[发明专利]用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及可调节支撑架及设计方法，具体涉及用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法，它主要应用于低线胀系数材料低温实验领域。

背景技术

在进行低温实验时，需要在实验件的一些关键点放置热应变片和热管用于导热和控温。现有的一些热应变片、热管具有一定的柔性，使用时要求其与被控温部位具有良好的接触。通常情况下，一些实验件表面不能进行钻孔以及粘贴，因此需要采用支撑架将热应变片和热管固定在实验件表面。通常用支撑架对热应变片和热管的布置与安装是在常温下进行的。在进行低温实验时，由于温度变化此类支撑架与低线胀系数材料制作的实验件会发生不同的尺寸变化，导致热应变片和热管与被控温部位发生脱离失去导热和控温作用。

现有的一些支撑架采用铝或钢等具有较大线胀系数的材料制作，多为垫块或者螺旋伸缩式杆，通常用于相似材料的结构支撑，无法满足上述低线胀系数材料结构件的支撑。因此，要求支撑结构具有对温度的适应性，可满足不同线胀系数材料实验件的支撑。

发明内容

本发明提供一种用于低线胀系数材料低温实验的可调节支撑架及设计方法，解决低温实验中支撑架由于与被支撑结构线胀系数不匹配导致的在较大温差下发生与被支撑结构脱离而导致的支撑失效问题。

本发明所述的可调节支撑架仍然采用常见的铝、钢等线胀系数较高的材料，通过在原有支撑架的基础上引入新型结构以实现温度适应性，可以满足相同热膨胀系数材料实验件以及上述低线胀系数材料实验件进行低温实验的支撑需求。

该适用于低温实验的可调节支撑架结构按照从上而下的结构顺序包括以下5个零件：中心带沉头通孔的方形铝制垫块1；国标通用螺钉2；圆柱螺旋弹簧3；中心通孔且外侧有螺纹的T形剖面圆柱凸台调节旋钮4；中心带螺纹通孔的圆柱底座5。

上述适用于低温环境的支撑机构在室温下进行装配的。所述方形铝制垫块1中心有一用来放置国标通用螺钉2的沉头通孔，所述国标通用螺钉2穿过方形铝制垫块1后再穿过圆柱螺旋弹簧3内孔并最终放置在圆柱凸台调节旋钮4的内孔中，所述圆柱螺旋弹簧3放置在方形铝制垫块1与圆柱凸台调节旋钮4之间，通过国标通用螺钉2进行径向限位，通过方形铝制垫块1以及圆柱凸台调节旋钮4进行轴向限位，所述圆柱凸台调节旋钮4通过外螺纹与中心带螺纹通孔的圆柱底座5的内螺纹孔相连，通过转动圆柱凸台调节旋钮4可改变其与中心带螺纹通孔的圆柱底座5上表面之间的距离从而实现支撑架的高度调节以满足被支撑件的空间尺寸限制，并压缩圆柱螺旋弹簧实现支撑架初始支撑力的调节以满足被支撑件的力学要求。

当进行低温实验时，由于温度变化，该支撑架主体结构件与实验件均会发生尺寸变化，但由于该支撑架相对于以往支撑方法增加了圆柱螺旋弹簧结构，当圆柱螺旋弹簧轴向限位结构距离发生变化时，对圆柱螺旋弹簧的压缩力也减小，则圆柱螺旋弹簧长度增加，从而保证热应变片以及热管不与被控温部位发生脱离。

本设计提到的可调节支撑架可以用于较小安装面的狭长空间安装。该结构组成部分简单，针对不同使用情况，其设计参数各有不同。

设定可调节支撑架在室温下安装，且被支撑结构的线膨胀系数为α₁，安装高度为H₁，支撑力为F₁，实验装置的工作温度区间为200K～300K，支撑架的线膨胀系数为α₂，要求在整个温区范围内的最小支撑力不小于0.9F₁。则可按照以下方法确定满足要求的可调节支撑架的各个参数，主要有圆柱螺旋弹簧的弹性系数、圆柱螺旋弹簧工作长度以及各支撑架结构件的高度。

可知组成支撑架的方形铝制垫块、国标通用螺钉、圆柱螺旋弹簧、圆柱凸台调节旋钮和中心带螺纹通孔的圆柱底座五个零件的安装总高度为H₂，其中圆柱螺旋弹簧的弹性系数为k，其自由长度为x₀，工作长度为x₁。其中自由长度x₀满足：

x₀＜H₁/2

则根据初始支撑力可求得圆柱螺旋弹簧的弹性系数k，工作长度x₁：

F₁＝k*(x₀-x₁)

可知圆柱螺旋弹簧刚度为：