CN102537615B - 用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法，它解决了低温实验中固定式支撑结构不能随着被支撑结构在较大温差下发生尺寸变化而导致的支撑失效问题。该支撑架由方形铝制垫块、国标通用螺钉、圆柱螺旋弹簧、中心通孔且外侧有螺纹的T形剖面圆柱凸台调节旋钮和中心带螺纹通孔的圆柱底座组成，能够根据被支撑结构的空间尺寸限制和力学要求进行设计和模块化更换，实现在较大温度变化下对被支撑结构的稳定支撑应用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架具有安装简单、定位精确、对温度变化适应性高等特点。

Description

用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法

技术领域

本发明涉及可调节支撑架及设计方法，具体涉及用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法，它主要应用于低线胀系数材料低温实验领域。

背景技术

在进行低温实验时，需要在实验件的一些关键点放置热应变片和热管用于导热和控温。现有的一些热应变片、热管具有一定的柔性，使用时要求其与被控温部位具有良好的接触。通常情况下，一些实验件表面不能进行钻孔以及粘贴，因此需要采用支撑架将热应变片和热管固定在实验件表面。通常用支撑架对热应变片和热管的布置与安装是在常温下进行的。在进行低温实验时，由于温度变化此类支撑架与低线胀系数材料制作的实验件会发生不同的尺寸变化，导致热应变片和热管与被控温部位发生脱离失去导热和控温作用。

现有的一些支撑架采用铝或钢等具有较大线胀系数的材料制作，多为垫块或者螺旋伸缩式杆，通常用于相似材料的结构支撑，无法满足上述低线胀系数材料结构件的支撑。因此，要求支撑结构具有对温度的适应性，可满足不同线胀系数材料实验件的支撑。

发明内容

本发明提供一种用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法，解决低温实验中支撑架由于与被支撑结构线胀系数不匹配导致的在较大温差下发生与被支撑结构脱离而导致的支撑失效问题。

本发明所述的可调节支撑架仍然采用常见的铝、钢等线胀系数较高的材料，通过在原有支撑架的基础上引入新型结构以实现温度适应性，可以满足相同热膨胀系数材料实验件以及上述低线胀系数材料实验件进行低温实验的支撑需求。

该适用于低温实验的可调节支撑架结构按照从上而下的结构顺序包括以下5个零件：中心带沉头通孔的方形铝制垫块1；国标通用螺钉2；圆柱螺旋弹簧3；中心通孔且外侧有螺纹的T形剖面圆柱凸台调节旋钮4；中心带螺纹通孔的圆柱底座5。

上述适用于低温环境的支撑机构在室温下进行装配的。所述方形铝制垫块1中心有一用来放置国标通用螺钉2的沉头通孔，所述国标通用螺钉2穿过方形铝制垫块1后再穿过圆柱螺旋弹簧3内孔并最终放置在圆柱凸台调节旋钮4的内孔中，所述圆柱螺旋弹簧3放置在方形铝制垫块1与圆柱凸台调节旋钮4之间，通过国标通用螺钉2进行径向限位，通过方形铝制垫块1以及圆柱凸台调节旋钮4进行轴向限位，所述圆柱凸台调节旋钮4通过外螺纹与中心带螺纹通孔的圆柱底座5的内螺纹孔相连，通过转动圆柱凸台调节旋钮4可改变其与中心带螺纹通孔的圆柱底座5上表面之间的距离从而实现支撑架的高度调节以满足被支撑件的空间尺寸限制，并压缩圆柱螺旋弹簧实现支撑架初始支撑力的调节以满足被支撑件的力学要求。

当进行低温实验时，由于温度变化，该支撑架主体结构件与实验件均会发生尺寸变化，但由于该支撑架相对于以往支撑方法增加了圆柱螺旋弹簧结构，当圆柱螺旋弹簧轴向限位结构距离发生变化时，对圆柱螺旋弹簧的压缩力也减小，则圆柱螺旋弹簧长度增加，从而保证热应变片以及热管不与被控温部位发生脱离。

本设计提到的可调节支撑架可以用于较小安装面的狭长空间安装。该结构组成部分简单，针对不同使用情况，其设计参数各有不同。

设定可调节支撑架在室温下安装，且被支撑结构的线膨胀系数为α₁，安装高度为H₁，支撑力为F₁，实验装置的工作温度区间为200K～300K，支撑架的线膨胀系数为α₂，要求在整个温区范围内的最小支撑力不小于0.9F₁。则可按照以下方法确定满足要求的可调节支撑架的各个参数，主要有圆柱螺旋弹簧的弹性系数、圆柱螺旋弹簧工作长度以及各支撑架结构件的高度。

可知组成支撑架的方形铝制垫块、国标通用螺钉、圆柱螺旋弹簧、圆柱凸台调节旋钮和中心带螺纹通孔的圆柱底座五个零件的安装总高度为H₂，其中圆柱螺旋弹簧的弹性系数为k，其自由长度为x₀，工作长度为x₁。其中自由长度x₀满足：

x₀＜H₁/2

则根据初始支撑力可求得圆柱螺旋弹簧的弹性系数k，工作长度x₁：

F₁＝k*(x₀-x₁)

可知圆柱螺旋弹簧刚度为：

$k=\frac{F_1}{x_0-x_1}$

当温度变化量为ΔT时，被支撑结构的尺寸减小，其变化量为：

ΔH₁＝H₁*α₁*ΔT

支撑架的结构总高度尺寸也减小，根据设计，可近似地认为圆柱螺旋弹簧材料与支撑架结构材料的线胀系数相同，则支撑架的尺寸变化量为：

ΔH₂＝H₂*α₂*ΔT

由于支撑架的线胀系数小于低膨胀系数的被支撑结构，则温度降低导致的两者尺寸差值就成为圆柱螺旋弹簧的压缩量减小量，也即：

Δx＝ΔH₂-ΔH₁

则支撑力减小值为：

ΔF＝k(ΔH₂-ΔH₁)

根据设计指标要求，支撑力的减小值不超过0.1F，因此有：

$\mathrm{\ΔF}=k(\mathrm{\Δ}{H}_2-{\mathrm{\ΔH}}_1)=\frac{F_1}{x_0-x_1}*(H_2*{\mathrm{\α}}_2*\mathrm{\ΔT}-H_1*{\mathrm{\α}}_1*\mathrm{\ΔT})\≤0.1F_1$

其中H₁＝H₂，ΔT≤100K，F₁为设计目标值，为已知量，则有：

x₁≤x₀-10*H₁*ΔT*(α₂-α₁)

当确定了圆柱螺旋弹簧工作长度x₁后，可根据胡克定律求得所需圆柱螺旋弹簧的弹性系数：

$k=\frac{F_1}{x_0-x_1}\≤\frac{F_1}{10*H_1*\mathrm{\ΔT}*({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}$

综上可知，根据低温实验所要求的初始支撑力、安装高度、材料热膨胀系数以及所需的温度变化范围，可以求出可调节支撑架中圆柱螺旋弹簧的弹性系数k以及工作长度和自由长度，从而可确定圆柱螺旋弹簧的选型。

在确定了圆柱螺旋弹簧的参数后，根据支撑架的结构形式可得到其他零部件的高度值。

其中中心带沉头通孔的方形铝制垫块1的高度根据国标通用螺钉沉头孔的尺寸以及支撑力大小进行强度校核计算确定，为L₁。

其中国标通用螺钉2的长度L₂需大于圆柱螺旋弹簧工作长度x₁与方形铝制垫块长度之和：

L₂＞x₁+L₁

中心通孔且外侧有螺纹的T形剖面圆柱凸台调节旋钮4的长度L₃满足：

L₃＜H₀-(x₁+L₁)

中心带螺纹通孔的圆柱底座5的长度L₄满足：

L₄＜H₀-(L₃+L₂)

各项尺寸还需满足：

L₂+L₃+L₄＞H₀

安装时，通过调节圆柱凸台调节旋钮4的位置，可保证支撑架总体高度为H₀，且圆柱螺旋弹簧工作长度为x₁。

总之，支撑架各零件的设计与校核主要是根据支撑空间的尺寸及圆柱螺旋弹簧的变形量进行分析，主要需满足总的支撑高度符合要求。根据上述设计方法可以确定可调节支撑架的各项主要参数，从而可以将该产品应用于低温实验中。

该适用于低温实验的可调节支撑架具有以下特点：

结构简单，易于安装。采用套筒式的支撑架，便于拆卸和安装，且占用的空间小，非常适合进行热应变片和热管的支撑。

可提供足够的支撑力。采用调节圆柱凸台调节旋钮配合圆柱螺旋弹簧的结构可以很好地利用圆柱螺旋弹簧的弹性力对被支撑件提供预紧力。

对温度适应性强。采用圆柱螺旋弹簧结构，可以通过改变圆柱螺旋弹簧的压缩量来改变支撑力的大小，从而保证在温度降低后，即使被支撑件以及支撑架的尺寸发生变化，整个支撑架对外输出的支撑力也能够保持在允许值以内，从而保证热管等被支撑件可以有效地工作。

该支撑架解决了被支撑结构在较大温差下发生尺寸变化而导致的支撑失效问题。同时，该支撑架的高度和初始预紧力可调节，可满足不同工况范围对结构支撑的要求。

附图说明

图1：可调节支撑架结构图，图中：1为方形铝制垫块，2为国标通用螺钉，3为圆柱螺旋弹簧，4为圆柱凸台调节旋钮，5为中心带螺纹通孔的圆柱底座。

具体实施方式

根据上述“发明内容”中具体原理及结构分析可得到可调节支撑架。使用时先将支撑架调整至所需初始高度，再将热管等被支撑件放置在被控温部位，然后将支撑架放入工作区域，将热管支撑住，并通过调节圆柱凸台调节旋钮保证圆柱螺旋弹簧的预紧力符合工作要求，从而实现结构的支撑。

Claims (2)

1.一种用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架，它由方形铝制垫块(1)，国标通用螺钉(2)，圆柱螺旋弹簧(3)，中心通孔且外侧有螺纹的T形剖面圆柱凸台调节旋钮(4)和中心带螺纹通孔的圆柱底座(5)组成，其特征在于：所述方形铝制垫块(1)中心有一用来放置国标通用螺钉(2)的沉头通孔，所述国标通用螺钉(2)穿过方形铝制垫块(1)后再穿过圆柱螺旋弹簧(3)内孔并最终放置在圆柱凸台调节旋钮(4)的内孔中，所述圆柱螺旋弹簧(3)放置在方形铝制垫块(1)与圆柱凸台调节旋钮(4)之间，通过国标通用螺钉(2)进行径向限位，通过方形铝制垫块(1)以及圆柱凸台调节旋钮(4)进行轴向限位，所述圆柱凸台调节旋钮(4)通过外螺纹与中心带螺纹通孔的圆柱底座(5)的内螺纹孔相连，通过转动圆柱凸台调节旋钮(4)可改变其与中心带螺纹通孔的圆柱底座(5)上表面之间的距离从而实现支撑架的高度调节以满足被支撑件的空间尺寸限制，并压缩圆柱螺旋弹簧实现支撑架初始支撑力的调节以满足被支撑件的力学要求。

2.一种如权利要求1所述可调节支撑架的设计方法：其特征在于设计方法如下：

1)选择圆柱螺旋弹簧(3)自由长度x₀，计算圆柱螺旋弹簧(3)的弹性系数k，工作长度x₁，确定圆柱螺旋弹簧的选型；

自由长度x₀：

x₀＜H₁/2                                                    (1)

工作长度x₁：

x₁≤x₀-10*H₁*ΔT*(α₂-α₁)                                  (2)

弹性系数k： 

式中，F₁为支撑力，H1为支撑架的安装高度，α₁为被支撑低线胀系数实验件的线胀系数，α₂为支撑结构的线膨胀系数，ΔT为温度变化量；

2)方形铝制垫块(1)的高度L₁根据国标通用螺钉沉头孔的尺寸以及支撑力大小进行强度校核计算确定；

3)国标通用螺钉(2)的长度L₂需大于圆柱螺旋弹簧工作长度x₁与方形铝制垫块长度L₁之和：

L₂＞x₁+L₁                            (4)

4)圆柱凸台调节旋钮(4)的长度L₃满足：

L₃＜H₀-(x₁+L₁)                       (5)

式中，H₀为支撑架总体高度；

5)中心带螺纹通孔的圆柱底座(5)的长度L₄满足：

L₄＜H₀-(L₃+L₂)                       (6)

6)各项尺寸还需满足：

L₂+L₃+L₄＞H₀                         (7)。

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