Стенд теплопрочностных статических и ресурсных испытаний иллюминаторов и устройство создания избыточного давления для иллюминаторов Российский патент 2023 года по МПК G01M5/00 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к созданию стендов, предназначенных для теплопрочностных статических и ресурсных испытаний элементов и агрегатов летательных аппаратов, в частности испытаний остекления авиационной техники в лабораторных условиях.

Для теплопрочностных статических и ресурсных испытаний иллюминаторов летательных аппаратов требуется специальное оборудование, обеспечивающее выполнение испытательных программ с воспроизведением различных граничных условий работы иллюминаторов. В настоящее время известны стенды, с помощью которых можно обеспечить нагрев, нагружение, либо того и другого вместе в режиме одноразового исполнения одного из этих заданий.

Однако этого недостаточно и требует больших средств и времени для решения комплекса задач, выполняемых в соответствие с КТ-160 и требованиями EUROCAE. В настоящее время практически отсутствует оборудование, которое может обеспечить комплексные как статические, так и ресурсные испытания иллюминаторов с разными граничными условиями и большой наработкой ресурса. Раньше эта задача решалась путем испытаний в составе фюзеляжа или кабины самолета, что оказывалось сложным, затратным и трудоемким процессом.

Известен стенд ресурсных испытаний фюзеляжа РИФ (Научный вестник НГТУ том 64, №3, 2016, с. 81-94 АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА), который представляет собой сложный многодельный комплекс, обеспечивающий испытания остекления (лобовых стекол) в составе натурной кабины самолета путем конвективного нагрева. Основу рабочей камеры стенда для нагрева и охлаждения поверхности фонаря составляет система коллекторных трубок с соплами, которые запитываются через раздаточный коллектор, установленный на каркасе. Тонкостенные малоинерционные трубки с соплами образуют поверхность, эквидистантную внешнему контуру фонаря, через которые подается горячий или холодный сжатый воздух с регулируемыми расходами и температурой, требуемыми для воспроизведения заданной программы нагрева и охлаждения объекта испытаний. Стенд снабжен большим и сложным комплексом оборудования и систем для выполнения программы испытаний. К недостаткам стенда следует отнести необходимость наличия натурной кабины самолета, вследствие чего ограниченность объектов испытаний, невозможность проведения испытаний отдельных иллюминаторов салона пассажирского самолета, высокая стоимость испытаний, особенно в случае ресурсных испытаний, наличие шума из-за конвективного струйного способа нагрева или охлаждения, сложность нагружения остекления более высокими нагрузками, требуемыми по КТ-160.

В авт. свидетельстве №316958, МПК G01M 5/00, 1971 г. испытания на усталость проводят в термокамере в которой размещен объект испытаний, который конвективно нагревается струями нагретого газа, предварительно проходящего через внутренний объем отсека для его подогрева. Недостатком этого стенда является невозможность нагружения объекта и создания различных вариантов и комбинаций создания граничных условий на внешней и внутренней стороне объекта.

Известны устройства для теплопрочностных исследований агрегатов ЛА со сложными и многодельными системами программного нагружения, нагревания и охлаждения иллюминаторов. Так, в авт.свидетельстве СССР №114310, МПК G01M 5/00, 1956 г. производится разбрызгивание жидкого азота путем эжектирования сжатого воздуха через систему расходящихся труб с форсунками, положение которых необходимо устанавливать каждый раз для обеспечения равномерности охлаждения. Причем в случае отсутствия теплоизолированного корпуса охлаждение становится неэффективным, требуется большой расход хладагента, а при повторных испытаниях большие затраты, в том числе и электроэнергии.

Известен способ определения ресурса работы деталей остекления ЛА (патент №1356684, МПК G01M 5/00, 1985 г.), в котором не описан стенд, а дан порядок, очередность и количество проводимых испытаний, которое ограничивается очередностью в 50-100 циклов, что в настоящее время совершенно недостаточно (например, нагружение иллюминатора 8 раз по 27⋅103 циклов между теплосменами по КТ-160).

Перечисленные выше устройства имеют один общий недостаток, который заключается в невозможности изменения различных граничных условий нагружения остекления (наличие разреженной среды на внешней стороне иллюминаторов, возможность проведения ресурсны испытани с большим числом циклов (более 2⋅106 циклов) и малыми затратами ресурсов).

За прототип по конструкции, возможностям и качеству проводимых испытаний выбран стенд (а.с. №453600, МПК G01M 5/00, 1975 г/), для исследования прочности самолетного остекления, содержащий камеру-имитатор условий кабины самолета, камеры нагрева и охлаждения, затвора, уплотнительных элементов прижима испытываемого элемента, холодильника, привода, испытательной плиты, нагревателя и рамы, на которой смонтированы блоки и узлы стенда. К недостаткам стенда следует отнести чрезвычайную сложность конструкции, сложную кинематику монтажа остекления и сборки стенда, наличие двух камер нагрева и охлаждения, необходимость перемещения в процессе испытаний испытываемого образца остекления, невозможность воспроизведения натурных условий заделки иллюминатора, где могут возникать максимальные напряжения, которые сказываются при длительной работе (ресурсе).

Известна присоединительная камера для испытаний иллюминаторов, наиболее близко подходящая по назначению и конструктивному исполнению к предлагаемому изобретению (патент №2 238 212, МПК В63В 19/00, 2004 г.).

Камера содержит цилиндрический корпус (вварыш). Вварыш имеет стыковочный фланец с внутренним кольцевым буртом, охватывающим иллюминатор, а устройство прижима корпуса к вварышу выполнено в виде бандажного кольца с секционированной кольцевой вставкой внутри него, контактные поверхности которых выполнены в виде поверхности усеченного конуса. Эта кольцевая вставка, в свою очередь, выполнена с кольцевым пазом для охвата одновременно опорного и стыковочного фланцев. Затяжка бандажного кольца прижимными болтами должна обеспечить плотный обжим корпуса камеры через уплотнение.

Как видно из описания присоединительной камеры, она представляет сложную кинематическую конструкцию, требующую сложного монтажа и наладки, а также определенного положения в пространстве всей конструкции. Неравномерность затяжки болтами может привести к перекосу прижима и нарушению герметичности. Кроме того, обжим по двум взаимно перпендикулярным поверхностям всегда является сложным и трудоемким процессом. И, наконец, в этом изобретении не воспроизводятся условия работы иллюминатора реальной конструкции.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание стенда, в котором точно воспроизводятся нагрузки в натурной заделке иллюминатора, позволяющего проводить теплопрочностные статические и ресурсные испытания с различным набором граничных условий, а именно разряжение на внешней поверхности иллюминатора и нормальное давление в салоне; нормальное давление на внешней и внутренней сторонах иллюминаторов; нагрев или охлаждение иллюминаторов, ресурсные испытания избыточным давлением при нормальной температуре, и при переменных температурах.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в стенде теплопрочностных статических и ресурсных испытаний иллюминаторов, содержащем камеру, нагреватель, охладитель, автоматическую систему нагружения, нагревания и охлаждения, камера выполнена вакуумной, и в ней расположено устройство создания избыточного давления для иллюминаторов, устройство закреплено кронштейнами на подвижной крышке вакуумной камеры и расположено в теплоизолированном, пропускающим подводимый хладагент отделении вакуумной камеры в виде многогранного параллелепипеда, стенки которого изготовлены из кремнеземного полотна и теплоизоляции, а по периметру расположены нагреватель и охладитель, а система нагружения подсоединена к устройству создания избыточного давления для иллюминаторов. Кроме того, система нагружения иллюминаторов выполнена автоматической и включает блок клапанов регулирования расходом подаваемого и удаляемого рабочего тела, снабжена датчиками давления, регулятором давления и программным устройством, работающим по давлению.

Решение задачи и технический результат достигаются также тем, что в устройстве создания избыточного давления для иллюминаторов, содержащем корпус, фланцы, крепежные элементы, корпус выполнен в виде овального пустотелого восьмигранника с штуцерами, стенки которого сделаны по радиусу испытываемых иллюминаторов с герметизирующими ответными крышками, образующими герметичную полость для создания избыточного давления.

Сущность настоящего предложения может быть пояснена с помощью следующих чертежей, представленных на фигурах:

На фигуре 1 представлен общий вид предлагаемого стенда,

На фигуре 2 приведено устройство создания избыточного давления для иллюминаторов,

На фигуре 3 показана схема автоматической системы нагружения (АСН) иллюминаторов.

Стенд теплопрочностных статических и ресурсных испытаний содержит вакуумную камеру 3, (Фиг. 1) в которой установлено устройство 1 для герметичной установки иллюминаторов и создания в нем избыточного давления, выполненное из условий натурного монтажа на фюзеляже одного или двух иллюминаторов. Устройство 1 смонтировано на подвижной крышке 2 вакуумной камеры 3, которая может перемещаться для монтажа, демонтажа или осмотра испытываемого иллюминатора. Устройство представляет собой корпус 4 (Фиг. 2), стенки которого выполнены с кривизной, соответствующей кривизне испытываемых иллюминаторов. Они вместе с аналогично выполненными стенками внешнего 5 и внутреннего 6 фланцев, снабженных резиновыми прокладками, и зажимом 7 натурной заделки иллюминаторов образуют герметичный объем (емкость 12-15 литров). Весь пакет стянут по периметру шестнадцатью болтовыми соединениями 8. Такая конструкция устройства позволяет оперативно производить осмотр и замену иллюминаторов. В корпусе предусмотрены штуцера 9 для подачи рабочего тела (например, воздуха или смеси газов) в герметичную полость с целью создания избыточного давления и для аварийного сброса его через предохранительный клапан 10. В корпусе устройства 4 предусмотрены резьбовые отверстия 30 для установки датчика температуры 31 и подогреватели 32 для поддержания температуры в герметичном объеме, имитирующем салон самолета.

С помощью кронштейна 11 (Фиг. 1) устройство крепится на подвижной крышке 2 вакуумной камеры для обеспечения монтажа и осмотра испытываемых иллюминаторов.

В вакуумной камере выполнено теплоизолированное, пропускающее подводимый хладагент отделение 12 в виде многогранного параллелепипеда, стенки которого изготовлены из кремнеземного полотна и теплоизоляции, а по периметру расположены нагреватель и охладитель Устройство с иллюминаторами расположено в отделении 12 вакуумной камеры 3 с регулируемой температурой с помощью нагревателя 17, охлаждающего устройства в виде кольцевого коллектора 14, автоматической системы управления температуры (АСУ) 15. Отделение вакуумной камеры 12 выполнено в виде кольцеобразного цилиндрического отсека 16, по периметру которого располагается нагреватель мощностью до 8 кВт с излучателями 13 из кварцевых ламп типа КГ-220-1000, включенных последовательно-параллельно, обеспечивая различный тепловой поток. По периметру отделения 12 расположен кольцевой коллектор 14, обеспечивающий охлаждение ее до отрицательных температур с помощью циклона 18 и емкости 34 типа ТРЖК-2У с жидким азотом. Неравномерность нагрева или охлаждения в этой зоне не превышает 5%, что обеспечивается вентиляторами 33.

Стенд снабжен автоматической системой нагружения (АСН), состоящей из программируемого устройства 19 (Фиг. 3), регулятора давления 20, клапанов регулирования расходом подаваемого и снимаемого рабочего тела (воздуха) 21, датчиков давления 22 и температуры 23, регистратора 24 текущего значения давления в нагнетаемой полости, счетчика циклов нагружения 25, фильтра-осушителя 26, дросселя 27, ресивера 28 и компрессора 29. Все затраты при ресурсных испытаниях сводятся к нагнетанию воздуха от компрессора к накопителю и питанию регулируемой аппаратуры.

Система автоматического нагружения (АСН) предназначена для статических и ресурсных испытаний иллюминаторов и состоит из программируемого устройства нагружения 19, которое включает в себя программное задание критериев работы, такие как:

1. диапазон работы по давление (например, от 0 до 1 кгс/см2 или от 2.5 кгс/см2 до 9 кгс/см2)

2. Скорость нагнетания воздуха в герметичную полость кгс/см2*мин

3. Выдержка давления воздуха по времени сек, мин, час

4. Количество циклов нагружения

Система АСН обеспечивает круглосуточную работу стенда, сокращая время ресурсных испытаний, является существенно более надежной и дешевой по сравнению с использованием, например, пневмоцилиндров. С точки зрения взрывоопасности стенд защищен стенками вакуумной камеры и может обслуживаться одним человеком.

Работает стенд следующим образом:

Испытываемый иллюминатор(ы) предварительно устанавливают в устройство 1 на монтажном столе и стягивают болтовыми соединениям 8. Затем устройство 1 крепят на отодвинутой крышке 2 вакуумной камеры 3. После подсоединения всех систем (системы нагнетания рабочего тела, предохранительного клапана 10, трассы сброса давления, подогревателей внутреннего объема приспособления 32, датчика температуры 31) крышку 2 с устройством 1 закрепляют на корпусе вакуумной камеры 3 таким образом, что устройство 1 входит в отделение 12 вакуумной камеры. В зависимости от типа испытаний и необходимых граничных условий производится статическое или ресурсное нагружение до заданных величин при нормальной температуре, либо предварительно в отделении 12 создается среда с постоянно повышенной или пониженной температурой и затем производится нагружение избыточным давлением. В вакуумной камере создается в соответствии с программой испытаний нужное пониженное давление. Температура и давление в герметичной полости устройства поддерживают с помощью подогревателей 32 и датчиков температуры 31 и давления 22.

Создан стенд теплопрочностных статических и ресурсных испытаний иллюминаторов в вакуумной камере для проведения испытаний по нескольким программам, обеспечивающий на одном стенде проведение теплопрочностных как статических, так и ресурсных испытаний. Он позволяет проведение статических испытаний иллюминаторов с различной нагрузкой (от 1ΔРр до 3,3×ΔРр, а далее вплоть до разрушения), так и ресурсные испытания с наработкой, например, до 2⋅10⁶ циклов в соответствие с КТ-160. При этом стенд может создавать реальные климатические режимы на внешней и внутренней стороне иллюминатора.

Особенностью данного стенда является система нагружения (АСН), которая работает в циклическом режиме с управлением по заданной нагрузке с заданным темпом нагружения, выдержке и сброса давления. Это позволяет с высокой точностью производить нагружение необходимое число циклов, не задавая время испытаний цикла, что значительно повышает точность выполнения программы и повторяемость нагружения иллюминаторов. Использование оригинального быстроразъемного устройства, позволяющего испытывать одновременно два иллюминатора одной и той же нагрузкой, вдвое повышает производительность стенда, а размещение его в вакуумной камере с зоной нагрева и охлаждения позволяет проводить различные комбинации теплосмен и нагрузок, приближаясь к натурной эксплуатации иллюминаторов.

В результате конструкция стенда с устройством создания избыточного давления позволяет точно воспроизводить нагрузки в натурной заделке иллюминатора, позволяет проводить теплопрочностные статические и ресурсные испытания с различным набором граничных условий, а именно разряжение на внешней поверхности иллюминатора и нормальное давление в салоне; нормальное давление на внешней и внутренней сторонах иллюминаторов; нагрев или охлаждение иллюминаторов, ресурсные испытания избыточным давлением при нормальной температуре, и при переменных температурах.

Дополнительными характеристиками предлагаемого стенда являются:

• Простота конструкции стенда, использование вакуумной камеры для воспроизведения натурных граничных условий при испытании иллюминаторов.

• Упрощенная методика проведения ресурсных испытаний, простая технология монтажа и демонтажа иллюминаторов.

• Малые затраты и потери тепловой энергии, равномерный нагрев и охлаждение объектов испытаний, более дешевое и простое проведение испытаний.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к созданию стендов, предназначенных для теплопрочностных статических и ресурсных испытаний элементов и агрегатов летательных аппаратов, в частности испытаний остекления авиационной техники в лабораторных условиях. Стенд содержит камеру, нагреватель, охладитель, автоматическую систему нагружения, нагревания и охлаждения. Также оно содержит вакуумную камеру, в которой расположено устройство создания избыточного давления для иллюминаторов. Устройство закреплено кронштейнами на подвижной крышке вакуумной камеры и расположено в теплоизолированном пропускающим подводимый хладагент отделении вакуумной камеры в виде многогранного параллелепипеда, стенки которого изготовлены из кремнеземного полотна и теплоизоляции, а по периметру расположены нагреватель и охладитель, а система нагружения подсоединена к устройству создания избыточного давления для иллюминаторов. Устройство содержит корпус, фланцы, крепежные элементы. При этом стенки корпуса выполнены с кривизной, соответствующей кривизне испытываемых иллюминаторов с герметизирующими ответными фланцами, образующими вместе с иллюминаторами герметичную полость для создания избыточного давления. Технический результат заключается в точном воспроизводстве нагрузки в натурной заделке иллюминатора, позволяющего проводить теплопрочностные статические и ресурсные испытания с различным набором граничных условий. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стенд теплопрочностных статических и ресурсных испытаний иллюминаторов, содержащий камеру, нагреватель, охладитель, автоматическую систему нагружения, нагревания и охлаждения, отличающийся тем, что содержит вакуумную камеру, в которой расположено устройство создания избыточного давления для иллюминаторов, устройство закреплено кронштейнами на подвижной крышке вакуумной камеры и расположено в теплоизолированном пропускающим подводимый хладагент отделении вакуумной камеры в виде многогранного параллелепипеда, стенки которого изготовлены из кремнеземного полотна и теплоизоляции, а по периметру расположены нагреватель и охладитель, а система нагружения подсоединена к устройству создания избыточного давления для иллюминаторов.

2. Стенд по п. 2, отличающийся тем, что автоматическая система нагружения иллюминаторов состоит из блока клапанов регулирования расходом подаваемого и удаляемого рабочего тела, снабжена датчиками давления, регулятором давления и программным устройством, работающим по давлению.

3. Устройство создания избыточного давления для иллюминаторов, содержащее корпус, фланцы, крепежные элементы, отличающееся тем, что стенки корпуса выполнены с кривизной, соответствующей кривизне испытываемых иллюминаторов с герметизирующими ответными фланцами, образующими вместе с иллюминаторами герметичную полость для создания избыточного давления.