围为1 kPa~100 kPa、气压偏差优于10 Pa 的离心-气压复合校准装置，可以有效模拟海平面到32 400 m 的高度时气压环境，在国内首次实现了惯性器件的大g值下气压灵敏度校准。 数值仿真和实验结果证明了所设计气压箱的有效性。