CN113417762A - 一种低温薄壁贮箱固定支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温薄壁贮箱固定支撑装置，以解决大容积薄壁低温贮箱可靠支撑困难，以及针对贮箱在实验中快速回温需要支撑方式具有低滞后特性的技术问题。该支撑装置包括底部及顶部固定支撑装置；所述底部固定装置包括底部支撑架和支撑底座；支撑底座包括底板、筒体、顶部环板以及加强筋板；顶部环板包括多层叠放的环形钢板，每层环形钢板之间采用点焊的方式连接；加强筋板为多条。该支撑底座制备方法是将多层环形钢板通过点焊连接成顶部环板，筒体垂直焊接在底板上，顶部环板与筒体焊接后设置加强筋板，然后沿圆周方向均匀开第一通孔，并插入螺栓进行多次拉紧，再对顶部环板进行加热处理，并进行上表面平整加工。

Description

一种低温薄壁贮箱固定支撑装置

技术领域

本发明涉及薄壁贮箱的固定支撑，具体涉及一种低温薄壁贮箱固定支撑装置。

背景技术

在火箭发动机试验中，为了模拟实际飞行状态下推进剂的供应，设计制造了大容积薄壁低温贮箱，与常规的地面容器相比，该贮箱壁很薄且刚性差。如图1所示，该贮箱顶部和底部为椭球形，筒段为圆柱形，该贮箱壁薄质量轻，总重量不超过1.5吨。

由于该低温薄壁贮箱壁厚度小，直径大，因此区别于传统的容器，如果底座不平，会导致容器发生较为严重的变形，影响容器的使用，严重时甚至造成损坏，因此必须保证容器底座的对接平面足够平整。该低温薄壁贮箱外径直径一般超过3600，就算采用较为严格的抗焊接变形措施，由于直径较大，相对厚度较小，底座焊接完毕后变形量较大。为保证上端整体平整，需焊接后进行整体加工，整体加工的变形另预计将大于20mm，这样需采用不低于30mm厚度的钢板才能完成，并且整个过程控性差，如变形超标可能导致零件报废。

目前常用的底座是大直径薄壁转接环架，但是该底座焊接后变形大，一体机械加工成本高，周期长，同时火箭发动机地面试验用低温薄壁贮箱因为壁薄刚性差质量小，无法像刚性贮箱用自身压力与底座平整结合后焊接。

与飞行状态的贮箱相比，飞行状态顶部为自由状态，地面模拟试验的顶部存在着试验管理的约束，在试验过程中试验台工作环境较差，因此，贮箱顶部也面临着可靠固定支撑的难题。同时，在试验中由于推进剂的快速消耗导致试验过程中贮箱的高低温分层界面快速移动，为了适应该变化，需要支撑固定方式针对快速回温具有低滞后特性。

发明内容

本发明的目的在于解决模拟实际飞行状态下火箭发动机推进剂供应而设计制造的大容积薄壁低温贮箱可靠支撑困难，以及针对贮箱在实验中快速回温需要支撑方式具有低滞后特性的技术问题，提供一种低温薄壁贮箱固定支撑装置。

本发明技术方案：

本发明提供一种低温薄壁贮箱固定支撑装置，该装置包括对贮箱底部进行支撑固定的底部固定支撑装置，以及对贮箱顶部进行支撑固定的顶部固定支撑装置；

所述底部固定支撑装置包括底部支撑架和支撑底座；

支撑底座包括底板、筒体、顶部环板以及加强筋板；

筒体垂直安装于底板上；底板上沿圆周方向设有多个用于与所述底部支撑架对接的第二通孔；

顶部环板的内壁与所述筒体的上端焊接，顶部环板的外圆部分与贮箱底部连接；顶部环板包括多层叠放的环形钢板，每层环形钢板之间采用点焊的方式连接；

加强筋板为多条，且沿圆周方向均匀分布在筒体外部，加强筋板的一端与顶部环板焊接，另一端与底板焊接。

进一步地，支撑底座的制作步骤如下：

步骤1、支撑底座的装配

1.1、将多个环形钢板层叠，层叠后对每层环形钢板之间的内外圆周进行点焊，形成顶部环板；

1.2、将筒体垂直焊接在所述底板上，步骤1.1所得顶部环板的内壁与所述筒体的上端焊接；

1.3、在筒体外部沿圆周方向均匀设置加强筋板，所述加强筋板一端与顶部环板焊接，另一端与底板焊接；

步骤2、对装配完成的支撑底座二次加工

2.1、在顶部环板上沿圆周方向均匀开设多个第一通孔，将螺栓从顶部环板一面插入所述第一通孔中，在另一面螺栓上安装螺母，先拧紧螺母紧固螺栓，然后对顶部环板进行整体加热，再次拧紧螺母紧固螺栓，然后多次重复整体加热和紧固螺栓的过程，直至加热后螺栓无明显松动，取出螺栓；

2.2、使用气割对支撑底座进行整体加热，再对顶部环板进行重复加热，以消除顶部环板的相对间隙，释放材料的内部应力；

2.3、对步骤2.2加热处理后的顶部环板上表面进行整体加工，使顶部环板的整个上表面平整。

进一步地，所述顶部环板的外径大于3000mm，顶部环板外径与内径之差为300mm至400mm，顶部环板由多个2mm厚的钢板叠放焊接而成。

本发明提供的支撑底座尤其适用于直径大，对底座平整度要求高，底座厚度设计较薄的贮箱。

进一步地，步骤1所述每层环形钢板之间点焊时，在同一圆周方向上相邻两个焊点之间的距离为5mm。

进一步地，所述顶部固定支撑装置包括至少三根立柱、环形箍梁以及多个L型悬挂结构；

所述至少三根立柱沿圆周方向均匀分布于贮箱周围；立柱的顶部固定安装所述环形箍梁；环形箍梁或立柱的内壁与贮箱顶部之间通过多个L型悬挂结构连接。

将L型悬挂结构与立柱刚性结构结合，通过调整立柱刚性，确保其不会对贮箱顶部产生过大的侧向负载。同时，在温度变化后针对贮箱尺寸变化快，变化的形式多样的问题，该顶部支撑装置均具有好的适应性。

进一步地，所述L型悬挂结构包括竖直连接板以及水平连接板；

所述竖直连接板与立柱平行，用于调节控制贮箱径向位移；

所述水平连接板与立柱垂直，用于调节控制贮箱轴向和径向位移。

进一步地，所述竖直连接板通过基础固定孔与立柱或环形箍梁连接，且竖直连接板上设有多个腰型孔；多个腰型孔在与立柱垂直方向上间隔设置。

进一步地，水平连接板一端通过贮箱固定孔与贮箱连接，另一端与竖直连接板连接，水平连接板的中部区域为中空，所述中空部分的中心设有圆形变形环，圆形变形环通过多根肋条与水平连接板的外部区域连接。

该L型结构利用整体双向垂直结构，水平结构上设置变形梁结合圆形变形环，可以很好的补偿贮箱的变形，垂直方向的腰型孔具备轴向柔性大，侧向承载力强，对贮箱影响小的优点，具备良好的动态响应特性，针对可能的固有频率耦合可进行快速调整。

进一步地，所述底部支撑架包括由柱状板材固定接成的方形框架及固定连接在所述框架底面的至少三根支撑柱。

进一步地，所述底部支撑架固定设置有与立柱平行的立柱固定板，所述立柱固定板通过延长支架与立柱固定连接。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的低温薄壁贮箱固定支撑装置采用底部固定支撑装置和顶部固定支撑装置实现对低温薄壁贮箱的支撑，底部设计的支撑底座通过多层板材的搭接，克服了传统一体式底座结构焊接后变形大，加工成本高，周期长的问题，解决了薄壁贮箱平整均匀底座加工困难以及低温薄壁贮箱顶部支撑装置针对贮箱快速回温具有高滞后性的技术难题。

2、本发明底部支撑底座首先采用多层环形钢板通过点焊连接，焊接后形成顶部环板，将顶部环板焊接在筒体的上端，筒体垂直焊接在底板上，然后在底板和顶部环板之间沿圆周方向均匀焊接加强筋板，在顶部环板上表面沿圆周方向开孔并插入螺栓进行拉紧，拉紧后通过气割进行整体加热消除内部应力，最后对顶部环板的上表面进行平整加工。该支撑底座的制作方法解决了大直径贮箱的底部平整支撑底座制备难度大，易变性的技术问题，加工简单，成本低，成功率高。

3、本发明顶部采用腰型孔结合L型悬挂结构的多点悬挂支撑结构，该结构具备轴向柔性大，侧向承载力强，对贮箱影响小的优点，能快速适应容器因预冷或低温介质使用时的轴向及径向尺寸变化，实现了试验过程中薄壁低温贮箱顶部的可靠支撑。

4、本发明采用了简易多柔性立柱结构来保证低温薄壁贮箱的顶部固定支撑，该结构通过刚性立柱结构，确保立柱不会对贮箱顶部产生过大的侧向负载。

附图说明

图1为低温薄壁贮箱结构示意图；

图2为本发明薄壁贮箱支撑装置示意图；

图3为图2中支撑底座侧视图；

图4为图3中A的放大示意图；

图5为图2中支撑底座俯视图；

图6为图2中顶部固定支撑装置示意图；

图7为图3中L型悬挂结构立体示意图；

图8为图7的主视图；

图9为图8的左视图；

图10为图8的仰视图。

附图标记如下：

1-贮箱顶部，2-贮箱底部，3-贮箱筒段，4-环形箍梁，5-立柱，6-支撑底座，7-延长支架，8-立柱固定板，9-L型悬挂结构，10-贮箱，11-底部支撑架，12-竖直连接板，13-基础固定孔，14-圆形变形环，15-腰型孔，16-肋条，17-水平连接板，18-贮箱固定孔，19-筒体，20-加强筋板，21-第二通孔，22-底板，23-顶部环板，24-第一通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做具体说明。

如图2至图10所示，本实施例提供的低温薄壁贮箱固定支撑装置包括用于对贮箱底部2进行支撑固定的底部固定支撑装置，以及用于对贮箱顶部1进行支撑固定的顶部固定支撑装置。

底部固定支撑装置包括底部支撑架11和支撑底座6；底部支撑架11包括由柱状板材固定接成的方形框架及固定连接在所述框架底面的三根支撑柱。可以理解的，在其他实施例中可以设置多根支撑柱使装置更稳定。

支撑底座6包括底板22、筒体19、顶部环板23以及加强筋板20；筒体19垂直安装于底板22上；底板22上沿圆周方向设有多个用于与所述底部支撑架11对接的第二通孔21。

顶部环板23的内壁与所述筒体19的上端焊接，顶部环板23的外圆部分与贮箱底部2连接；顶部环板23包括多层叠放的环形钢板，每层环形钢板之间采用点焊的方式连接；顶部环板23的外径大于3000mm，顶部环板23外径与内径之差为300mm至400mm，顶部环板23由多个2mm厚的钢板叠放点焊而成。

加强筋板20为多条，且沿圆周方向均匀分布在筒体19外部，加强筋板20的一端与顶部环板23焊接，另一端与底板22焊接。

本实施例中，支撑底座6的具体制作过程为：

S1、支撑底座的装配

S11、将6-7个环形钢板层叠，每个环形钢板的厚度为2mm，层叠后对每层环形钢板之间的内外圆周进行点焊；每层环形钢板之间点焊时，在同一圆周方向上相邻两个焊点之间的距离为5mm，点焊后形成顶部环板23；

S12、将筒体19垂直焊接在底板22上，顶部环板23的内壁与所述筒体19的上端焊接；

S13、在筒体19外部沿圆周方向均匀设置加强筋板20，所述加强筋板20一端与顶部环板23焊接，另一端与底板22焊接；

S2、对装配完成的支撑底座二次加工

S21、对焊接后的顶部环板23沿圆周方向均匀开设100个Ф14的第一通孔24，所述第一通孔24为多个并沿圆周方向均匀分布，从顶部环板23的上面将螺栓插入所述第一通孔24中，将螺母安装在顶部环板23下面的螺栓上，对顶部环板23进行多次整体拉紧，拉紧后取出螺栓；

此处的多次整体拉紧是指，先拧紧螺母紧固螺栓，然后对顶部环板23进行整体加热，加热后由于应力重新分布，导致部分紧固螺栓松弛，再次拧紧螺母紧固螺栓，然后多次重复整体加热和紧固螺栓的过程，直至加热后螺栓无明显松动。

S22、使用气割对支撑底座进行整体加热，再对顶部环板23进行重复加热，以消除顶部环板23的相对间隙，释放材料的内部应力；

S23、在S22加热处理后的顶部环板23的上表面的进行平整加工，使顶部环板23的整个上表面平整。加工后的平面度不低于0.1mm，优选为0.05-0.1mm。

本实施例采用6-7层2mm厚的环形钢板多层搭建加工，相对于整块环形钢板加工变形小，在进行表面平整加工时，只需要加工2-4mm就可以保证整个上表面的平整度符合要求。

这种多层搭建焊接而成的底座特别适用于对底座平面度要求较高，自身连接螺栓数量较多的大直径薄壁贮箱，可有效降低底座的加工难度，提高支撑平整度，保证薄壁容器工作的可靠性。

制备完成的支撑底座6通过底板22上沿圆周方向预留的第二通孔21，与底部支撑架11固定连接，低温薄壁贮箱底部支撑装置制作装配完成。

将低温薄壁贮箱10放置在底部支撑装置的支撑底座6上，在贮箱底部2与支撑底座6接触面进行螺栓固定。

顶部固定支撑装置包括三根立柱5、环形箍梁4以及L型悬挂结构9；所述底部支撑架11固定设置有与立柱5平行的立柱固定板8，所述立柱固定板8通过延长支架7与立柱5固定连接，其他实施例中立柱可以大于三根，用于支撑顶部支撑装置。

三根立柱5沿圆周方向均匀分布于贮箱10周围；立柱5的顶部固定安装所述环形箍梁4；立柱5的内壁与贮箱顶部1之间通过三个L型悬挂结构9连接。

L型悬挂结构9包括竖直连接板12以及水平连接板17；竖直连接板12使用螺钉通过基础固定孔13与立柱5连接，且竖直连接板12上设有多个腰型孔15；多个腰型孔15在与立柱5垂直方向上间隔设置。

其他实施例中，L型悬挂结构也可以设置多个，也可以通过竖直连接板12与环形箍梁连接。

水平连接板17一端通过贮箱固定孔18与贮箱10连接，另一端与竖直连接板12连接，水平连接板17的中部区域为中空，所述中空部分的中心设有圆形变形环14，圆形变形环通过四根肋条16与水平连接板17的外部区域连接。

Claims (10)

1.一种低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：包括对贮箱底部(2)进行支撑固定的底部固定支撑装置，以及对贮箱顶部(1)进行支撑固定的顶部固定支撑装置；

所述底部固定支撑装置包括底部支撑架(11)和支撑底座(6)；

支撑底座(6)包括底板(22)、筒体(19)、顶部环板(23)以及加强筋板(20)；

筒体(19)垂直安装于底板(22)上；底板(22)上沿圆周方向设有多个用于与所述底部支撑架(11)对接的第二通孔(21)；

顶部环板(23)的内壁与所述筒体(19)的上端焊接，顶部环板(23)的外圆部分与贮箱底部(2)连接；顶部环板(23)包括多层叠放的环形钢板，每层环形钢板之间采用点焊的方式连接；

加强筋板(20)为多条，且沿圆周方向均匀分布在筒体(19)外部，加强筋板(20)的一端与顶部环板(23)焊接，另一端与底板(22)焊接。

2.根据权利要求1所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于，支撑底座(6)的制作步骤如下：

步骤1、支撑底座的装配

1.1、将多个环形钢板层叠，层叠后对每层环形钢板之间的内外圆周进行点焊，形成顶部环板(23)；

1.2、将筒体(19)垂直焊接在所述底板(22)上，步骤1.1所得顶部环板(23)的内壁与所述筒体(19)的上端焊接；

1.3、在筒体(19)外部沿圆周方向均匀设置加强筋板(20)，所述加强筋板(20)一端与顶部环板(23)焊接，另一端与底板(22)焊接；

步骤2、对装配完成的支撑底座二次加工

2.1、在顶部环板(23)上沿圆周方向均匀开设多个第一通孔(24)，将螺栓从顶部环板一面插入所述第一通孔(24)中，在另一面螺栓上安装螺母，先拧紧螺母紧固螺栓，然后对顶部环板(23)进行整体加热，再次拧紧螺母紧固螺栓，然后多次重复整体加热和紧固螺栓的过程，直至加热后螺栓无明显松动，取出螺栓；

2.2、使用气割对支撑底座进行整体加热，再对顶部环板(23)进行重复加热，以消除顶部环板(23)的相对间隙，释放材料的内部应力；

2.3、对步骤2.2处理后的顶部环板(23)的上表面的进行整体加工，使顶部环板(23)的整个上表面平整。

3.根据权利要求2所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：所述顶部环板(23)的外径大于3000mm，顶部环板(23)外径与内径之差为300mm至400mm，顶部环板(23)由多个2mm厚的钢板叠放焊接而成。

4.根据权利要求3所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：步骤1所述每层环形钢板之间点焊时，在同一圆周方向上相邻两个焊点之间的距离为5mm。

5.根据权利要求1所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：

所述顶部固定支撑装置包括至少三根立柱(5)、环形箍梁(4)以及多个L型悬挂结构(9)；

所述至少三根立柱(5)沿圆周方向均匀分布于贮箱周围；立柱(5)的顶部固定安装所述环形箍梁(4)；环形箍梁(4)或立柱(5)的内壁与贮箱顶部(1)之间通过多个L型悬挂结构(9)连接。

6.根据权利要求5所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：所述L型悬挂结构(9)包括竖直连接板(12)以及水平连接板(17)；

所述竖直连接板(12)与立柱平行，用于调节控制贮箱径向位移；

所述水平连接板(17)与立柱垂直，用于调节控制贮箱轴向和径向位移。

7.根据权利要求6所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：所述竖直连接板(12)通过基础固定孔(13)与立柱(5)或环形箍梁(4)连接，且竖直连接板(12)上设有多个腰型孔(15)；多个腰型孔(15)在与立柱(5)垂直方向上间隔设置。

8.根据权利要求6所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：水平连接板(17)一端通过贮箱固定孔(18)与贮箱(10)连接，另一端与竖直连接板(12)连接，水平连接板(17)的中部区域为中空，所述中空部分的中心设有圆形变形环(14)，圆形变形环通过多根肋条(16)与水平连接板(17)的外部区域连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：所述底部支撑架(11)包括由柱状板材固定接成的方形框架及固定连接在所述框架底面的至少三根支撑柱。

10.根据权利要求9所述的低温薄壁贮箱固定支撑装置，其特征在于：所述底部支撑架(11)固定设置有与立柱(5)平行的立柱固定板(8)，所述立柱固定板(8)通过延长支架(7)与立柱(5)固定连接。

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