管道溫度傳感器探頭強度分析

楊俊磊 劉珂 賈博 西安遠方航空技術發展有限公司

引言

在飛機燃油系統和環控系統中，管道內介質的溫度是非常重要的參數，它直接影響各系統工作性能和飛行安全。管道溫度傳感器用于實時監控管道內流體的溫度，對飛機的飛行安全具有有重要大意義。管道溫度傳感器在工作過程中，存在壓力、溫度、振動等環境條件，為保證產品結構安全，在傳感器設計過程中，需要對傳感器結構的薄弱環節進行強度分析，以確定設計的合理性。

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介質溫度的變化，并把溫度的變化轉換成與其成近似線性關系的電阻值變化信號，通過測量電阻值的變化間接測量流體介質溫度，產品具有測量精度高，靈敏度高、穩定性好等優點。

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。傳感器從結構上可分為兩部分，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成，外套螺母用于將傳感器固定在被測管道的安裝座上。

圖1 某型管道溫度傳感器外形圖

1.3 探頭結構尺寸

某型管道溫度傳感器探頭的結構尺寸如圖2所示，傳感器通過安裝座安裝，屬懸臂梁受力結構。

圖2 探頭尺寸

2 探頭強度分析

2.1 計算目的

對規格為L=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、靜壓為45MP對探頭薄壁結構進行強度分析，從而確定產品探頭強度是否滿足使用要求。

2.2 探頭振動條件下的強度分析

在測量探頭為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的細長桿狀情況下，探頭部分中70mm長的薄壁結構為整個傳感器的薄弱環節。

假設傳感器探頭安裝后如圖3所示，探頭為懸臂梁結構，q為探頭的均布載荷，q=6mg/L，

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

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，計算公式如下：

由圖3知探頭的橫截面為薄壁環形，則探頭的最大彎曲正應力為

則探頭的最大彎曲切應力為

探頭進行振動試驗時，為純彎曲試驗，鋼材的疲勞極限與抗拉強度之間存在近似關系：，不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）棒材的抗拉強度為=540MPa。則探頭的最大彎曲正應力為和切應力遠遠小于材料的疲勞極限。

2.3 探頭在45MOPa壓力的強度分析

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的正應力為

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。

根據第一強度理論，材料的破壞是由最大正應力引起時，材料不論受到幾項應力，只要其中最大的一項主應力達到在簡單拉伸（或壓縮）極限數值時材料就會發生破壞，而其他兩個方向的主應力則不起作用

根據第四強度理論，材料的破壞是由綺變引起的，即某種材料不論受力狀態如何，只要崎變比能達到材料的極限數值時，它就開始破壞，按照第四強度理論建立的強度理論條件為

2.4 結論

某型管道溫度傳感器探頭為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）材料，長度為70mm時，在加速度為6g的振動環境和壓力為45MPa的活塞壓力器中，探頭不會發生結構破壞。