一种设备装卸工装的制作方法

本实用新型涉及装吊工装技术领域，尤其涉及一种设备装卸工装。

背景技术：

大型氦低温制冷设备是航空、核科学、超导物理等前言高技术应用领域不可替代的基础支撑，为大科学系统的正常运行提供所需的超低温环境。为满足国家重大科技基础设施建设项目(ADS和HIAF等)对液氦到超流氦温区大型低温制冷系统的急需和国家战略氦资源现状和需求，急需研制一套从液氦到超流氦温区大型低温制冷系统，制冷量分别达到2500W@4.5K、500W@2.0K和250W@4.5K。低温旋转机械(低温氦气离心式压缩机、高速透平膨胀机)作为“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统”核心关键部件，是大型低温系统能否实现设计指标的关键设备，其工作效率、以及可靠性对整个低温系统有重大影响。

对于低温旋转机械来说，在系统建造时为冷箱集成安装、可靠性、以及调控等多方面考虑，这类设备需将叶轮工作段放置于冷箱内部，而其驱动或者制动端置于冷箱法兰外部。因此对于低温旋转机械集成安装时，需先将蜗壳连同支撑壳体等静止部件预先紧固在冷箱法兰上，随后采用外部螺栓紧固安装方式将低温旋转机械的工作段固定在冷箱法兰上。传统的低温旋转机械于冷箱法兰上的集成装卸过程通常是以龙门吊配合人工对齐的装配方案，因此，该手工装卸过程中整体轴向尺寸难以把握，装配过程很难保证角度的配合，叶轮与蜗壳同轴度要求难以保证，很容易产生装配误差。

技术实现要素：

鉴于此，有必要提供一种能够提高同轴度，减小装配误差的设备装卸工装。

一种设备装卸工装，包括夹紧紧固结构、轴向调节结构和径向对准结构；

所述夹紧紧固结构包括环形卡盘和紧固件，所述环形卡盘包括至少两块圆弧形的工装支撑块，所述至少两块工装支撑块首尾拼接形成所述环形卡盘，所述紧固件将所述环形卡盘锁紧紧固；

所述轴向调节结构包括支撑腿，所述支撑腿贯穿所述环形卡盘，所述支撑腿和所述环形卡盘螺纹连接；

所述径向对准结构包括定位杆，所述定位杆贯穿所述环形卡盘。

在一个实施例中，所述轴向调节结构还包括链条和链轮，所述支撑腿一端和所述链轮固定连接，所述支撑腿的数量为至少两个，所述链轮的数量为至少两个，所述链轮的数量和所述支撑腿的数量相同，所述链条套设于所述至少两个链轮上。

在一个实施例中，所述轴向调节结构还包括张紧限位筒，所述张紧限位筒设于所述环形卡盘上，所述张紧限位筒用于将所述链条张紧。

在一个实施例中，所述轴向调节结构还包括调整垫座，所述调整垫座上开设有螺纹盲孔，所述支撑腿的一端设有与所述螺纹盲孔相匹配的螺纹，所述调整垫座设于所述支撑腿的一端的螺纹上。

在一个实施例中，所述紧固件为链条式卡箍，所述链条式卡箍套设于所述环形卡盘的外侧。

在一个实施例中，所述夹紧紧固结构还包括上支撑丝杆和下支撑丝杆，所述上支撑丝杆和下支撑丝杆分别安装于所述环形卡盘的两个相对的表面。

上述设备装卸工装，通过将工装支撑块贴附到待安装低温机械的圆周上，并采用紧固件将工装支撑块紧固，可以将待安装低温机械夹紧。由于支撑腿和工装支撑块的螺纹配合关系，旋转支撑腿，工装支撑块会相对冷箱工作面发生轴向位移，从而带动待安装低温机械一同发生轴向位移，实现在冷箱工作面上下落安装与上提拆卸的目的。在将整个设备装卸工装和待安装低温机械起吊并下降的过程中，依靠定位杆穿过低温旋转机械预留安装螺纹孔，并旋入下端法兰实现工装与机械总体的径向定位，提高同轴度，减小装配误差。

附图说明

图1为一实施方式的设备装卸工装装配有低温机械的结构示意图。

图2为图1所示的设备装卸工装的结构示意图。

图3为一实施方式的设备装卸工装装配有低温机械的剖面结构示意图。

图4为一实施方式的设备装卸工装装配有低温机械的俯视图。

图5为另一实施方式的设备装卸工装的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

对于低温旋转机械设计过程中为整体效率需考虑一下三方面：首先考虑到氦工质本身特殊性(小分子、绝热指数高)，需在考虑叶轮低温强度限制的情况下尽量提升工作转速以优化到最优流量系数，优化设计后其叶轮圆周线速度往往≥200m/s。其次设计时材料强度限制，整体冷压缩机整体入口处叶轮尺寸较小，为使机械整机有较广的工况范围，需保证入口处有足够流通面积，因此需将叶片整体厚度控制在1.5mm以内。最后需要将旋转叶轮与固定蜗壳间的间隙尽量减小以降低整体叶顶泄漏量，近而使机械整机达到较高效率。根据不同工况条件，其间隙通常取为0.05mm-0.5mm之间，叶轮侧边与蜗壳侧边间隙0.05-0.5mm，同轴度要求≤0.05mm，轴向高度偏差≤0.05mm。总体而言，低温旋转机械属于精密机械，其叶片厚度较薄，磕碰易变形；工作时转子部分转速较高、配合间隙精度要求较高；整机安装时叶轮工作端需深入大冷箱的内部，不易检测装配精度，整体容错率低；且低温机械除了首次安装外，还需定期保养维护检测，因此必不可少会有定期拆卸再安装的需要。因此其对整体装配过程要求严苛，一旦在装配过程中出现任何偏差，将给整套系统造成巨大的损失。

本实用新型目的是提供能广泛应用于大型氦低温制冷、液化装置中的关键部件低温旋转机械的一套低温机械在冷箱上有效稳定高效装配的设备装卸工装以及配套实施应用方法。使用本实用新型的设备装卸工装并配合提供的设备装配方法能有效保证低温旋转机械叶轮与蜗壳的整体设计尺寸、间隙余量、形位公差的要求。

如图1和图2所示，一实施方式的设备装卸工装，包括夹紧紧固结构、轴向调节结构和径向对准结构。

夹紧紧固结构包括环形卡盘和紧固件，环形卡盘包括至少两块圆弧形的工装支撑块17，至少两块工装支撑块17首尾拼接形成环形卡盘，紧固件将环形卡盘锁紧紧固。

轴向调节结构包括支撑腿3，支撑腿3贯穿环形卡盘，支撑腿3和环形卡盘螺纹连接。

径向对准结构包括定位杆6，定位杆6贯穿环形卡盘。

上述设备装卸工装，通过将工装支撑块17贴附到待安装低温机械的圆周上，并采用紧固件将工装支撑块17紧固，可以将待安装低温机械夹紧。由于支撑腿3和工装支撑块17的螺纹配合关系，旋转支撑腿3，工装支撑块17会相对冷箱工作面15发生轴向位移，从而带动待安装低温机械10一同发生轴向位移，实现在冷箱工作面15上下落安装与上提拆卸的目的。在将整个设备装卸工装和待安装低温机械起吊并下降的过程中，依靠定位杆6穿过低温旋转机械预留安装螺纹孔，并旋入下端法兰实现工装与机械总体的径向定位，提高同轴度，减小装配误差。

在图1所示的实施例中，工装支撑块17的数量为两块。两块工装支撑块17的厚度与外形尺寸经过校核计算与待安装低温机械10适配满足必要强度限制。截面设有对称布置销钉销孔，便于工装安装时两工装支撑块17快速找正定位。工装支撑块17上预留支撑腿螺纹孔。

在一个实施例中，夹紧紧固结构还包括软垫12。工装支撑块17内孔侧设有卡槽止口，工装支撑块17的内表面内部装有软垫12。该设计能有效保护待安装设备10主体外表面，防止其被划伤。该软垫12的设计与整机尺寸相适应，这样能有效防止两工装支撑块17间间隙过大，影响后续定位精度。具体的，工装支撑块17为半环形结构。

紧固件可以为螺栓或链条式卡箍。当紧固件为链条式卡箍13时，链条式卡箍13套设于环形卡盘的外侧。工装支撑块17尺寸较大时采用螺栓夹紧。工装支撑块17尺寸较小时采用链式卡箍13紧固夹紧，固定在待安装设备10的外部。紧固件采用链条式卡箍，充分发挥应用链条式卡箍13快速安装的优势，加快整个工装安装进度。

在一个实施例中，夹紧紧固结构还包括上支撑丝杆7和下支撑丝杆14，上支撑丝杆7和下支撑丝杆14分别安装于环形卡盘的两个相对的表面。

工装支撑块17上预留有整体轴向固定螺纹孔，用以安装上支撑丝杆7和下支撑丝杆14。上支撑丝杆7和下支撑丝杆14用于顶住低温机械上下法兰平面，并配有锁紧螺母锁紧。上支撑丝杆7和下支撑丝杆14的尺寸选择需与待安装设备的尺寸相适配，如图3所示。该结构充分利用工装支撑块17预留螺纹孔中螺纹与支撑丝杆的螺纹相互配合承重，以保证低温设备主体与工装支撑块17间轴向不发生串动，确保工装使用过程中结构稳定。

当待安装低温机械为轻型小型设备时，如小型透平膨胀机。因为其质量较轻，利用链链条式卡箍13夹紧，配合内部软垫12增加摩擦力，即可以实现工装与待安装机械的紧固。因此此时可以去除上下支撑丝杆作为工装定位装置，整体能减少工装简便，方便此类小型低温机械在法兰工作面上的高精度装配。此时整体结构如图5所示。

一个实施例中，轴向调节结构还包括链条11和链轮4，支撑腿3的一端和链轮4固定连接，支撑腿3的数量为至少两个，链轮4的数量为至少两个，链轮4的数量和支撑腿3的数量相同，链条11套设于至少两个链轮4上。在图2所示的实施例中。支撑腿3的数量为3个，链轮4的数量为3个。可以理解，支撑腿3和链轮4的数量都不限于3个。在实际工作中，支撑腿3和链轮4的数量可以根据实际需要进行设置。

在一个实施例中，支撑腿3为内六角螺栓。

进一步的，轴向调节结构还包括盯紧螺丝。链轮4中部开设有一和支撑腿3适配的内孔，链轮4穿过支撑腿3固定在支撑腿3上部，采用盯紧螺丝定位紧固。依靠盯紧后摩擦力保证链轮4与支撑腿3在轴向与径向不发生串动，如图2所示。支撑腿3旋入工装支撑块17上预留的螺纹孔，多根支撑腿3旋入长度尽量保持一致。

上述设备装卸工装通过采用链轮4和链条11传动方式运动，可以带动周向的所有支撑腿3保持同步同向旋转。链轮支撑腿结构能有效同步同频旋转，达到平稳竖直安装目的，能较为有效满足安装装配要求。

一个实施例中，轴向调节结构还包括张紧限位筒5，张紧限位筒5设于环形卡盘上，张紧限位筒5用于将链条11张紧。具体的，在图2所示的实施例中，张紧限位筒5套设于定位杆6上。张紧限位筒5的数量为3个。可以理解，张紧限位筒5的数量不限于3个。在实际工作中，张紧限位筒5的数量可以根据实际需要进行设置。

该张紧限位筒5主要用于在链条11内侧施加额外约束力，使得整体链条11能受力绷紧，防止实际工作时链条11脱落。张紧限位筒5为两层套筒结构，内层为硬度小材料，外侧为硬度大材料。该张紧限位筒5设计了一定偏斜角度，并且在内筒内和外筒外侧表面均涂有润滑剂。通过涂布润滑剂可以减少链条11与张紧限位筒5的接触面积，并通过润滑剂起到减小摩擦阻力，保证链条11传动顺滑，如图4中所示。通过替换具有不同直径的外层结构，张紧限位筒5可以来调节链条11的张紧程度，提高链条11传动精度高。

在一个实施例中，请参考图3，轴向调节结构还包括调整垫座1，调整垫座1上开设有螺纹盲孔，支撑腿3的一端设有与螺纹盲孔相匹配的螺纹，调整垫座1套设于支撑腿3的一端的螺纹上。进一步的，轴向调节结构还包括调整垫锁紧螺母2。将调整垫座1旋进或旋出支撑腿3后，通过调整垫锁紧螺母2将调整垫座1锁紧。

具体的，调整垫座1设于支撑腿3的下部。即调整垫座1设于支撑腿3远离链条11的一端。在安装阶段调整垫座1放置在冷箱工作面15上，避免支撑腿3与冷箱工作面15直接接触，划伤工作面表面。调整垫座1上开设有螺纹盲孔，当支撑腿3落在冷箱工作面15上时，支撑腿3旋入时起到微调作用，同时用水平仪观察校验，确保工装支撑块17及其相结合的低温设备主体10与冷箱大法兰保持的平行，并在调平后用调整垫锁紧螺母2锁紧调整垫座1。

工装依靠定位杆6穿过低温旋转机械预留安装螺纹孔，并旋入下端法兰实现工装与机械总体的径向定位，其径向定位尺寸偏差≤0.05mm。

在一个实施例中，径向对准结构的定位杆6的数量为4根。可以理解，定位杆6的数量不限于4根。在实际需要中，可以根据实际情况进行设置。利用多根定位杆6对正旋转机械安装法兰16预留的安装螺纹孔，随后旋入，固定定位杆6，如图3所示。依靠多根定位杆6间预先设计并形成的多边形几何限制关系，实现工装与低温机械10的径向定位，保证待安装低温机械10的转轴中心与静止蜗壳部件中心径向定位尺寸偏差达到需要要求。

上述设备装卸工装实现低温机械10在冷箱工作面15上的垂直下落安装与上提拆卸过程，主要依靠支撑腿3的外螺纹与两块工装支撑块17上预留的螺纹孔的内螺纹的配合关系来实现。上述设备装卸工装工作时，支撑腿3下端的调整垫座1抵住冷箱工作面15上表面，其能有效保证结构稳定性。当支撑腿3旋转时，由于螺纹配合关系，工装支撑块17会相对冷箱工作面15发生轴向位移。又由于低温机械10与工装支撑块17紧固为一体，当工装支撑块17发生相对位移时，待安装低温机械10随同工装支撑块17一同发生位移，实现在冷箱工作面15上下落安装与上提拆卸的目的。同时采用上述螺纹结构能有效施加一定轴向预紧力，确保待安装低温机械10低温段绝热材料整体能顺利安装入冷箱内部的安装槽中。

为增强上述原理的可实施性，在实际中需采用多根支撑腿保持设备装卸工装结构水平稳定性，因此需使其上链轮链条传动实现多根支撑腿3同步运动。具体为：拆装时朝某一方向旋转支撑腿3的螺栓并带动其上链轮4旋转，进而链轮4的周向旋转转换为链条11水平位移运动，最后由链条11传动作用带动其他链轮4及其上螺栓同步旋转，实现多个支撑腿3同步轴向位移。此结构设计能有效保证实际工作中多根支撑腿3旋转时，其轴向进给长度可能不一致问题，确保整体结构能保证相对水平，不发生任何偏斜。特别的，在工装支撑块17的支撑腿螺栓孔边缘装有确定支撑腿3旋转角度的圆周刻度尺，用以确定安装时轴向运动距离，能最高实现±0.025mm轴向高度调节。具体为：当安装时刻读取工装支撑块17的支撑腿螺栓孔边缘装有确定支撑腿3旋转角度的圆周刻度尺，用以计算确定安装时轴向运动距离。具体计算公式为：

其中L为支撑腿3进给长度，m为支撑腿3旋转圈数，n为旋转未满360°时支撑腿3旋转角度，P为支撑腿3螺距。

上述设备装卸工装，辅助装配精度高，其轴向精度能达到±0.025mm，径向精度≤0.05mm。并且其操作方便，简单易学，通用性强，可以实现冷压缩机或低温透平等多种不同机械的装卸要求。能有效解决了大型氦低温制冷系统关键子部件——冷压缩机、透平膨胀机装配难题，满足低温旋转机械叶轮与蜗壳的整体设计尺寸、间隙余量、形位公差的要求，克服了整体无法有效稳定高效装配的难题，使得大型氦低温制冷系统关键子部件能稳定高效运行。

该设备装卸工装主要应用于大型低温系统中关键部件在冷箱上的集成安装与维护拆卸这两方面使用。其中集成安装主要分为4个流程：工装准备安装，整机起吊定位，整机下落装配，工装拆卸。维护拆卸流程与集成安装流程类似，也分为4个流程：工装准备安装，整机上提拆卸，整机起吊转移，工装拆卸。

下面为一实施方式的采用上述设备装卸工装的设备装配方法，包括以下步骤：

S110、将至少两块工装支撑块安装在设备的表面，并采用紧固件将其紧固。

S110为工装准备安装阶段。具体的，在工装准备安装阶段进行如下操作：1、首先在两块工装支撑块17内壁面卡槽处垫入软垫2，随后对齐安装在低温机械10外表面中部，注意安装距，保持距上下限制体如冷却水管距离≥5mm。在对齐过程中用工装支撑块17截面处对称布置的销孔与销钉定位找正，利用水平仪校验工装支撑块17水平。在工装支撑块17预留的螺纹孔内旋入上支撑丝杆7和下支撑丝杆14及其配套锁母。紧接着采用链条式卡箍13卡住工装支撑块17外圈卡口，旋紧卡箍13上预装螺栓，施加预紧力，确保待装低温机械10与工装紧固为一体，具体如图1所示。2、待卡箍13卡紧后，控制上支撑丝杆7和下支撑丝杆14使其分别顶在低温机械10上下支撑平面。检查整体结构有无串动，待轴向不发生串动时用锁紧螺母锁紧。3、组装三根支撑腿3，待完成后将3根支撑腿3装入工装支撑块17的预留螺纹孔中，调整好支撑腿3相对工装支撑块17的高度，为防止抱死链轮4下表面距工装支撑块17距离要留有1mm-2mm间隙。随后装上支撑腿3上的调整垫锁紧螺母2及调整垫座1。4、安装链条11，预装上定位杆6与张紧限位筒5使链条11涨紧，检验链轮链条传动系统能稳定工作，所有工装装备部件结构示意图，如图2所示。

S120、吊起设备移至法兰工作面，将定位杆穿设于法兰工作面的定位孔内。

S120为整机起吊定位阶段。具体的，采用绳索分别穿过位于低温机械10上端盖的安装吊耳8，随后使用起吊设备9垂直吊起整机，缓慢移动到法兰工作面16安装孔附近悬停。随后3个预装定位杆6对准安装法兰面16上的安装螺纹孔，待所有对准后将定位杆6旋入，保障待安装低温机械10在径向上定位。待工装连同待安装低温机械10总体已实现径向定位，此时缓慢释放起吊设备9吊绳索，让工装支撑脚3缓慢的落在冷箱工作面15上。特别注意待3根支撑脚3轻微接触冷箱工作面15时，注意龙门吊绳索不要完全放松，停止释放龙门吊，此时用水平仪测量工装支撑块17与冷箱大法兰表面是否保持水平。如不能保持水平，注意采用调整垫座1调平。

S130、降低设备的高度至支撑腿接触到冷箱工作面。

S140、按第一方向旋转支撑腿，设备下降至冷箱工作面。

S130和S140为整机下落装配阶段。具体的，在此阶段，缓慢逆时针旋转支撑腿3，通过链轮4链条传动作用，3个支撑腿3同步旋转，工装整体缓慢下降。图3所示为此时刻典型效果截面图。此时通过圆周刻度尺18记录链轮4旋转圈数与角度，时刻计算低温机械10在轴向上安装位移情况，并且时刻保证支撑腿3旋转速度≤20rpm。待支撑腿3旋入长度接近预估安装高度后，减慢支撑腿3旋转速度，保证整机装配尺寸公差。特别注意当整机下落阶段支撑腿3转不动或下端发出磕碰摩擦声时，需停止装配并提升整机，检验问题原因。

上述设备装配方法还包括工装拆卸阶段。具体的，在此阶段低温机械10安装到位后，按照定位杆6、张紧限位筒6、链条11、上支撑丝杆7和下支撑丝杆14、工装支撑块17的顺序拆掉如图2中所示所有工装部件。整体完成待安装低温机械10的集成定位安装任务。

此外，还提供一实施方式的采用上述设备装卸工装的设备拆卸方法，包括以下步骤：

S210、将至少两块工装支撑块安装在设备的表面，并采用紧固件将其紧固。

S220、按第二方向旋转支撑腿，设备离开冷箱工作面。

S220、将定位杆移出法兰工作面的定位孔，吊起设备离开法兰工作面。

上述设备拆卸方法的S210为工装准备安装阶段。该阶段和设备装配方法中的准备安装阶段的步骤相同。上述设备拆卸方法中，需要按第二方向旋转支撑腿3，用以实现工装与低温机械10整体的缓慢上升。待整机升到预设高度后，使用龙门吊缓慢垂直吊起整个机器，缓慢移动到地面位置。最后拆除工装，实现整套机器设备拆卸工作。

上述设备装配方法和上述设备拆卸方法中，支撑腿3的旋转方向相反。即第一方向和第二方向为两个相反方向。

上述设备装配方法操作方便，平稳，装配精度较高，使用效率高，并且可以实现冷压缩机或低温透平等多种不同机械的装卸要求。能有效解决了大型氦低温制冷系统关键子部件低温旋转机械的装配难题，满足低温旋转机械叶轮与蜗壳的整体设计尺寸、间隙余量、形位公差的要求，有效解决低温机械无法高精度、稳定，高效装配的难题。

上述设备拆卸方法操作方便，平稳，使用效率高，并且可以实现冷压缩机或低温透平等多种不同机械的拆卸要求。能有效解决了大型氦低温制冷系统关键子部件低温旋转机械的拆卸难题。

上述设备装卸工装配合配套使用方法能保证实际低温旋转机械集成安装与维护拆卸过程中的转配尺寸精度达到整体设计要求。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。