关于一种氦制冷机的制冷量模拟负载装置的机械结构设计

关于一种氦制冷机的制冷量模拟负载装置的机械结构设计摘要：从装置的机械结构设计到热力设计。

机械设计包括结构设计、强度设计、加工工艺设计、整体装配工艺设计。

最终确定装置的整体设计加工方案。

最终研制出本装置进行现场测试制冷机的工作性能使用。

关键词：低温系统；模拟负载；结构设计；装配工艺设计一、模拟负载装置结构设计1、外筒设计方案真空腔密封性良好，真空度为10-4Pa–10-3Pa；每个焊接口漏率不低于1.e-10Pa•m3/s。

外筒是用304L的不锈钢板卷圆焊接而成的圆桶，其工艺是采用304L不锈钢钢板，卷管机械设备迫使形成壳体的形状，利用焊接工艺沿着外围直线进行焊接（需达到能够承受设计压力和无缝钢管的相关规定以及保持外观美丽）；划线进行确认各种接口的位置和相关技术要求并进行钻孔，扩孔等相关工序的进行；用打磨机进行去毛刺以及有针对性的进行外观的处理，务必使壳达到设计的相关。

根据模拟负载真空腔尺寸要求：直径不小于800mm，高度不小于1000mm，因为，现在设计外筒的内径为850mm，外径为900mm，高为1200mm，并且外筒的表面需要进行抛光，因为外筒是在真空度为10-4Pa–10-3Pa上工作的，因此，外筒体底部的厚度以及侧壁的厚度要能承担外力作用而不变形。

计算外筒体厚度具有两种方法，第一种是查询国家标准GB150-1998，第二种是外压容器计算是先假定一个厚度，然后推算这个假设是否合格的，不合格的话重新假定。

现在我选用第一种方法，假定外筒长为1200mm，名义厚度为25mm，考虑到腐蚀量都问题，现在取有效厚度为23mm，工作环境为26.8摄氏度，设计压力为1.4Mpa （1）由于，根据的值，如图3.1所示，确定A值，从表中可得出A=3因此，现在设计为外筒的内径为850mm，外径为900mm，高为1200mm模拟负载装置上需要安装压力表，流量计，安全阀等等，因此外筒上需要准备好各类接口，并且各类接口需要按照国家标准定制，冷箱腔体真空抽气口经常拆卸，需设计为快速接头；为了外筒的密封性更好，外筒的圆筒盖与筒体之间增加一个密封圈，为了方便打开圆筒盖，圆筒盖上设置3个吊环，方便打开圆筒盖并且吊起此装置，盖上不仅安装压力表，流量计，温度传感器，而且液氦的入口、出口和加热管外壳也设置在此盖上。

外筒的筒体上安装一个排气阀，方便抽出密封腔内的气体。

2、圆筒平盖、垫片以及螺栓的设计模拟负载装置的密封圈采用金属橡胶密封圈，此密封圈采用不锈钢丝制成，不含有任何的橡胶成分，具有非常良好的性能，能在高真空、强辐射、高温、极低温、以及各种腐蚀环境下正常工作，并且密封强度好，效果好，可重复使用，此密封圈适用于各种不同压强的场合，一般使用范围为-80~800℃根据此模拟负载装置的设计任务书，本模拟负载装置的使用环境是在常温温区（300K）以及液氮温区（80K）的环境中、而且经常受高低温循环冲击，因此选择金属橡胶密封圈。

1、垫片的计算因为此垫片选定为O型圈，如图2.1所示，现在是垫片压紧类型，（1）因为，取N=40mm，所以 =20mm又因为 >6.4mm所以 =11.3，因为对于筒体端部结构，等于密封面平均直径，所以去 =48mm其中：-垫片基本密封宽度，mmN-垫片接触宽度，mmb-垫片有效密封宽度，mm-法兰与翻边接触面的平均直径，mm（2）垫片压紧力为：预紧状态下需要的最小垫片压紧力：=3.14×48×11.3×62.1=105754.75N操作状态下需要的最小垫片压紧力：==6.28×48×11.3×3.75×1.4=17882.93N（3）垫片宽度，垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，当压紧过度将失去密封性能，垫片应该有足够的宽度，其值可按经验确定。

所以取垫片宽度为45mm2、螺栓的计算螺栓用30CrMoA为材料，公称直径用20mm，因为法兰用焊制法兰结构，所以选用B组的数组，其中螺栓的布置，如表3.1所示：3、脚轮的选用及设计1、选择车轮材质：首先考虑使用到使用场所、路面的材质、光滑程度、以及使用场地上残留物质的多少（如铁屑、油脂），并且还考虑所处环境的温度和模拟负载装置的重量等各种条件来决定选择适合的车轮材质。

因为脚轮的工作环境在学校实验室，地方光滑平整，又因为通常车轮直径愈大愈容易推动，荷重能力也愈大同时也较能保护地面不受损坏，轮径大小的选择首先应考虑承载的重量和荷重下搬运车的起动推力来决定。

因此选择平板式万向型脚轮，这种脚轮不论在室内室外工作，都能满足要求。

2、计算承载重量：为了方便模拟负载装置的移动，为此，在此装置上安装脚轮，数量为3，模拟负载装置的重量为420kg，为此，现在计算单个脚轮所承受的重量。

T=（E+Z）/M×N=420/3×1.5=210kg其中：E+Z=模拟负载装置的重量T=单轮或脚轮所需承载重量M=所用单轮和脚轮的数量N=安全系数（约1.3—1.5），现在取安全系数为1.5脚轮的数据如表3.2所示：图4.5脚轮的安装4、内胆结构设计4.1、设计要求考虑到加热棒与散热翘片的热传递效率，要求翘片与加热棒套筒过盈配合，翘片外边沿与内胆腔体内壁配合间隙不得超过2mm。

氦气传输管道可承受管内最低温度20K的液氦，不可发生泄漏。

氦气传输管道预留出流量计、温度计等检测仪器的安装位置。

每个焊接口漏率不低于1.e-10Pa•m3/s。

4.2、内胆腔体设计方案内胆是用304L的不锈钢板卷圆焊接而成的圆桶，其工艺是采用304L不锈钢钢板——直接购买利用，卷管机械设备迫使形成壳体的形状，利用焊接工艺沿着外围直线进行焊接（需达到能够承受设计压力和无缝钢管的相关规定以及保持外观美丽）；划线进行确认各种接口的位置和相关技术要求并进行钻孔，扩孔等相关工序的进行；用打磨机进行去毛刺以及有针对性的进行外观的处理，务必使壳达到设计的相关。

根据设计要求，现在设计内胆的尺寸为：直径426×高980mm，同外筒的壁厚设计方法一致，现在，内胆的直接为426mm，高为980mm，工作压强为1.4Mpa，环境温度为26.8度，下面是计算：，即，取整取为3，所以考虑到腐蚀裕量，钢板的负偏差，取有效厚度为5（2），其中 =99Mpa（3）因为，所以有效厚度为5合格-圆筒的计算厚度，mm-圆筒的有效厚度，mm-计算压力，Mpa-设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa-焊接接头系数，取为1因此，现在计算内筒的壁厚为5mm，内筒的顶部用304L厚度为30mm的不锈钢板，底部用304L厚度为20mm的不锈钢板，与筒体整体焊接而成内筒上的模具加热管安装插口和氦气的入口出口的接口需要按照国家标准设置，并且内胆要求密封性能良好；根据设计任务书，内胆的漏率不低于1.e-10Pa•m3/s；内胆侧壁开有氦气的入口出口，而且此接口需要安装氦气传输管道，这两个管道与内胆侧壁焊接而成，为了增加散热量，提高散热性能，内胆内安装散热翅片，此散热翅片与3根加热棒套筒串连在一起，还有，套筒与腔体上板焊接在一起，最终整个内胆成为一体而不可拆卸，为了能方便维修加热管，此加热管为模具加热管。

如图4.2所示图4.2内胆示意图4.3氦气传输管道1、技术要求：（1）阀门、管件、管线等部件的制作、安装，存放过程需做到洁净施工，洁净封存，洁净安装，洁净打压，洁净验收。

（2）所有焊缝需做到无漏，过度光滑，无氧化皮，做抛光处理。

不得有裂纹，未融合，未焊透，咬边等缺陷。

（3）预制件与安装完成后的管道内部需做好清洁处理，坚决杜绝水、油、粉尘、颗粒物、焊渣等杂物的出现。

（4）成品管道完成后需做正压气压验收试验及氦气检漏验收试验。

（5）管道整体布线合理，美观。

在满足工艺要求的基础上，做到管线横平竖直，无交叉、打架现象。

（6）所有压力仪表，温控仪表，阀门做到排布整齐，安装一致。

2、氦气传输管道的选择模拟负载装置带有氦气传输管道，按照国家标准，此管道焊接而成，焊接口漏率不低于1.e-10Pa•m3/s；可承受管内最低温度20K的液氦，不可发生泄漏；根据GB/T17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》的规定是这样的：外径25mm的不锈钢管壁厚有0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.5，2.5，2.8，3.0因为工作压强为1.4Mpa，压强不大，因为壁厚选择为2.5mm。

3、管道焊结完成后的内部清洁（１）焊接完成后，首先将管道内部的焊渣清除干净后再进行内部的清洁工作。

以无氧化皮，无焊渣，无悬挂状的焊瘤为标准。

（２）清除完焊接面后，应用无水酒精对其进行彻底清洗。

4、管道焊结完成后的外表面处理（１）必须对全部的不锈钢管焊缝的外表面进行酸洗处理，将管道外的去除表面氧化层去除以达到金属本色后，再对管道进行抛光处理。

（２）必须先用不锈钢钢丝对酸洗的焊缝表面进行刷刷洗，再用酸洗膏酸清洗，最后才做清洁处理。

5、酸洗后的处理酸洗后的废液应集中收集至统一的废液处理地方上，加入适量的石灰中和后排放。

6、管道焊结完成后必须要对管道的内外表面进行清洁处理以及进行管道强度及严密性试验，管道的耐压试验和气密性试验均应符合《压力容器安全技术监察规程》的规定标。

4.4加热棒套筒加热棒套筒负责将翘片串连在一起，作为连接内外腔体的主要部件，套筒上部与外圆筒盖进行焊接，下部与内胆上板焊接如图4.4所示，故要求其具有一定的刚性，导热性能好，而且套筒具有一定的密封性不可以漏气。

图4.6加热棒密封装置示意图5、加热管破裂原因（1）填粉的过程中，镁粉中混有杂质，经高温这些杂质将被碳化，使用长了就会出现管子炸裂现象；（2）选材很重要，不锈钢有很多种，根据加热管使用的环境选择正确的材料；管子本身也有区别一种是有缝管，一种是无逢管，有缝钢管是用钢带焊接成的如果有一点焊的不到位就会管子炸裂，一般无逢管不会出现这种问题，有可能就是有缝管质导致的；（3）不锈钢电热管用于加热的液体也有区别，有些是腐蚀性液体，有些是水，加热水有时候就是水质原因，因为很多可能多是用地下水，或者自来水，杂质较多，易结水垢，水垢太多太厚，会导致内部温度无法扩散，从而导致加热管爆管。

如何有效的去除水垢，推荐阅读《推荐电热管水垢的解决方法》一文；（4）加热管管壁太薄或者加热管功率设定过高，表面负荷太大，内部温度过高，容易引起加热管内部膨胀，从而导致加热管破裂。

4.6散热翘片设计通常在需要进行热传递的换热装置表面通过增加导热性较强的金属片，增大换热装置的换热表面积，提高换热效率。

具有此功能的金属片称之为翅片。

为了提高模拟负载装置的换热效率，从工艺要求、经济要求等各方面考虑，最终选定用铝挤型散热片，此散热片热传导能力强﹑密度小﹑价格便宜，并且片距为1.5mm，翅片外径为50mm，翅片节距p为2.5mm，翘片要求整体冲孔，并且去除翘片上的毛刺飞边，保持翘片的平整光滑，表面平整度为1mm；翘片的3个安装空位要求位置度不大于0.05mm。