一种测量球形接头转动角度的装置及方法

1.本发明属于管路系统测量领域，具体涉及一种测量球形接头转动角度的装置及方法。


背景技术：

2.空气管路在高温高压条件下会发生位移和变形，常添加球形接头来补偿管路的应力，球形接头也称为角向型波纹管补偿器，是限制型波纹管的一种。它依靠波纹管的伸缩吸收位移来释放一或二次应力。球形接头为不可拆连接件，在管路中用于热补偿和增加管道柔性，是高温高压空气管路系统中应力补偿能力最强的部件。
3.高温高压空气管路的试验需要在封闭的加热炉内进行，由于加热炉的不可视性，无法从加热炉外观察炉内管路情况，同时管路在加温加压后产生的位移和变形是三维空间中的，测量该条件下球形接头的转动角度是迫切需要解决的问题。
4.鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种结构简单、安装方便、对试验管路影响小的测量球形接头转动角度的装置和方法，并通过坐标系的建立和公式计算对球形接头的转动角度进行标定，为高温高压空气管路中球形接头的转动角度测量提供技术参考。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、安装方便、对试验管路影响小的测量球形接头转动角度的装置和方法，实现高温高压空气管路中球形接头转动角度的测量。
6.技术方案：本发明提供了一种测量球形接头转动角度的装置，包括：管套基座和示踪剂喷射系统；所述管套基座包括两个对称的结构基底，两个对称的结构基底固定连接配对使用；所述示踪剂喷射系统包括喷射管、高度板、增压泵和分流器；所述高度板与管套基座的结构基底相连，并开有滑槽孔；所述喷射管包括两个喷射孔和一个供液孔，喷射管中间位置设有支撑柱，用于与卡扣连接，固定于高度板上，并保持在滑槽孔内平移而不转动；所述增压泵提供高压水，由分流器添加示踪剂后分流到喷射管的供液孔，通过喷射孔喷出，在加热炉壁面形成标记点，通过高度板调节喷射管高度，避免喷射出的液体与加载荷后变形的管路产生干涉。
7.进一步地，所述高度板上有刻度线。
8.进一步地，所述支撑柱为矩形柱。
9.进一步地，所述喷射管中心位于结构基底中央，保证两个管套基座组合时，两个喷射管中心线形成的平面经过管套基座的中心线。
10.进一步地，所述分流器有四个通道，在液体流过时，往通道内添加示踪剂。
11.基于相同的发明构思，本发明还提供一种测量球形接头转动角度的方法，具体包括以下步骤：
12.(1)在球形接头两侧分别安装测量装置并将试验段管路端口固定在矩形加热炉
内，以加热炉内壁任一顶点为原点，以经过该点的炉边为坐标轴建立空间直角坐标系o
xyz
；
13.(2)对试验段管路加温加压，待加热炉温度达到设定值，启动增压泵，由喷射孔喷射出含示踪剂的水，在加热炉壁面形成8个标记点，测量得到8个标记点的坐标：球形接头一侧的喷射管记为a，b，喷射出的点坐标记为a1(x1，y1，z1)，a2(x2，y2，z2)，b1(x3，y3，z3)，b2(x4，y4，z4)，另一侧的喷射管记为c，d，喷射出的点坐标记为c1(x5，y5，z5)，c2(x6，y6，z6)，d1(x7，y7，z7)，d2(x8，y8，z8)；
14.(3)由喷射点a1，a2得到的直线记为l1，l1即为位移后喷射管a侧的空气管路轴线方向，l1的方向向量n1为(x
2-x1,y
2-y1,z
2-z1)；
15.(4)由喷射点c1，c2得到的直线记为l2，l2即为位移后喷射管c侧的空气管路轴线方向，l2的方向向量n2为(x
6-x5,y
6-y5,z
6-z5)；
16.(5)由喷射点a1，a2，b1，b2形成的面a1a2b1b2和该面的法向量n3建立局部空间直角坐标系o’x’y’z’，l1和n3分别为局部空间直角坐标系的两个轴线，分别记为y’和x’，面a1a2b1b2记为y’o’z’面，面a1a2b1b2的法向量n3(a,b,c)；
17.(6)由线l2与面a1a2b1b2方程可求得线l2与面a1a2b1b2的夹角α，和线l2在面a1a2b1b2上投影线l3的方程，再由线l3与线l1的方程可求得线l3与线l1的夹角β，其中α和β为锐角；
[0018][0019]
设过l2的平面束方程为：
[0020]
(y
6-y5)x (λ(z
6-z5)-(x
6-x5))y-λ(y
6-y5)z-x5y6 x6y5 λ(-y5z6 z5y6)＝0
[0021]
(7)将法向量n2＝(a,b,c)代入平面束方程解得λ值，将λ代入平面束方程，解得平面方程为a1x b1y c1z d1＝0，其中a1，b1，c1，d1值均已求得；投影线l3的方向向量n4＝(a1,b1,c1)
×
(a,b,c)；
[0022]
cosβ＝cos《n1·
n4》
[0023]
由此，球形接头在局部空间直角坐标系下转动角度为：在y’o’z’面内转动β，沿y’o’z’面法线方向转动α。
[0024]
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明装置的重力和喷射时的压力与在高温高压条件下空气管路受到的应力相比很小，可忽略；本发明适合应用于高温高压空气管路试验中球形接头转动角度的测量，具有简单可靠、易操作、对试验管路影响小等优点。
附图说明
[0025]
图1为本发明的管套装置结构示意图；
[0026]
图2为本发明的示踪剂喷射系统结构示意图；
[0027]
图3为本发明安装在管路上示意图；
[0028]
其中，1结构基底，2喷射管，3高度板，4增压泵，5分流器，6滑槽孔，7喷射孔，8供液孔，9卡扣，加热炉10。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0030]
如图1～3所示，本发明的一种测量球形接头转动角度的装置，包括管套基座和示踪剂喷射系统。所述的管套基座包括两个对称的结构基底1，两个对称的结构基底1固定连接配对使用；示踪剂喷射系统包括喷射管2、高度板3、增压泵4和分流器5；高度板3与管套基座的结构基底1相连，并开有滑槽孔6；喷射管2包括两个喷射孔7和一个供液孔8，喷射管中间位置设有支撑柱，支撑柱为矩形柱，用于与卡扣9连接，固定于高度板3上，并保持在滑槽孔6内平移而不转动；增压泵4提供高压水，由分流器5添加示踪剂后分流到喷射管2的供液孔8，通过喷射孔7喷出，在加热炉10壁面形成标记点，高度板3上有刻度线，通过高度板3调节喷射管2高度，避免喷射出的液体与加载荷后变形的管路产生干涉。喷射管2中心位于结构基底1中央，保证两个管套基座组合时，两个喷射管2中心线形成的平面经过管套基座1的中心线。分流器5有四个通道，在液体流过时，往通道内添加示踪剂。本实施方式中两个对称的结构基底通过螺栓固定连接配对使用。
[0031]
基于相同的发明构思，本发明还提供一种测量球形接头转动角度的方法，具体实现过程如下：
[0032]
在进行高温高压空气管路试验时，在试验段球形接头两侧安装好两对测量装置并将试验段管路端口固定在矩形加热炉内，初始状态下球形接头转动角度为0
°
，以加热炉内壁任一顶点为原点，以经过该点的炉边为坐标轴建立空间直角坐标系o
xyz
。对试验段管路加温加压，待加热炉温度达到设定值，启动增压泵，由喷射孔喷射出含示踪剂的水，在加热炉壁面形成8个标记点，测量得到8个标记点的坐标。
[0033]
球形接头一侧的喷射管记为a，b，喷射出的点坐标记为a1(x1，y1，z1)，a2(x2，y2，z2)，b1(x3，y3，z3)，b2(x4，y4，z4)，另一侧的喷射管记为c，d，喷射出的点坐标记为c1(x5，y5，z5)，c2(x6，y6，z6)，d1(x7，y7，z7)，d2(x8，y8，z8)。
[0034]
由喷射点a1，a2得到的直线记为l1，l1即为位移后喷射管a侧的空气管路轴线方向。l1的方程为：
[0035][0036]
l1的方向向量n1为(x
2-x1,y
2-y1,z
2-z1)。
[0037]
由喷射点c1，c2得到的直线记为l2，l2即为位移后喷射管c侧的空气管路轴线方向。l2的方程为：
[0038][0039]
可改写为：
[0040][0041]
l2的方向向量n2为(x
6-x5,y
6-y5,z
6-z5)。
[0042]
由喷射点a1，a2，b1，b2形成的面a1a2b1b2和该面的法向量n3建立局部空间直角坐标系o’x’y’z’，l1和n3分别为局部空间直角坐标系的两个轴线，分别记为y’和x’，面a1a2b1b2记为
y’o’z’面。
[0043]
面a1a2b1b2在全局坐标系下的方程为：
[0044]
ax by cz d＝0
[0045]
将a1，a2，b1三点坐标代入求得a、b、c、d的值，分别为：
[0046][0047]
面a1a2b1b2的法向量n3为(a,b,c)。
[0048]
由线l2与面a1a2b1b2方程可求得线l2与面a1a2b1b2的夹角α(取锐角)和线l2在面a1a2b1b2上投影线l3的方程，再由线l3与线l1的方程可求得线l3与线l1的夹角β(取锐角)。
[0049][0050]
设过l2的平面束方程为：
[0051]
(y
6-y5)x (λ(z
6-z5)-(x
6-x5))y-λ(y
6-y5)z-x5y6 x6y5 λ(-y5z6 z5y6)＝0
[0052]
将法向量n2＝(a,b,c)代入平面束方程解得λ值，将λ代入平面束方程，解得
[0053]
平面方程为a1x b1y c1z d1＝0，其中a1，b1，c1，d1值均已求得。
[0054]
投影线l3的方程为：
[0055][0056]
投影线l3的方向向量n4＝(a1,b1,c1)
×
(a,b,c)
[0057]
cosβ＝cos《n1·
n4》
[0058]
由此，球形接头在局部空间直角坐标系下转动角度为：在y’o’z’面内转动β，沿y’o’z’面法线方向转动α。
[0059]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。