Door-Triggering大规模快速减压机制实验

文摘

大规模快速减压实验,提出了一种新的door-triggering机制对于一个750毫米直径的压力释放通道。快开的门立即意识到利用一个基于spring的释放机制,大量的弹性势能转化为动能。的显著的惯性效应抵消高速门室,flywheel-based缓冲机制旨在吸收门打开后的动能。这种精心设计的机制包括关闭机制、能源存储单元、锁定/释放机制,和缓冲机制。建立了动力学模型分析动态属性。仿真结果表明,它大约需要280 ms的门打开从0°- 90°。这项工作可以提供见解的发展在未来大规模快速减压设备。

1。介绍

飞机大大推进了人类文明进步通过将来自不同地区的人更接近彼此,将人类活动扩展到外太空。然而,在目前的飞机制造业,风险仍与整个过程从飞机的起飞降落。最常见的一个问题,可以抑制飞机的安全运行是突然失去舱压,这不仅会导致对人类身体的问题也会影响机载设备的属性和性能(1- - - - - -10]。历史上最著名的快速减压事故发生在1971年与联盟号11。在重返地球大气层时,压力阀的再入胶囊被意外打开由于机械故障,导致突然失去舱压。虽然再入舱成功返回地面,三名宇航员死于减压(11,12]。

Daidzic和西蒙的模拟研究8]表明,机舱减压时间是7.8 -78年代典型的大型飞机和一个典型的中型0.2 - -1.8 s,这很大程度上取决于破裂区。驾驶舱减压的过程是爆炸性的,可能发生在几十或几百个毫秒。即使在今天,快速减压事故仍不时发生,特别是在民用飞机,造成人员伤亡和经济损失13- - - - - -16]。举个例子,在2018年,四川航空公司飞行3 u8633经历了一次冒险之旅。航班起飞后约30分钟,驾驶舱挡风玻璃破裂,伴随着快速的压力损失和温度的下降。一名飞行员被吸了窗外,大部分的设备出现了故障。幸运的是,通过有效的机动飞行成功转移的队长(13]。同年,三个快速减压与西南航空事故发生在一个月里,和许多乘客受伤或死亡17]。因此,为了提高飞机安全,具有重要意义发展快速减压实验技术和研究迅速减压对人类的影响和机载设备。

突然失去舱压通常伴随着冲击波,高原缺氧、低温,等。一方面,人可能会遭遇严重的生理反应。另一方面,快速减压可以立即生成大型压力差异在一些机载设备,尤其是密封。它还会引起机械损伤导致的负面影响散热,输出功率,润滑故障,电气性能18,19]。目前,在航空行业标准HB 6167/6167A和国家军用标准GJB 150/150A中国快速减压实验有明确的规定:应采取不超过15秒的压力从75.2减少到18.8 kPa / 4.4 kPa。现有的快速减压设备一般由一个配件室,主燃烧室和阀门。配件室低压或真空容器,和主燃烧室的正常压力容器放置样品。当阀门迅速打开,主燃烧室的空气流进入配件室模拟快速减压。然而,有关减压设备只适合小样本如电子元器件和仪器,和体积通常是大约0.04³(20.]。这是因为当前的大规模快速减压阀门不能满足要求的环境。对于大的样本,常见的方法是使用大容量密封的容器(如一个气球)样本和船舶在低压室。然后,该船是穿刺样本是立刻暴露在快速减压环境(18]。然而,这种方法有一些缺点:密封的容器是一个独奏单元与高成本和长期试验和爆破过程使用的人太危险。

考虑到存在的问题在当前快速减压实验技术,这项工作集中在设计一个新的机械door-triggering大规模快速减压设备的机制。发现机制等展示功能容易控制,可靠性高,可重用性,测试效率高。部分2描述了整个设计理念。部分3讨论最后的结构设计和分析机制,能源存储单元、释放机制,和缓冲机制。最后,总结了这项工作的结果部分4。

2。Door-Triggering机制的设计原则

大规模快速减压设备,大型压力释放通道需要减少减压过程所需的时间。阀门或门应该足够大,应该在很短的时间内开放,表明door-triggering机制有能力立即输出大量的能量。公共汽车或液压驱动、高驱动速度和输出的力不能同时实现;因此,春天是用来储存和释放大量的能量,所以快速门可以打开。图1展示了大规模快速减压装置的示意图,它主要由door-triggering机制、低压室(18.8 kPa),卸压通道和样品室(75.2 kPa)。样品室和低压室压力释放通道,连接和door-triggering机制在低压室。打开房门的方向是向低压室的一侧。室门的两侧压差可以方便快开的门,和更高的压差导致更高的速度。以确保可以在有限的时间内迅速打开门在不同压差条件下,初始压差在这项研究中被设置为0,代表最坏的情况下。因此,在一定的压差测试,实际的门开放时间将低于设计值在这个研究。这项工作的重点是实现快速打开门在一个有限的时间。由于初始条件的零压差,低压室和样品室的体积不是本研究的范围内。

如图1door-triggering机制由关闭机制,能源存储单元、锁定/释放机制,和缓冲机制。关闭机制采用连杆压紧机构,通过滚珠丝杠驱动的汽车。减少门的转动惯量和运动解耦,压紧机制是分开的。把门关上的时候,春天是逐渐压缩和弹性能量逐渐存储在存储单元的能量。释放机制用于快速释放。考虑到高速门可以施加很大的惯性影响,缓冲机制是专为吸收动能的门打开后。

在测试前,门和锁/释放机制都设置为打开状态,能量存储单元在未载入史册的状态。在测试期间,door-triggering机制的操作步骤总结如下:(1)样品放在样品室后,门关闭的机制推动旋转并关闭的大门。在后者的结束阶段,门接触能量存储单元和压缩弹簧储存能量。门关闭的机制停止当门关闭(2)当锁定/释放机制开始运行,它将连杆机制旋转到一个给定的位置锁门(3)然后,门的马达关闭机制是逆转,连杆和门被搬到给定的位置(4)建立测试环境后,摆的锁定/释放机制释放当门打开,和重力势能转化为动能影响滑块快速释放的控股单位连杆舱口。然后,立即释放能量的能量存储单元把门推开(5)门完全打开后,它开始接触缓冲机制,吸收门的旋转动能与惯性飞轮的帮助

3所示。结构设计与分析

3.1。能量存储单元

基于spring的能量存储单元提供了大量的能量迅速把门打开,如图2。当门关闭机制推门关闭,弹簧被压缩存储能量。能量储存的状态图所示2(一个)。打开锁定/释放机制时,房门被释放和大量的存储能量是春天发布的快速把房门打开。能量释放的状态可以在图中找到2 (b)。门的开启过程可分为两个阶段:加速阶段和均匀运动阶段。在铰链设计,采用滚动轴承;因此,其摩擦系数很小,可以忽略。此外,以确保设计的开放时间机制不会负面影响的压差,打开房门的方向是向低压室的一侧,所以压差越大,越短的实际营业时间的房门。在这个模拟过程中,采用最不利的初始条件,即压差为0。考虑到空气密度为18.8 kPa相对较低,忽略空气阻力的加速阶段,门的运动可以描述的 在哪里弹簧的弹性系数,门铰链之间的距离和spring-door接触点,表示门旋转角弹簧处于最大压缩状态时,门旋转角度,是周围的门铰链的转动惯量。在方程(1),左边的第一项代表了弹性势能释放的春天和第二项代表门的旋转动能。所需的时间门打开可以表示为 在哪里最大转速和吗和分别的最大旋转角度均匀运动阶段和加速阶段满足以下几何条件: 在哪里是提前紧变形的比率,是弹簧的自由长度,表示弹簧长度的时候门是关闭的。

卸压通道直径750毫米,门重约120公斤,铰链的转动惯量大约是43公斤·m²。在这里, , , ,和980毫米,150毫米,10%,分别和90°。假设300 ms的门可以打开四个弹簧,旋转角度在加速阶段可以与弹性系数有关通过求解方程(1)- (3)。图3显示了数值结果与ADAMS软件的帮助下,这是一个广泛使用的商业软件处理多体系统动力学问题。可以看出,旋转角度减少与 ,只有在缓冲区域和谎言就小于300 ms。越小 ,压力越低。然而,随着减少,所需的最大旋转速度的增加,产生更大的影响。基于这些考虑,弹性系数设置为30 N /毫米和相应的是4°。

3.2。关闭机制

减少门的质量和转动惯量,机制和门关闭的门被认为是两个独立的单位。当门关闭,门关闭的机制可以把它紧紧关闭。后锁定/释放机制锁了门,门关闭的机制和门是分开的。把门关上时,关闭机制经验的最大弹簧力 。如图4(一)采用crank-sliding机制构成了关闭机制;是由连杆、滑块和指南。导游是由发动机驱动磁性流体密封层的外室。

图4 (b)显示了分析模型的crank-sliding关闭机制 , , , ,和结构参数和 。然后,旋转角度必须满足 在哪里滑块的位移。

在锁紧过程中当 ,关闭机制按弹簧储存能量。考虑到锁定过程非常缓慢,忽略惯性力的影响,推力推动滑块可以由以下方程: 在哪里滑动摩擦系数和吗连杆之间的角度吗和水平方向。可以表达的

方程(5)表明,在spring-compressing过程中,增加并使用小和可有助于降低推力 。结构参数对推力的影响详细分析了。图5给出了数值结果。可以看出,增加 ,旋转角度变化小,所需的推力增加显著。越大 ,更高的旋转角和推力。当低于45°,旋转角度可以达到90°。起着消极的作用在旋转角度发挥积极作用在所需的推力。因此, , ,和设置为60°,0.4米,0.25米,分别。

3.3。锁定/释放机制

当门完全关闭,它应该被锁定在关闭机制是分开。锁定力弹簧力和压差的总和。这里,锁定功能是实现通过一个平面四连杆和一个线性滑块固定楔。之间的联系和楔,辊是用来减少摩擦。如图6(一)由电机驱动,线性滑块磁性流体密封层的外室。滚珠丝杆是用来将旋转转换为直线运动。时释放出了门,pendulum-like机制旨在打击楔形移动它,将大量的重力势能转化为动能,立即释放了门。这是克服高辊之间的摩擦和楔。摆的工作过程如图6 (b)。滑块是最初位于右侧摆。然而,当需要打开门,它移动到左边摆起来,然后移动到左侧摆,最后,摆回到原来的位置。反方向推动滑块幻灯片的钟摆,摆脱离幻灯片,自由落下的身体影响楔释放了门。

图6 (b)显示了分析模型的锁定/释放机制 , , ,和四连杆的长度和吗 , , ,和是相应的旋转角度。推动楔时,两种类型的摩擦力量可以发现:一个是对楔形滑块和其他行为的指南。假设集成的摩擦系数 ,然后,忽略惯性力的影响,克服摩擦力所需的推力可以表示为 在哪里之间的水平位移的行动点锁定力和轴的和锁表示力。我们可以看到在方程(7),小和会导致更大的和 。在这里, , , ,和设置为0.1,165,和135毫米。与 ,30 N的推力达到最小值- - - - - -−45°。这里,楔形的质量和摆1公斤,10公斤,分别摆的半径是150毫米。鉴于楔需要10毫米释放门移动,根据能量守恒,大约需要2 ms,使门瞬间释放的机制。

3.4。缓冲机制

来抵消的高惯性影响高速门室,flywheel-based缓冲机制旨在吸收动能的门打开后,如图7。机制主要由杆,一个平行四杆机构,拉簧,飞轮,扭力弹簧,电磁传感器。电磁传感器定位外室,通过磁性流体密封层与飞轮。单向轴承可以找到四杆机构和飞轮之间。当门旋转90°和接触杆,杆开始驱动四连杆机制旋转扭力弹簧。与此同时,飞轮开始旋转,逐渐吸收动能的门,和少量的能源转化为张力弹簧的弹性势能。然后,飞轮减速的电磁传感器将动能转化为电能。

图7 (b)显示的分析模型 , ,和有关棒的转动惯量和吗和扭力弹簧的弹性系数和拉簧,分别。在铰链设计,采用滚动轴承的摩擦系数相对较小。忽略摩擦造成的能量损失,根据能量守恒和动量,我们可以获得 在哪里( ,1、2和3)表示门的旋转角度,棒,和飞轮;门的最高转速;和和最初的和实际的对角线的长度,分别。在方程(8),第一个公式是节能的。等式的左边术语代表门之间的碰撞前动能和缓冲机制,可以逐渐转化为门的旋转动能,杆1,3杆2,杆和弹簧的弹性势能和(即。,the first, second, third, fourth, fifth, and sixth terms on the right side of the equation). The second formula of Equation (8)是动量守恒。术语的左侧显示之前的动量方程和门之间的碰撞缓冲机制。逐渐转化为门的势头,杆1、杆2,杆3(即。,第一,第二,第三,第四项方程的右边)。我们可以获得

在这个工作,最终的设计 , , ,和将1 N /毫米,2 N /毫米,1.25公斤·m²,20公斤·m²分别为,将被忽略,因为它是小相比呢 。在亚当斯的帮助下,可以数字显示动态性能的机制。图8显示缓冲机制的特性曲线。可以看出,大约需要280 ms的大门从0°- 90°旋转。图9显示了飞轮的惯性阻力矩的门打开的缓冲区。门旋转90°附近时,缓冲机制开始工作并提供一个大的阻力矩减速门的旋转速度。缓冲机制,门的速度迅速下降为零,表明所设计的缓冲机制适用于大惯性效应抵消高速门室。根据文献[14),为典型的two-compartment-cabin系统突然违反0.5米²,减压时间从78.959 kPa 19.74 kPa数值计算是大约1.8秒。这些初始条件非常类似于这项工作的设计条件,设计door-triggering机制是合格进行大规模快速减压实验。

4所示。结论

在这个工作中,提出了一种新的机械door-triggering机制对大规模快速减压实验。关闭的机制是由机制,能源存储单元、锁定/释放机制,和缓冲机制。能量存储单元使用弹簧来提供大量的能量立刻把门打开。crank-sliding机制是用来构成了关闭机制产生巨大的产出力弹簧关闭门,按下储存能量。锁定/释放机制可以锁上门,克服弹簧力和压力的合力大不同。门也可以发布2女士通过结合一个平面四连杆,楔形,pendulum-like机制。缓冲机制使用飞轮吸收门的巨大的动能,以抵消高速门的大惯性效应室。此外,建立了动力学模型和结构参数对动态特性的影响进行了研究。发现设计door-triggering 750毫米减压通道机制能够打开门从0°- 90°280毫秒内,适合快速减压实验。这种新的机制可用于开发大型快速减压设备在未来。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

没有利益冲突声明。

确认

作者承认金融支持科技提供的可靠性和环境工程实验室BISEE基金会(项目没有。- bisee2017 - 017)。

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