CN114088554B - 一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，该装置采用了L型杠杆臂原理以及多轴传动结构，通过液压循环载荷，以模拟未来聚变堆超导导体运行环境中所受到的电磁载荷及循环的影响。压力机装置包括液压系统、负载传动系统和信号反馈系统；所述液压系统包括立柱支撑、负载单元和液压缸；所述负载传动系统包括推力柱、第一楔块、滚针带、导杆楔块、L型杠杆、副轴侧板和回压板；所述信号反馈系统包括位移传感器、信号采集表和测试软件。本发明能够为大型超导导体提供机械性能以及载流性能的实验研究，装置结构简单，操作便捷，测试周期短，能满足未来聚变堆磁体的设计需求，具有重大意义。

Description

一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置

技术领域

本发明涉及大型超导导体测试技术领域，具体为一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置。

背景技术

超导磁体不仅是托卡马克聚变装置和稳态强磁场实验装置最关键的核心技术之一，而且在储能科技、核磁共振、新能源发电等领域都有着广泛的应用。在随着未来超导磁体参数的进一步提升，考虑到实际运行中电磁载荷及电磁循环的影响而导致的导体性能衰退问题，所以开展对导体的性能测试和评估迫在眉睫。

由于超导电缆的制造成本十分昂贵，如果将其直接放在高磁场和极低温环境中进行长时间的周期测试，这种方法极大的浪费了成本，对于开展新型导体的初级设计阶段也不适合长期频繁测试，研制一套用机械传动结构来模拟导体真实的电磁循环载荷环境，不仅装置简单，便于操作，且能满足未来CFETR导体的测试需求，是具有重大意义的工作。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明目的是提出一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置。通过装置中的循环载荷系统，对超导导体进行40000次的可变负载的周期测试，根据模拟的结果对超导导体机械性能以及载流性能进行对比分析，得出导体在运行过程中相关性能变化的初步结论。

本发明提供如下的技术方案：

一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，包括液压系统、负载传动系统和信号反馈系统；

所述液压系统包括立柱支撑、负载单元和液压缸；所述立柱支撑上端与顶端法兰固定，所述立柱支撑下端与低温杜瓦法兰固定；所述顶端法兰与负载单元固定，液压缸位于负载单元的下方，是整个装置的施力源头；

所述负载传动系统包括推力柱、第一楔块、滚针带、导杆楔块、L型杠杆、副轴侧板和回压板；所述推力柱与所述液压缸底部的推力柱连接头相连接；所述第一楔块与推力柱的下端螺纹连接，在第一楔块两侧安装了滚针带；所述导杆楔块与所述L型杠杆通过连接轴连接，并且在连接轴的两端各装有一个深沟球轴承；L型杠杆与主支撑通过主轴连接；所述副轴侧板的下端与L型杠杆通过副轴连接，所述副轴侧板的上端与所述回压板通过副轴连接；

所述信号反馈系统包括位移传感器、数字控制器和测试软件；所述位移传感器是通过在样品导体铠甲的下半部分均布多个应变片所设置的，样品上的每个传感器位置处或附近用石英棒进行校准，并且在低温杜瓦法兰的顶部用百分表校准，如果所述测试软件在自动循环的过程中发现所述信号采集表的值与设定的值发生偏差，会控制液压缸作出相应的调整。

进一步地，所述顶端法兰的直径为440mm，车床加工成型，在其直径为230mm的圆周上均布16个M12的通孔，用来固定负载单元，4根立柱支撑位于顶端法兰和低温杜瓦法兰之间，并用螺栓连接，相邻的两根立柱支撑之间距离250mm，用于支撑负载单元和液压缸。

进一步地，所述液压缸是整个装置的施力源头，样品导体位于回压板的上端，压缩样品导体所需的力是由放置在低温杜瓦法兰上的液压缸产生的，根据设计要求，液压缸产生的力至少为2吨。

进一步地，所述负载传动系统除特殊说明所选材料及关键工艺处理外，否则大部分结构件选用材料为304不锈钢。

进一步地，所述推力柱与所述液压缸底部的推力柱连接头相连接，由于推力柱是细长杆，为防止在受力期间弯曲，设计一根固定在主支撑框架上的壁厚9mm的支撑管作为引导，低温杜瓦法兰为支撑管提供一个密封的直通管道。

进一步地，所述第一楔块选用材料为45号钢，并经调质处理，呈6度倾斜角的两个面高频淬火，硬度在HRC38-42之间；所述滚针带选用材料为GCr15，为防止在压力机工作前滚针带滑出位置，需要对滚针带预先加载。

进一步地，连接所述导杆楔块与所述L型杠杆的连接轴的直径为40mm，并且连接轴两端各装有一个深沟球轴承，液压力在经过第一楔块局部放大后垂直作用于导杆楔块。

进一步地，所述L型杠杆是整个负载传动系统的核心部件；所述主轴相当于杠杆的支点，选用45号钢并调质处理，其直径90mm，长度650mm，左右两端各留直径80mm，长度40mm安装圆柱滚子轴承，两端轴承采用轴肩进行轴向定位，并在轴承外端安装厚度5mm的端盖板。

进一步地，所述副轴侧板的上下各装有直径70mm，长度650mm副轴，所述副轴选用45号钢并调质处理，轴的左右两端各留直径60mm，长度80mm安装角接触球轴承，其轴承安装在轴套上，轴套上有一个纵向缝隙，用来调整轴承间隙，副轴侧板两边共安装8个角接触球轴承，保证施力方向垂直向上，限制部件径向偏移量。

进一步地，本发明的装置用于在4.2K液氦的温度下，对超导导体进行40000次可变负载的周期测试，循环周期为5s，施加在导体电缆上的横向最大载荷为825kN。

进一步地，装置的结构尺寸为：液压系统高度为750mm，低温杜瓦高度为2020mm，低温杜瓦直径为1400mm。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1.本发明不局限于某种特定结构尺寸的样品导体，测试孔进达到130mm×80mm，即能满足所有DEMO导体样品测试需求，具有重大意义；

2.本发明能够实现自动的连续循环载荷，可以对超导导体进行周期测试，并且能够实现精准的压力载荷控制；

3.本发明用机械传动结构来模拟超导导体真实的电磁循环载荷环境，装置结构简单，操作便捷，测试周期短，可以频繁测试，测得数据精确度高。

附图说明

图1为本发明装置的三维结构示意图；

图2为本发明装置的二维结构示意图；

图3为顶端顶端法兰结构示意图；

图4为低温杜瓦法兰结构示意图；

图5为第一楔块结构示意图。

图中：1-顶端法兰，2-负载单元，3-立柱支撑，4-液压缸，5-低温杜瓦法兰，6-支撑管，7-连接轴，8-L型杠杆，9-主轴，10-副轴，11-副轴侧板，12-回压板，13-样品导体，14-主支撑，15-拉杆，16-百分表，17-推力柱，18-第一楔块，19-滚针带，20-导杆楔块，21-固定负载单元的通孔，22-固定立柱支撑的通孔，23-密封低温杜瓦的圆周通孔，24-固定立柱支撑螺母座，25-支撑管密封通孔，26-连接推力柱的螺纹孔，27-第一楔块高频淬火端面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，包括液压系统、负载传动系统和信号反馈系统。该装置用于在4.2K液氦的温度下，对超导导体进行40000次可变负载的周期测试，循环周期为5s，施加在导体电缆上的横向最大载荷为825kN；装置的结构尺寸为：液压系统高度750mm，低温杜瓦高度2020mm，低温杜瓦直径1400mm，低温杜瓦位于低温杜瓦法兰5的下端，通过密封低温杜瓦的圆周通孔23相连接，隐藏了低温杜瓦是为了便于观察负载传动系统的结构。

液压系统包括立柱支撑3、负载单元2和液压缸4。立柱支撑3上端与顶端法兰1固定，立柱支撑3下端与低温杜瓦法兰5固定，顶端法兰1与负载单元2固定，液压缸4位于负载单元2的下方，是整个装置的施力源头。液压缸4放置在低温杜瓦法兰5上。样品导体13位于回压板12的上端，压缩样品导体13所需的力是由放置在低温杜瓦法兰5上的液压缸4产生的，根据设计要求，液压缸4产生的力至少为2吨。顶端法兰1的直径为440mm，车床加工成型，在其直径为230mm的圆周上均布16个M12 mm的固定负载单元的通孔21，并用螺栓固定负载单元2。4根立柱支撑3位于顶端法兰1固定立柱支撑的通孔22和低温杜瓦法兰5固定立柱支撑螺母座24之间，并用螺栓连接，相邻的两根立柱支撑3之间距离250mm，用于支撑负载单元2和液压缸4。

负载传动系统除特殊说明所选材料及关键工艺处理外，否则大部分结构件选用材料为304不锈钢。所述负载传动系统包括推力柱17、第一楔块18、滚针带19、导杆楔块20、L型杠杆8、副轴侧板11和回压板12。推力柱17上端与所述液压缸4底部的推力柱连接头相连接，为防止在其受力期间弯曲，设置一根固定在主支撑14框架上的壁厚9mm的支撑管6作为引导，低温杜瓦法兰5为支撑管6提供一个支撑管密封通孔25。第一楔块18的上端与推力柱17的下端通过连接推力柱的螺纹孔26螺纹连接，在第一楔块18两侧安装了滚针带19，以减小接触摩擦；第一楔块18所用材料为45号钢，并经调质处理(例如，所述的调质处理为淬火加高温回火，淬火温度A3+50℃，回火温度600℃，硬度可以达到HB230-250)；第一楔块18具有呈6度倾斜角的第一楔块高频淬火端面27，硬度在HRC38-42之间，所述呈6度倾斜角的第一楔块高频淬火端面27数量为2个。2个所述第一楔块高频淬火端面27为第一楔块的两个呈6度倾斜角的面经过高频淬火所得。

滚针带19选用材料为GCr15，为防止在压力机工作前滚针带19滑出位置，需要对滚针带19预先加载。滚针带19设置在导杆楔块20上。导杆楔块20与L型杠杆8通过直径为40mm的连接轴7连接，并且在连接轴7两端各装有一个深沟球轴承。L型杠杆8是整个负载传动系统的核心部件，液压力的放大系数取决于杠杆的几何参数，L型杠杆8与主支撑14通过主轴9连接，为减轻装置自重，L型杠杆8与主支撑14采用结构件设计法；主轴9相当于杠杆的支点，承受较大的径向载荷，选用材料为45号钢，并经过调质处理(例如，淬火加高温回火，淬火温度A3+50℃，回火温度600℃，硬度可以达到HB230-250)，其直径90mm，长度650mm，左右两端各留直径80mm，长度40mm分别安装2个圆柱滚子轴承，两端轴承采用轴肩进行轴向定位，并在轴承外端安装厚度5mm的端盖板。副轴侧板11的下端与L型杠杆8通过副轴10连接，副轴侧板11的上端与回压板12通过副轴10连接，副轴侧板11的上下各装有直径70mm，长度650mm副轴10，选用材料为45号钢，并经过调质处理(例如，淬火加高温回火，淬火温度A3+50℃，回火温度600℃，硬度可以达到HB230-250)。副轴10的左右两端各留直径60mm，长度80mm安装角接触球轴承，其轴承安装在轴套上，轴套上有一个纵向缝隙，用来调整轴承间隙，副轴侧板11两边共安装8个角接触球轴承，可以较好地保证施力方向垂直向上，限制部件径向偏移量。整个负载传动系统利用拉杆15悬吊起来，上端的拉杆15与低温杜瓦法兰5连接，下端的拉杆15与主支撑14的框架连接。

所述信号反馈系统包括位移传感器、信号采集表和测试软件。位移传感器是通过在样品导体13铠甲的下半部分均布六个应变片所设置的，样品上的每个传感器位置处或附近用石英棒进行校准，并且在低温杜瓦法兰的顶部用百分表16校准，如果测试软件在自动循环的过程中发现信号采集表的值与设定的值发生偏差，会控制液压缸4作出相应的调整。

本发明的装置在使用时，包括如下步骤：

步骤1，对待侧样品导体13进行处理，将测试电缆外部的导体铠甲平均切割成上下两部分，并用锁位螺栓固定，再将位移传感器安装在铠甲的下半部分，用来测量导体压缩过程中的横向变形大小。

步骤2，进行压力机参数和实验循环次数的设定，以及液压力和放大后导体压缩力的标定。

步骤3，将准备好的待测样品放在实验装置上进行实验，往低温杜瓦内注入冷却液，使液面高度始终高于待测样品，等待样品在冷却液中保持温度稳定后再进行力学实验，所述冷却液一般为液氦或液氮。

步骤4，实验过程中，液压泵单元为液压缸4提供可调的油压，推动液压缸底部的推力柱连接头与推力柱17作竖直向下运动，第一楔块18受到力的作用，会在导杆楔块20的滚针带19上滑动，从而带动L型杠杆8顺时针方向转动，经过L型杠杆8放大后的液压力传递到副轴侧板11和回压板12上，实现了向上反顶样品导体13。

步骤5，在完成预先设定的实验次数后，对测试软件记录的实验数据作进一步的分析与处理。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：包括液压系统、负载传动系统和信号反馈系统；

所述液压系统包括立柱支撑、负载单元和液压缸；所述立柱支撑上端与顶端法兰固定，所述立柱支撑下端与低温杜瓦法兰固定，所述顶端法兰与负载单元固定，液压缸位于负载单元的下方，是整个装置的施力源头；

所述负载传动系统包括推力柱、第一楔块、滚针带、导杆楔块、L型杠杆、副轴侧板和回压板；所述推力柱与所述液压缸底部的推力柱连接头相连接；所述第一楔块与推力柱的下端螺纹连接，在第一楔块两侧安装了滚针带；所述导杆楔块与所述L型杠杆通过连接轴连接，并且在连接轴的两端各装有一个深沟球轴承；L型杠杆与主支撑通过主轴连接；所述副轴侧板的下端与L型杠杆通过副轴连接，所述副轴侧板的上端与所述回压板通过副轴连接；

所述信号反馈系统包括位移传感器、信号采集表和测试软件；所述位移传感器是通过在样品导体铠甲的下半部分均布多个应变片所设置的，样品上的每个传感器位置处或附近用石英棒进行校准，并且在低温杜瓦法兰的顶部用百分表校准，如果所述测试软件在自动循环的过程中发现所述信号采集表的值与设定的值发生偏差，会控制液压缸作出相应的调整。

2.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

在所述顶端法兰的圆周上均布多个通孔，用来固定负载单元，多根立柱支撑位于顶端法兰和低温杜瓦法兰之间，用于支撑负载单元和液压缸。

3.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

样品导体位于回压板的上端，压缩样品导体所需的力是由放置在低温杜瓦法兰上的液压缸产生的。

4.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

所述负载传动系统的大部分结构件选用材料为304不锈钢。

5.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

为防止推力柱在受力期间弯曲，设置一根固定在主支撑框架上的支撑管作为引导，低温杜瓦法兰为支撑管提供一个密封的直通管道。

6.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

所述第一楔块选用材料为45号钢，并经调质处理，呈6度倾斜角的两个面高频淬火，硬度在HRC38-42之间；所述滚针带选用材料为GCr15，为防止在压力机工作前滚针带滑出位置，需要对滚针带预先加载。

7.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

连接所述导杆楔块与所述L型杠杆的连接轴的直径为40 mm，液压力在经过第一楔块局部放大后垂直作用于导杆楔块。

8.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

所述L型杠杆是整个负载传动系统的核心部件；所述主轴相当于杠杆的支点，选用45号钢并调质处理，其直径90 mm，长度650 mm，左右两端各留直径80 mm，长度40 mm安装圆柱滚子轴承，两端轴承采用轴肩进行轴向定位，并在轴承外端安装厚度5 mm的端盖板。

9.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

所述副轴侧板的上下各装有直径70 mm，长度650 mm副轴，所述副轴选用45号钢并调质处理，轴的左右两端各留直径60 mm，长度80 mm安装角接触球轴承，其轴承安装在轴套上，轴套上有一个纵向缝隙，用来调整轴承间隙，副轴侧板两边共安装8个角接触球轴承，保证施力方向垂直向上，限制部件径向偏移量。

10.根据权利要求1所述的一种横向循环载荷作用下的超导导体压力机装置，其特征在于：

装置用于在4.2 K液氦的温度下，对超导导体进行40000次可变负载的周期测试，循环周期为5 s，施加在导体电缆上的横向最大载荷为825 kN。