高温航空尾喷管典型运动副摩擦磨损试验机温度控制系统及方法

本发明涉及摩擦磨损试验机，具体地，涉及一种高温航空尾喷管典型运动副摩擦磨损试验机温度控制系统及方法。

背景技术：

1、最新一代先进战机超音速巡航、超机动的性能要求航空发动机尾喷管运动调节速度大于30°/s，运动调节机构长期承受超过10000牛气动载荷和近1000摄氏度高温，为避免运动调节机构在设计生命周期内关键运动副服役性能退化甚至失效，进而限制整体装备系统调节精度、响应性能、寿命和可靠性，甚至引起重大工程灾难，亟需明确运动部件摩擦学性能退化机理、优化表面界面摩擦学设计，然而适用于航空尾喷管运动调节机构研究的高温重载模拟工况摩擦学测试系统国内外尚无，无法为上述研究提供试验支撑，限制技术突破。

2、现有的摩擦磨损试验机，以通用摩擦磨损试验机应用最广，该类试验机仅能测试材料级别摩擦磨损性能，加载形式有限，运动形式简单，温度工况单一，局限在材料试样的某一点、线、面做特定的往复、回转、微动运动，然而实际运动机构具有多个部件和运动副，单一零件具有多个运动副，多点受力，且零件之间具有公差配合特征、相互运动摩擦生热明显，基于通用摩擦磨损试验机的材料级测试分析工况过于简化，所得结果与实际机构运动部件运动副摩擦磨损情况存在明显差异，仅适用于基础理论研究分析。

3、为克服材料级通用摩擦磨损试验机试验能力缺陷，需要设计针对航空尾喷管运动调节机构典型运动副研究用高温重载工况摩擦磨损试验机。由于高温重载工况摩擦磨损试验机试验区域温度工况恶劣，部分区域温度梯度极大，传感器数量多且测量精度受工作温度影响较大，因此需要为高温重载工况摩擦磨损试验机设计一型高精度高温控制模块，同时为其开发配套的温度控制方法。

4、专利申请号为200710052437的专利文献公开了一种高温环形退火炉炉温控制方法，通过为不同温度工况配置不同炉温调节器输出参数结合常规pid控制实现，但适用场景有限，自适应控制能力不足。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高温航空尾喷管典型运动副摩擦磨损试验机温度控制系统及方法。

2、根据本发明提供的高温航空尾喷管典型运动副摩擦磨损试验机温度控制系统，包括：箱式保温结构、加热执行器、散热执行器、温度传感器、温度控制器与上位机；

3、所述加热执行器包括u形碳硅电加热棒与固体继电器，所述u形碳硅电加热棒置于箱式保温结构的一侧内壁，所述固体继电器置于箱式保温结构的相对侧内壁，用于加热箱式保温结构内部达到指定温度；

4、所述散热执行器安装于箱式保温结构外运动机构的部件上，使用内部循环流动的液体冷却介质降低部件的温度；

5、所述温度传感器包括高温区域热电偶和低温区域热电偶，所述高温区域热电偶安装于箱式保温结构内部，用于测量特定点位温度；所述低温区域热电偶安装于运动机构中含传感器的部件上，用于测量传感器区域温度以补偿传感器温漂；

6、所述温度控制器为记忆型pid调节仪，集成有信号输入、信号输出、数据面板显示功能，通过rs485协议与上位机进行通讯；

7、所述上位机为工控电脑，用于将温度控制器接入试验机测控软件，同时控制散热执行器。

8、优选的，所述箱式保温结构包括箱式结构、保温材料与光学窗口；

9、所述箱式结构由6块gh2747高温合金钢组成，通过顶面与侧面与试验机框架固接，所述箱式结构内嵌有一体安装的大厚度氧化锆陶瓷纤维板作为保温材料；

10、箱式保温结构正面的gh2747高温合金钢板内嵌陶瓷纤维复合绝热板，整体设计为单开门，用于试验件安装与拆卸；

11、箱式保温结构背面的gh2747高温合金钢板与内嵌的氧化锆陶瓷纤维板上开有光学窗口，由多层耐高温玻璃安装而成，服务于试验过程中的夹具工作状态观察与试验机运动图像采集；

12、箱式保温结构的底面与侧面均开有槽口，用于容纳试验机运动机构，箱式保温结构外表面安装有耐高温导轨与隔热挡板，隔热挡板与试验机运动机构固连，在试验机运动机构运动时实现对槽口的遮挡以降低对流与辐射传热。

13、优选的，所述u形碳硅电加热棒的数量为8根，采用星形连接的方式接入固体继电器，固体继电器使用温度控制器输出的弱电信号控制380v电源通断。

14、优选的，所述散热执行器包括冷却水套、液体管路、循环泵、冷排与散热风扇，均安装于箱式保温结构外运动机构的部件上，使用内部循环流动的液体冷却介质降低部件的温度，以减少运动机构中传感器的温漂。

15、优选的，所述高温区域热电偶为3个s型热电偶，安装于箱式保温结构内部，用于测量特定点位温度；

16、所述低温区域热电偶为3个k型热电偶，分别安装于运动机构中含传感器的部件上，用于测量传感器区域温度以补偿传感器温漂。

17、根据本发明提供的高温航空尾喷管典型运动副摩擦磨损试验机温度控制方法，以箱式保温结构内部环境平均温度作为目标温度，通过流体-传热耦合有限元仿真，对不同目标温度下的温度分布进行分析，建立箱式保温结构、加热执行器、散热执行器与试验件的温度分布模型，将箱式保温结构内表面近似划分为边长为预设长度的正方形，分析各个正方形区域内平均温度随目标温度的变化规律，取线性度最好的3个区域形心作为特征点布置高温区域热电偶测量特征点温度，根据总结所得温度变化规律预测环境平均温度与试验件温度；

18、在获取箱式保温结构的稳态温度场分布时，设置u形碳硅电加热棒为体积热源，通过试验设计法为8根u形碳硅电加热棒设置一系列功率组合，进行稳态传热有限元计算；以u形碳硅电加热棒的功率作为输入，以计算结果中试验件区域平均温度作为输出，得到在特定功率区间8根u形碳硅电加热棒功率与试验件区域平均温度的近似映射关系，以此作为温度控制的数学依据；

19、执行如下步骤：

20、第一工作阶段，加热执行器全功率工作，散热执行器不工作，使箱式保温结构内部环境温度快速接近目标值；

21、第二工作阶段，加热执行器与散热执行器同时工作，使箱式保温结构内部环境温度达到目标值并收敛；

22、第三工作阶段，加热执行器与散热执行器同时工作，使箱式保温结构内部环境温度维持稳定，为摩擦磨损试验提供稳定工况；

23、第四工作阶段，散热执行器全功率工作，加热执行器不工作，快速降低箱式保温结构内部温度。

24、优选的，使用高温区域热电偶测量特征点温度，根据流体-传热耦合瞬态仿真，计算第一工作阶段中箱式保温结构、加热执行器、散热执行器与试验件温度的时空分布，确定温度敏感区域达到温度阈值时特征测温点的温度，以此作为第二加热阶段的起始温度。

25、优选的，使用多点测温温度预测方法得到箱式保温结构、加热执行器、散热执行器与试验件的温度分布，根据温度分布规律得到3个高温区域热电偶读数与箱式保温结构内部环境平均温度的对应关系；温度控制器以计算所得的箱式保温结构内部环境平均温度作为控制目标，使用低频pwm周期性控制固体继电器的通断，以此控制u形碳硅电加热棒的平均加热功率；在第二工作阶段与第三工作阶段，温度控制器运行自整定pid控制pwm的占空比调节u形碳硅电加热棒的平均加热功率，实现箱式保温结构内部环境温度进行控制。

26、优选的，在第三工作阶段中，温度控制器运行自整定pid控制pwm的占空比调节u形碳硅电加热棒的平均加热功率，在此基础上根据特定功率区间u形碳硅电加热棒功率与试验件区域平均温度的近似映射关系为8根u形碳硅电加热棒加权分配工作功率，以此补偿箱式保温结构热阻分布不均导致的温度分布不均，降低试验区域内部温度梯度，优化试验工况。

27、优选的，在第二工作阶段与第三工作阶段中，上位机通过低温区域热电偶测量传感器安装区域的温度，以此作为pid控制的目标量，使用传统pid控制散热执行器中循环泵和散热风扇的转速，保证运动机构传感器温度稳定在设定工作温度；在第四工作阶段中，散热执行器中循环泵和散热风扇以系统设定的高转速运行，快速降低箱式保温结构内部温度；

28、对运动机构传感器在不同工作温度下的测量值进行实验标定，通过拟合得到三次多项式关系，关系在记录实验数据时将低温区域热电偶读数作为所测温度数据，用于修正运动机构传感器的温漂。

29、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

30、(1)本发明通过流体-传热耦合有限元仿真，建立并分析温度场时空分布模型，确定特征测温点与加热过程临界温度，开发多点测温温度预测方法，为各个加热执行器确定功率分配权重，提高了温度控制模块的测控精度；

31、(2)本发明为摩擦磨损试验机试验区域提供稳定的800摄氏度温度工况，并可有效避免高温区域对传感器等温度敏感元件的影响。