作者:Michael Hoffman, Dragos和SANS技术研究所
图1:膨胀节进气歧管。
很少有行业比军事和航空航天部门需要更多的产品验证和认证。在任何新技术获得军方监管机构批准之前，它们必须经历多个层面的技术开发，通常是在模拟环境中进行的。该测试环境旨在将产品推向极限，以确保它们能够满足现实世界的需求。
最重要的是，这些测试必须准确可靠，为性能和建模验证提供边界条件。如果测试设备本身不能产生准确的、可重复的结果，工程师就不能保证产品的可靠性。这就是为什么设计功能测试设备和它们所测试的产品一样重要。
TCH Industries是定制软管和配件的专家，当其客户为美军设计先进推进概念测试设施时，该公司亲身体验了这种苛刻的环境。为了验证一个新概念，军方必须创建一个定制的测试环境。这个环境需要模拟高海拔、波动环境和极端压力和温度，在正常运行的概念。有一个八英寸的。进气系统，将空气输送到推进系统，以保证可靠的推力输出结果。标准波纹管膨胀接头设计是不可行的，因为它们会在测试条件下传递一个力。
随着这些挑战的先进性质，TCH Industries的工程师意识到他们需要额外的资源来提供一个完整的设计。这就是为什么他们与软管大师合作，在金属软管和波纹管膨胀接头的领导者。两家公司共同创造了一个定制的u形环膨胀接头设计，满足了独特测试环境的所有要求。TCH和Hose Master通过创造一个伸缩接头，能够经受军事级别的功能测试，使我们的军队能够验证其先进推进概念。
图2:连接两个流形的u形环的子总成。
军事航空应用的高要求
与汽车或商用飞机工业等其他部门相比，军事领域的功能测试对发动机和推进系统的要求更高。这些发动机不仅要面对高海拔和极端温度等具有挑战性的环境，而且还需要以最高效率运行。
为了切实可行，“先进推进概念”需要通过测试，将该设计推向实战中所面临的极限。该设计将需要面对紧张的条件，如:
•高压高达750 psi
•巨大的流量通过8英寸的进水管
•高达1075华氏度的高温
•超音速速度
•轴向压缩可达1英寸。
最重要的是，测试装置不能对测压元件施加额外的力。如果力没有得到适当的平衡，就会产生不准确的性能结果。
设计一:压力平衡波纹管膨胀接头
为了完成测试设计，军方联系TCH开发定制伸缩接头。最初的设计是一个压力平衡波纹管膨胀接头。这种膨胀接头的设计将通过机械抑制输出相等和相反的力来消除输入空气的末端推力。
然而，由于风箱的压缩，这导致系统像一个巨大的弹簧。系统将压缩1-in。由于热膨胀，这将从测试单元上的膨胀缝中输出数万磅的弹簧力。
图3:伸缩缝CAD效果图。
在风箱式设计的范围内，由于设计的固有局限性，没有办法完全消除力。虽然它解决了最初的无约束推力问题，但却没有解决巨大的弹簧力问题。这种设计会产生偏差的测试结果，因为测试夹具会施加与被测推力无关的力。在与军方审查设计考虑因素后，TCH团队意识到他们必须进行支点，并通过另一个设计迭代。
由于理解了风箱式压力平衡膨胀节设计的局限性，工程团队意识到他们需要打破常规。
TCH和Hose Master的设计工程师知道，他们需要一种完全不同类型的解决方案。建议使用u形回环膨胀接头——软管大师的设计专家将其赋予了生命。
在TCH的指导下，软管大师开发了定制的u形管汇设计。本设计在管汇顶部和底部分别使用了4个u型软管组件和4个u型软管组件。管汇的设计本质上是软管，同时也是一个伸缩缝，特别是一个不产生力的伸缩缝。所有的力都等于零，因为在顶部发生的一切都发生在底部，所有的横向力都被管道所包含。
定制歧管设计完成后，两家公司进行了多次设计迭代以确保其正确。迭代包括改变软管间距的中心线和改变分支连接，以提高焊接效率。这些迭代需要在Hose Master、TCH和客户之间进行高水平的协作，以便能够考虑到所有事情。
为军方的测试设备创建一个新的伸缩缝，需要比典型的软管和伸缩缝供应商提供更高的专业知识和更多的产品。许多传统的伸缩节制造商只生产风箱式伸缩节，这将是一场永无止境的消除力的设计斗争。
图4:进口和出口歧管盖上盖子，准备装运(出口侧在最前面)。
由于Hose Master既是风箱式伸缩节制造商，又是金属软管制造商，它可以利用其中一种的设计限制，把它变成另一种。除了结构设计之外，TCH和Hose Master还拥有材料方面的专业知识，可以指定一种能承受1075华氏度(约合1075摄氏度)测试环境温度的金属。这就是他们选择316H不锈钢的原因。316H不锈钢的高含碳量使其特别适用于高温应用，使其成为高温测试的完美选择。最终设计的可行性通过以下测试得到验证:
•摄影
•染料渗透测试
•压力测试
这些测试让美军放心，因为先进推进概念将在安全和规范的环境中得到验证。
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