CN102788197A - 热力管道支吊的恒力支吊架 - Google Patents

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Abstract

本发明是热力管道支吊的恒力支吊架，在负载管上安装有主弹簧，通过主弹簧压板固定，外框架两内侧安装辅弹簧，外框架上通过转轴安装2个刀形导轨，两侧的辅弹簧通过辅弹簧压板与刀形导轨相连，两组滚轮与刀形导轨相连，当负载管受外力作用时，滚轮沿刀形导轨上下运动，压迫主弹簧，在运动的不同位置，刀形导轨的摆动使两侧辅弹簧也被压缩或拉伸，在垂直方向的合力呈线性变化并表现为与主弹簧力相同或相反方向的特征，实现在整个运动过程中在负载管输出的力L恒定不变。优点：采用力平衡原理设计，结构工艺简单合理、摩擦副少，使用安装维修方便，恒定度小于4%，载荷可大大超过200KN且可组合，精度完全满足大容量、高性能设备的需求。

Description

热力管道支吊的恒力支吊架
技术领域
本发明涉及的是一种用于电厂、石化厂、钢铁厂等热力管道支吊的恒力支吊架，属于管道支吊技术领域。
背景技术
随着国民经济的快速发展，对电力、石化产品、钢铁等的需求呈现高于经济增长速度的态势，在相当一段时期内，电力、石化及钢铁业的建设仍将保持较高的增长速度；这些行业有一个共同的特点就是需要运用大量的热力管道，且在很多场合为了避免设备运行中由于热位移产生的反力作用，需要采用恒力设备对其悬吊或支撑，从而达到当产生热位移时，不管热位移增大、减少或消失，都可以获得恒定的作用力。
随着设备容量的不断增大以及性能的不断提高，对恒力支吊架精度的要求也越来越高。目前，我国采用的恒力支吊架主要借鉴了美国ITT.G标准，采用力矩平衡原理，由于产品本身结构的限制及加工工艺的制约，此类产品的载荷一般不超过200KN且无法组合，恒定度一般大于6%，无法满足这种场合的性能要求。
发明内容
本发明提出的是一种基于力平衡原理的恒力支吊架，旨在完全满足火电厂、石化厂、钢铁厂等管道的高精度支吊要求。采用力平衡原理，结构先进、摩擦副少，精度高，恒定度小于4%，安装简单。
本发明的技术解决方案是：其结构是在负载管上安装有主弹簧，该主弹簧通过主弹簧压板固定，在恒力吊架的外框架两内侧安装补偿弹簧，外框架上通过转轴安装2个刀形导轨，两侧的补偿弹簧通过辅弹簧压板与刀形导轨相连，负载管上方通过的两组滚轮与刀形导轨相连，当负载管受外力作用时，滚轮沿刀形导轨上下运动，压迫主弹簧，在运动的不同位置，刀形导轨的摆动使两侧辅弹簧也被压缩或拉伸，它们在垂直方向的合力由于刀形导轨的特殊形状而呈线性变化并表现为与主弹簧力相同或相反方向的特征，从而实现在整个运动过程中在负载管输出的力L恒定不变。
本发明的优点：本恒力支吊架采用力平衡原理而设计，结构、工艺简单合理、摩擦副少，使用安装维修方便，精度高，恒定度小于4%，恒力支吊架的载荷可大大超过200KN且可组合，恒力支吊架的精度完全满足大容量、高性能设备的需求。
附图说明
附图1是恒力支吊架的结构简图。
附图2是工作原理图。
附图3是刀形导轨曲线图。
附图4是ΔF与t的关系曲线图。
附图5是ΔF与t的关系曲线图。
具体实施方式
对照附图1，其结构是在负载管A上安装有主弹簧B，该主弹簧B通过主弹簧压板固定，在恒力支吊架的外框架两内侧安装辅弹簧C，外框架上通过转轴安装2个刀形导轨D，两侧的辅弹簧C通过辅弹簧压板与刀形导轨相连，负载管上方通过两组滚轮E与刀形导轨相连，当负载管受外力作用时，滚轮E沿刀形导轨上下运动，压迫主弹簧，在运动的不同位置，刀形导轨的摆动使两侧辅弹簧也被压缩或拉伸，它们在垂直方向的合力由于刀形导轨的特殊形状而呈线性变化并表现为与主弹簧力相同或相反方向的特征，从而实现在整个运动过程中在负载管输出的力L恒定不变。
确定在负载管上输出的力L恒定不变：
为满足拉力绝对恒定，根据力的平行四边形法则，两个预压缩辅弹簧水平方向的力方向是相反的，通过主弹簧的弹力和两个辅弹簧的合成力的相互作用，使在负载管上竖直方向的力恒定不变。工作过程中，悬挂负载的力L通过中央负载管A直接作用在主弹簧B上。两个预压缩的辅弹簧C的合成力通过刀形导轨D和滚轮E附加作用在负载管A上。主弹簧力和合力随负载在行程范围内移动，随弹簧系数以及刀形导轨的形状和刀形导轨的安装角度的变化而变化。
从图2中可以看到，主弹簧力与位移呈线性关系，合力始终保持不变。
具体数学推导如下：
建立该恒力装置的数学模型，推导了刀形导轨轮廓曲线的微分方程。通过对负载管及刀形导轨的受力分析，有：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 912591DEST_PATH_IMAGE002
联立两式得：
Figure 641512DEST_PATH_IMAGE004
由于刀形导轨摆动角度不宜过大，防止辅弹簧处产生过大的误差，取
Figure DEST_PATH_IMAGE005
则
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，另根据共原点坐标变换定理Euler得，平面共原点坐标变换矩阵为：
Figure 346425DEST_PATH_IMAGE010
，其中=
Figure 616050DEST_PATH_IMAGE014
       
即： 
Figure 753639DEST_PATH_IMAGE016
=
Figure 636144DEST_PATH_IMAGE018
由于主轴始终沿轴线运动，滚轮与刀形导轨接触点的运动可以近似为距
Figure DEST_PATH_IMAGE019
轴的直线 
Figure 926311DEST_PATH_IMAGE020
。故得 
 
Figure DEST_PATH_IMAGE021
  
由上式可知，当
Figure 868859DEST_PATH_IMAGE022
的值确定时，合力与坐标（，
Figure 929963DEST_PATH_IMAGE024
）该点处的压力角α和k2有关，合力不是常量，随着负载管的移动，不断变化。
根据以上式子，进一步推导可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
由上式可以看出，当
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的值确定时，合力与坐标（
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
）和
Figure DEST_PATH_IMAGE033
有关，即初步确定了力L的变化与接触点移动轨迹和副弹簧刚度之间的关系。
利用Matlab对刀形导轨轮廓线方程进行求解，并绘制轮廓曲线。设该产品的某系列中恒力装置的载荷为5kN，行程为150mm，e=15mm，a=30，l=200，h=150，根据恒力装置工作原理，如图2所示，当负载管A运行到中间端时，F1=L=5KN ，根据胡克定理，
Figure 947783DEST_PATH_IMAGE034
假定力L恒定为5KN，利用Matlab进行编程求解，求出接触点的运动轨迹，即刀形导轨的轮廓曲线，如图3所示，其中曲线1为K2=2.5K1=166.67KN/mm,曲线2为K2=2K1=133.33KN/mm 。
由图3可以看出, 刀形导轨的曲线形状主要和主、辅弹簧的弹性系数比值有关，当主、辅助弹簧的弹性系数比值较大时，刀形导轨的曲线越弯曲，反之则趋于平缓。
在Adams中建立了恒力装置仿真模型，并利用该仿真模型分析了该装置的恒定度。按照编程软件matlab中求出的曲线上的点，在PRO\E中建模，建立恒力吊的各组件并装配成三维模型，再把三维模型导入ADMS—Views中进行进一步的完善，添加驱动和约束，进行仿真。
在负载管上加一个沿y轴的匀速往复运动，测出负载管与机架间运动副的力的变化与时间t的关系如图4。所以，
Fmax=5KN+121N=5124N,
Fmin=5000N+9.6N=5009.6N 
所以，恒定度为：
Figure 749648DEST_PATH_IMAGE036
若选择k2=3k1=200.01 KN/mm，用同样的方法可得到如图5所示的ΔF与时间t的关系。
Fmax=5KN+97.13N=5097.13N,
Fmin=5000N+18.03N=5018.03N，
所以，恒定度为： 
Figure DEST_PATH_IMAGE037
从以上两例可知不同的刚度对应着不同的恒定度，在恒力装置设计时，应选取多组刚度，分别算出恒定度，进行恒定度比较，选出最小的恒定度值。

Claims (1)

1.热力管道支吊的恒力支吊架，其特征是在负在负载管上安装有主弹簧，该主弹簧通过主弹簧压板固定，在恒力吊架的外框架两内侧安装辅弹簧，外框架上通过转轴安装2个刀形导轨，两侧的辅弹簧通过辅弹簧压板与刀形导轨相连，负载管上方通过的两组滚轮与刀形导轨相连，当负载管受外力作用时，滚轮沿刀形导轨上下运动，压迫主弹簧，在运动的不同位置，刀形导轨的摆动使两侧辅弹簧也被压缩或拉伸，它们在垂直方向的合力由于刀形导轨的特殊形状而呈线性变化并表现为与主弹簧力相同或相反方向的特征，从而实现在整个运动过程中在负载管输出的力恒定不变。
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