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，mm

N-垫片接触宽度，mm

b-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45mm

2、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