CN115291148B - 一种大型超导磁体低温测试支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型超导磁体低温测试支撑装置，包括磁体支撑架和内支撑架。其中磁体支撑架包括8个独立支撑部件，独立支撑部件含有支撑立柱、框架支撑和悬吊框架，悬吊框架通过调节组件和拉杆组件将大型超导磁体悬吊于悬吊框架中。悬吊框架下端与框架支撑上端连接，框架支撑下端与支撑立柱上端连接，支撑立柱下端固定于地面基础，支撑立柱上设有液氮冷却管路。内支撑架包括衍架支撑立柱、支撑衍架，磁体支撑架的独立支撑部件上端与支撑衍架的悬臂结构连接。本发明的大型超导磁体低温测试支撑装置可以为大型的超导磁体提供稳定的支撑结构并具有良好的力学强度，同时减少超导磁体的漏热。

Description

一种大型超导磁体低温测试支撑装置

技术领域

本发明属于核聚变工程领域，尤其是核聚变工程的超导磁体低温性能测试领域，具体涉及一种大型超导磁体低温测试支撑装置。

背景技术

磁约束可控核聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源，我国正在建设的中国聚变工程试验堆（CFETR）是验证未来商业聚变堆可行性的重大工程。中国聚变工程试验堆是迄今为止世界上规模最大的聚变试验堆，其磁体系统作为核聚变工程试验堆的关键系统之一，在工程总装前需对单个的超导磁体做低温物理性能测试，检测超导磁体的技术参数及性能是否满足工程设计要求。中国聚变工程试验堆的超导磁体系统包含纵场线圈磁体、极向场线圈磁体和中心螺线管线圈磁体。其中磁体系统的纵场线圈磁体的重量约为600吨，长度约为20.5米，宽度约为12米。针对如CFETR等工程的大型超导磁体低温物理性能测试的支撑装置存在工程挑战性，大型超导磁体结构尺度大，整体重量负载高，尤其是大型超导磁体在低温测试环境下由于其庞大的结构体积产生的结构冷缩变形对支撑装置的工程设计带来较大困难。大型超导磁体的低温测试支撑装置不仅需要足够的结构强度来确保超导磁体在各种工况下稳定安全的运行，同时磁体支撑装置也需要克服磁体在低温环境下冷缩变形对支撑装置带来的不利影响，并尽可能降低支撑装置的漏热量。目前针对大型超导磁体，特别是对于非对称结构设计的超导磁体的低温测试支撑装置寥寥无几，如日本的JT-60SA的纵场线圈低温测试支撑装置采用三点悬挂方式对超导磁体进行支撑，但超导磁体重量仅为18吨，最大长度也仅为8.5米。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种大型超导磁体低温测试支撑装置，为大型超导磁体的低温物理性能测试提供一种磁体支撑装置，支撑装置可承载600吨以上的大型超导磁体并且具有可靠的稳定性，能够有效降低超导磁体的低温漏热，同时磁体支撑装置可以克服大型超导磁体低温冷缩变形对支撑装置结构产生的不利影响。

为达到上述的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大型超导磁体低温测试支撑装置，包括大型超导磁体、磁体支撑架和内支撑架；所述磁体支撑架包括8个独立支撑部件，所述独立支撑部件包括悬吊框架、框架支撑和支撑立柱，所述悬吊框架、框架支撑和支撑立柱依次连接；所述内支撑架包括衍架支撑立柱、支撑衍架，所述内支撑架与所述独立支撑部件通过内支撑架的支撑衍架连接成为整体；所述支撑立柱包括支撑立柱上法兰、支撑立柱下法兰、立柱、立柱上筋板和立柱下筋板；所述支撑立柱下法兰固定于地面，所述支撑立柱上法兰连接框架支撑，支撑立柱上、下法兰和立柱之间分别焊接有圆周均布的立柱上、下筋板；所述框架支撑包括侧板、侧板加强筋、中间立柱、上支撑板、框架支撑下法兰和V型支撑；所述上支撑板与框架支撑下法兰通过中间立柱和V型支撑焊接为整体，侧板和侧板加强筋以中间立柱为中心对称焊接于框架支撑下法兰和上支撑板之间；所述悬吊框架包括调节组件、拉杆组件、框架立柱、横顶板、磁体支撑主件，所述悬吊框架的两个框架立柱的上端与横顶板采用螺栓连接，两个框架立柱的下端与框架支撑的上支撑板连接；所述支撑衍架包括衍架法兰、衍架立柱、球铰吊杆组件、衍架悬臂、衍架梁和补强板，所述的衍架立柱的下端与衍架法兰通过焊接方式连接，衍架立柱的上端与衍架悬臂通过焊接方式连接，衍架立柱通过衍架梁连接为整体，在衍架立柱上端与衍架梁连接处设有补强板，所述的球铰吊杆组件安装于衍架悬臂的端部。

进一步地，在所述支撑立柱上端部设有液氮冷却管路。

进一步地，所述磁体支撑主件上设有由玻璃纤维和树脂复合材料制造的隔热件。

进一步地，所述调节组件包括滚柱、限位块、限位螺母、限位杆、下梯形楔块、上梯形楔块；所述上梯形楔块的两侧下斜面分别与下梯形楔块的上斜面配合安装，上梯形楔块中间位置设有通孔；所述下梯形楔块下端面与若干个直径40mm的滚柱相接触，所述滚柱与下梯形楔块、上梯形楔块放置于所述悬吊框架的横顶板的上端面。

进一步地，所述拉杆组件由上拉杆、主拉杆、下拉杆和十字的上铰接器、下铰接器依次连接，所述的上拉杆设有调节螺母，上拉杆穿过调节组件的上梯形楔块的通孔并且上拉杆的调节螺母与上梯楔形块上端面接触；所述的下拉杆下端设有台阶，下拉杆通过台阶与磁体支撑主件连接。

进一步地，所述的球铰吊杆组件包括球座、球头、吊杆、调节锁紧螺母、销轴套、销轴，所述销轴放置于悬吊框架的横顶板及销轴套的通孔中，并将支撑衍架与独立支撑部件相连接。

本发明的有益效果有：

1、本发明的大型超导磁体低温测试支撑装置可承载重量超过600吨以上超导磁体，承载能力强，支撑结构具有良好稳定性。

2、本发明使用的拉杆组件采用两个十字铰接器结构，拉杆组件结构的两端可以在空间一定范围内发生相对位置移动，有效解决了大型超导磁体在低温环境下的结构冷缩变形对支撑结构产生的不利影响。

3、本发明采用的调节组件可以根据拉杆负载重量来自适应调节上、下梯形楔块的工作位置，使得拉杆组件中的每个拉杆所承载重量均匀分布，避免单个拉杆因载荷过大而导致断裂。

本发明的拉杆组件采用柔性结构设计对磁体进行悬吊支撑，利用拉杆组件中两个十字铰接器形成的柔性结构克服磁体冷缩变形产生的机械位移。同时为保证磁体支撑的结构强度和漏热量，本发明采用了SS304L无磁不锈钢和低热传导系数的玻璃纤维和树脂复合材料作为支撑装置的制造材料。因此本发明的超导磁体低温测试支撑装置有效解决大型超导磁体低温测试中所需要的支撑装置，并能够具有良好的结构强度和克服磁体变形产生附加载荷的能力。

附图说明

图1为本发明的大型超导磁体低温测试支撑装置的结构示意图；

图2为内支撑架的结构示意图；

图3为磁体支撑架和磁体结构示意图；

图4为单个的独立支撑部件结构示意图；

图5为支撑立柱结构示意图；

图6为框架支撑结构示意图；

图7为悬吊框架结构示意图；

图8为拉杆组件和调节组件结构示意图；

图9为调节组件结构剖视图；

图10球铰吊杆组件结构剖视图；

图11支撑衍架结构示意图。

图中：1-大型超导磁体、2-内支撑架、3-磁体支撑架、4-衍架支撑立柱、5-支撑衍架、6-独立支撑部件、7-支撑立柱、8-框架支撑、9-悬吊框架、10-支撑立柱下法兰、11-立柱下筋板、12-立柱、13-液氮冷却管路、14-立柱上筋板、15-支撑立柱上法兰、16-框架支撑下法兰、17-中间立柱、18-V型支撑、19-侧板、20-侧板加强筋、21-上支撑板、22-框架立柱、23-磁体支撑主件、24-隔热件、25-拉杆组件、26-横顶板、27-调节组件、28-下拉杆、29-下铰接器、30-主拉杆、31-上铰接器、32-上拉杆、33-调节螺母、34-滚柱、35-限位块、36-限位螺母、37-限位杆、38-下梯形楔块、39-上梯形楔块、40-销轴套、41-吊杆、42-球座、43-球头、44-调节锁紧螺母、45-销轴、46-衍架法兰、47-衍架立柱、48-球铰吊杆组件、49-衍架悬臂、50-衍架梁、51-补强板。

具体实施方式

为使本发明的支撑装置结构清晰、技术实施方案及优点更清楚，结合以下附图对本发明做详细的说明。

如图1-11所示，本发明的一种大型超导磁体低温测试支撑装置包含内支撑架2和磁体支撑架3。如图1所示，所述大型超导磁体1放置在所述磁体支撑架3上，所述内支撑架2与磁体支撑架3连接。

如图1所示，本发明的一种大型超导磁体低温支撑装置包含大型超导磁体1、内支撑架2和磁体支撑架3。所述的大型超导磁体1放置于所述磁体支撑架3上，所述内支撑架2与磁体支撑架3连接，提高磁体支撑架3的承载稳定性。

如图2，图5，图10，图11所示，所述内支撑架2包括衍架支撑立柱4和支撑衍架5，所述的衍架支撑立柱4包括支撑立柱下法兰10、立柱下筋板11、立柱12、液氮冷却管路13、立柱上筋板14、支撑立柱上法兰15，衍架支撑立柱4的支撑立柱下法兰10固定于地面，支撑立柱上法兰15与支撑衍架5的衍架法兰46连接。所述的支撑衍架5包括衍架法兰46、衍架立柱47、球铰吊杆组件48、衍架悬臂49、衍架梁50、补强板51。所述的衍架立柱47的下端与衍架法兰46通过焊接方式连接，衍架立柱47的上端与衍架悬臂49通过焊接方式连接，衍架立柱47通过衍架梁50连接为整体，在衍架立柱47上端与衍架梁50连接处设有补强板51，增加整体结构的结构强度和稳定性。所述的球铰吊杆组件48安装于衍架悬臂49的端部。所述的球铰吊杆组件48包括销轴套40、吊杆41、球座42、球头43、调节锁紧螺母44、销轴45，球座42焊接固定于衍架悬臂49的端部，球头43的圆弧面与球座42的圆弧面配合安装，球头43可以沿球座42的内圆弧面滑动，二者的相对滑动可以自适应超导磁体低温测试支撑装置在低温测试时的结构冷缩变形，从而不产生结构性附加载荷。所述的吊杆41上端设有调节锁紧螺母44，吊杆41穿过球座42和球头43的通孔并与调节锁紧螺母44连接，调节锁紧螺母44放置于球头43的上端面，所述的销轴45放置于横顶板26与销轴套40的通孔中，销轴套40与吊杆41下端固连。

如图3，图4，图5，图6所示，所述磁体支撑架3设有8个独立支撑部件6，独立支撑部件6包括支撑立柱7、框架支撑8、悬吊框架9。所述的支撑立柱7与衍架支撑立柱4结构相同，支撑立柱7的支撑立柱上法兰15与框架支撑8的框架支撑下法兰16连接。所述的框架支撑8为焊接结构件，框架支撑8的框架支撑下法兰16和上支撑板21通过中间立柱17、V型支撑18、侧板19、侧板加强筋20焊接而成。

如图7，图8，图9所示，所述的悬吊框架9包括框架立柱22、磁体支撑主件23、隔热件24、拉杆组件25、横顶板26、调节组件27，悬吊框架9的两个框架立柱22的上端与横顶板26采用螺栓连接，两个框架立柱22的下端与框架支撑8的上支撑板连接。所述的调节组件27包括滚柱34、限位块35、限位螺母36、限位杆37、下梯形楔块38、上梯形楔块39，其中下梯形楔块38、上梯形楔块39按照楔形面配合安装，两个限位块35通过限位杆37和限位螺母36连接为整体，下梯形楔块38通过滚柱34放置于横顶板26上端面。下梯形楔块38的两个侧边和限位块35均设有半圆缺口，横顶板26和上梯形楔块39设有通孔。所述的拉杆组件25的下拉杆28、下铰接器29、主拉杆30、上铰接器31、上拉杆32、调节螺母33依次自下而上连接，上拉杆32穿过下梯形楔块38、限位块35的半圆缺口、然后上拉杆32通过横顶板26和上梯形楔块39的通孔与调节螺母33连接，调节螺母33与上梯形楔块39相接触并传递上拉杆32承载的超导磁体重量。下拉杆28下端设有凸台结构，下拉杆28穿过磁体支撑主件23的通孔，利用凸台结构与磁体支撑主件23连接。所述的磁体支撑主件23与隔热件24通过螺钉紧固连接成整体，所述的隔热件24为纤维树脂复合材料制造的零部件，可以有效降低超导磁体在低温测试过程中漏热量。上梯形楔块39的两侧下斜面分别与下梯形楔块38的上斜面配合安装，其中上梯形楔块39中间位置设有通孔，以便上拉杆32穿过该通孔与调节螺母33装配。下梯形楔块38下端面与若干个直径40mm的滚柱34相接触，滚柱与下梯形楔块38、上梯形楔块39放置于悬吊框架9的横顶板26的上端面。

大型超导磁体1利用专用的吊装工具放置于支撑装置中的过程中需要将悬吊框架9的横顶板26与框架立柱22拆卸，在该过程中拉杆组件25和调节组件27均未安装，且磁体支撑主件23和隔热件24的整体落于框架支撑8的上支撑板21上端面。当超导磁体放1置于磁体支撑主件23和隔热件24整体部件上时，将横顶板26与框架立柱22用螺栓拧紧固定，并将调节组件27和拉杆组件25依次装配，借助于外部的设备通过扭动调节螺母33将大型超导磁体1、磁体支撑主件23和隔热件24悬空放置于悬吊框架9内部。拉杆组件25的上铰接器31和下铰接器29可以让拉杆组件25自由移动并克服大型超导磁体1低温测试时的结构冷缩变形对支撑装置的不利影响。悬吊框架9的调节组件27可以根据多个拉杆组件25承载重量的差异自适应调节每个拉杆组件25的重量负载并将重量负载均匀分布于每个拉杆组件25上，实施方法是当悬吊框架9中多个拉杆组件25的其中一个拉杆组件25受载过大时，则该处拉杆组件25的调节螺母33传递到上梯形楔块39作用力也会增加，同时在机械结构中上梯形楔块39通过楔形面施加到下梯形楔块38的楔形面上的载荷同样增加，由于下梯形楔块38的下端面与滚柱34属于滚动接触，当下梯形楔块38载荷增加时便会在水平方向上产生推力，在水平推力的作用下下梯形楔块38产生滚动位移，滚动位移使得两个下梯形楔块38的相对间隙增加，从而上梯形楔块39向下运动并逐渐释放重量负载较大的拉杆组件25的重量负载。由于受到推力的作用，在下梯形楔块38向上梯形楔块39两侧移动的过程中将同时推动相邻的上梯形楔块39向上移动，相邻处的拉杆组件25承载逐渐增加，并将承载较大的拉杆组件25的载荷通过下梯形楔块38、上梯形楔块39的相对移动自调节功能均布到悬吊框架9的每一个拉杆组件25。

上述对一种大型超导磁体低温测试支撑装置的实施方式进行了描述，对于本领域的科学技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和精神情况下对于大型超导磁体的支撑方式进行多种变化、修改、替换和变型，但这些基于本发明的改动都应属于本发明所附的权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种大型超导磁体低温测试支撑装置，其特征在于：包括大型超导磁体、磁体支撑架和内支撑架；所述磁体支撑架包括8个独立支撑部件，所述独立支撑部件包括悬吊框架、框架支撑和支撑立柱，所述悬吊框架、框架支撑和支撑立柱依次连接；所述内支撑架包括衍架支撑立柱、支撑衍架，所述内支撑架与所述独立支撑部件通过内支撑架的支撑衍架连接成为整体；所述支撑立柱包括支撑立柱上法兰、支撑立柱下法兰、立柱、立柱上筋板和立柱下筋板；所述支撑立柱下法兰固定于地面，所述支撑立柱上法兰连接框架支撑，支撑立柱上、下法兰和立柱之间分别焊接有圆周均布的立柱上、下筋板；所述框架支撑包括侧板、侧板加强筋、中间立柱、上支撑板、框架支撑下法兰和V型支撑；所述上支撑板与框架支撑下法兰通过中间立柱和V型支撑焊接为整体，侧板和侧板加强筋以中间立柱为中心对称焊接于框架支撑下法兰和上支撑板之间；所述悬吊框架包括调节组件、拉杆组件、框架立柱、横顶板、磁体支撑主件，所述悬吊框架的两个框架立柱的上端与横顶板采用螺栓连接，两个框架立柱的下端与框架支撑的上支撑板连接；所述支撑衍架包括衍架法兰、衍架立柱、球铰吊杆组件、衍架悬臂、衍架梁和补强板，所述的衍架立柱的下端与衍架法兰通过焊接方式连接，衍架立柱的上端与衍架悬臂通过焊接方式连接，衍架立柱通过衍架梁连接为整体，在衍架立柱上端与衍架梁连接处设有补强板，所述的球铰吊杆组件安装于衍架悬臂的端部；

所述调节组件包括滚柱、限位块、限位螺母、限位杆、下梯形楔块、上梯形楔块；所述上梯形楔块的两侧下斜面分别与下梯形楔块的上斜面配合安装，上梯形楔块中间位置设有通孔；所述下梯形楔块下端面与若干个直径40mm的滚柱相接触，所述滚柱与下梯形楔块、上梯形楔块放置于所述悬吊框架的横顶板的上端面；

所述拉杆组件由上拉杆、主拉杆、下拉杆和十字的上铰接器、下铰接器相互连接，所述的上拉杆设有调节螺母，上拉杆穿过调节组件的上梯形楔块的通孔并且上拉杆的调节螺母与上梯楔形块上端面接触；所述的下拉杆下端设有台阶，下拉杆通过台阶与磁体支撑主件连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型超导磁体低温测试支撑装置，其特征在于：

在所述支撑立柱上端部设有液氮冷却管路。

3.根据权利要求1所述的一种大型超导磁体低温测试支撑装置，其特征在于：所述磁体支撑主件上设有由玻璃纤维和树脂复合材料制造的隔热件。

4.根据权利要求1所述的一种大型超导磁体低温测试支撑装置，其特征在于：所述的球铰吊杆组件包括球座、球头、吊杆、调节锁紧螺母、销轴套、销轴，所述销轴放置于悬吊框架的横顶板及销轴套的通孔中，并将支撑衍架与独立支撑部件连接成整体。

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