大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元的制作方法

1.本发明涉及一种罐车罐体垂向支撑结构，具体涉及一种大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和该支撑结构所使用的球铰单元。


背景技术：

2.大容积低温罐车主要包括大容积低温液体铁路罐车和大容积低温液体公路槽车。
3.现有低温液体铁路罐车，如85m3液氢铁路运输加注运输车，其内、外罐体的支撑结构为交叉杆式支撑结构，这种支撑结构的安装需要在内罐体上加工交叉支撑杆的安装孔，且需要加工的安装孔的数量较多，对内罐体结构整体性的破坏较大，同时给内、外罐体的套罐组装及焊接带来了较大的困难，而且由于内罐体的安装孔和交叉支撑杆组成连接的焊缝较多，且焊缝位置非一般常规位置，因此增加了探伤检测的难度和工作量，相应地增加了生产成本，降低了生产效率；内罐体与该支撑结构焊接连接位置处属于不连续结构且缺少温度补偿结构，存在峰值应力，交叉杆式支撑结构沿着交叉杆的轴向约束住了内罐体在装、卸液过程中沿其半径方向产生的热胀冷缩变形，在反复装、卸液(内罐体热胀冷缩)过程中该处易产生疲劳裂纹，存在致使罐体失效的风险。
4.而现有低温液体公路槽车，如300m3液氢运输槽车，其内、外罐体之间采用支撑腿式支撑结构，这种槽车存在的缺点是：一旦槽车在运输过程中出现倾覆，这种支撑腿式支撑结构容易失效，从而槽车的内、外罐体之间发生接触式碰撞，进而导致内容器、内容器缠绕层及内、外罐体之间的夹层管路系统被破坏。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有低温罐车内、外罐体连接装置存在支撑结构与内、外罐体连接位置处易出现疲劳裂纹，或者支撑结构易失效致使内、外罐体之间发生接触式碰撞的技术问题，提供一种大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和该支撑结构所使用的球铰单元。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
7.本发明提供一种大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构用球铰单元，其特殊之处在于：
8.包括支撑基座、铰球体、接头体、防脱销、基座端盖和固定螺栓；
9.所述支撑基座的内部为球形空间a，所述基座端盖的内侧面为球面b，二者配合形成封闭的球形内腔，所述铰球体设置于球形内腔内，形成球面运动副c，铰球体与球形内腔之间设有间隙；
10.所述支撑基座侧壁上开设有与球形内腔连通的第一通孔d，所述第一通孔d采用倒角结构，该倒角结构是指第一通孔d的外侧孔口直径大于内侧孔口直径；所述铰球体上开设有相互垂直且经过球心的盲孔e和第二通孔f；所述接头体的一端沿径向设有第三通孔g；所述接头体设有第三通孔g的一端穿过第一通孔d插入所述盲孔e内；
11.所述防脱销的外径小于第二通孔f和第三通孔g，防脱销从基座端盖一侧插入第二通孔f和第三通孔g内，将接头体与铰球体固定在一起；所述支撑基座与基座端盖通过所述固定螺栓紧固。
12.进一步地，定义所述第一通孔d的侧壁与其轴线的夹角为θ，夹角θ大小由装卸液过程中待支撑的内罐体在轴向及径向所产生的收缩变形量决定，θ由以下公式确定：
[0013][0014]
其中，
[0015]
l表示内罐体长度；
[0016]
m表示内罐体材料的收缩率；
[0017]
a表示支撑基座的高度，即支撑基座上、下两外侧壁之间的距离。
[0018]
进一步地，所述固定螺栓有四个且螺纹旋向相同，分别设于基座端盖外侧面的四个角上；
[0019]
两个螺栓防松件的两端分别连接两个相邻的固定螺栓，螺栓防松件与基座端盖的接触面处采用点焊固连。
[0020]
进一步地，所述铰球体表面加工有球缺，球缺位置与所述盲孔e底部相对。
[0021]
进一步地，所述铰球体与球形内腔之间的间隙为1
‑
2mm；所述防脱销的外径比第二通孔f和第三通孔g小1
‑
2mm。
[0022]
进一步地，所述支撑基座与所述基座端盖采用止口结构装配；
[0023]
所述防脱销两端采用倒角结构。
[0024]
本发明还提供一种大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构，其特殊之处在于：
[0025]
包括上球铰单元、下球铰单元、支撑杆、护管和底部封板；
[0026]
所述上球铰单元和下球铰单元结构相同，均采用上述的球铰单元；
[0027]
所述支撑杆设置在待支撑的外罐体上的通孔，且支撑杆与外罐体之间留有间隙，其两端分别与所述上球铰单元和下球铰单元接头体的另一端固连；所述上球铰单元的支撑基座通过支撑耳座与内罐体外表面固连；所述底部封板固定设置于罐车底架上平面，下球铰单元的支撑基座固连于底部封板上；
[0028]
所述护管包括上护管和下护管，上护管的上端与外罐体表面固连，上护管的下端与下护管的上端固连，下护管的下端与底部封板的下球铰单元周围区域固连，外罐体表面、上护管、下护管、底部封板构成密封腔体。
[0029]
进一步地，所述上球铰单元的支撑基座通过支撑耳座与内罐体外表面的最外侧母线处固连，使得整个垂向支撑部件的长度大于内罐体的半径，也可以略低于内罐体外表面的最外侧母线处，使得整个垂向支撑部件的长度等于内罐体的半径。所述支撑杆为空心管，其两端分别与所述上球铰单元和下球铰单元接头体另一端端面上设置的圆形凸台h配合。
[0030]
进一步地，所述支撑耳座、支撑基座、铰球体、防脱销、接头体、支撑杆、螺栓防松件、基座端盖和固定螺栓的材质，均与罐车的内罐体材质相同，为奥氏体不锈钢材质。
[0031]
本发明还提供一种大容积低温罐车，包括罐车车体、外罐体和内罐体，其特殊之处在于：
[0032]
还包括上述的大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构。
[0033]
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
[0034]
1、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，通过在罐车的内、外罐体之间采用两端球铰的垂向支撑结构，有效避免了装、卸液过程中内罐体沿径向和轴向的热胀冷缩变形造成垂向支撑结构与内、外罐体连接的焊缝产生疲劳失效的风险，当低温罐车如低温液体铁路罐车或低温液体槽车出现倾覆工况时，上球铰单元中支撑基座和基座端盖形成封闭的箱型结构可以防止因为支撑基座的刚度不足而导致的铰球体脱离支撑基座的情况出现，从而保证该垂向支撑结构的完整性，有效防止内、外罐体出现碰撞接触的情况出现，避免罐车的内罐体及内罐体缠绕层、内、外罐体间夹层管路系统被破坏的问题发生。
[0035]
2、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，采用支撑杆穿过待支撑的外罐体，其两端分别与上、下球铰单元接头体固连，下球铰单元的支撑基座固连于罐车底架上平面的底部封板上。通过上、下护管在外罐体外表面和底部封板构成密封腔体的结构形式和布置方式，满足大容积的低温液体铁路罐车的支撑需求，可以根据低温液体罐车容积的需求，设计不同规格的垂向支撑结构，克服了原有的85m3液氢铁路运输加注运输车的支撑结构不支持液氢铁路罐车的容积进一步做大的问题。
[0036]
3、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，防脱销与接头体和铰球体间隙配合，将接头体与铰球体固定在一起，避免振动造成的钢对钢碰撞接触，从而避免了防脱销在列车运行工况下所产生的疲劳裂纹及疲劳断裂现象的出现，由于间隙配合的存在，接头体可沿其轴向窜动。
[0037]
4、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，由于球面运动副c的存在，支撑基座和铰球体不可分离，并且在上球铰单元与支撑杆进行装配时，支撑杆可以围绕自身轴线转动，从而为支撑杆与上部球铰单元的焊接提供了便利。
[0038]
5、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，第一通孔d加工有倒角结构，在低温液体罐车装、卸液过程中，当内罐体产生收缩变形时，提供给垂向支撑结构在内罐体轴向及径向方向上的收缩变形，能有效防止因内罐体热胀冷缩变形所产生的垂向支撑结构与内、外罐体连接处的焊缝疲劳开裂破坏现象的出现。
[0039]
6、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，铰球体表面加工有球缺，球缺位置与所述盲孔底部相对，避免在长期使用工况下，铰球体出现的磨损现象及支撑基座顶部出现磨损减薄现象而导致支撑基座的顶部出现刚度不足的情况。
[0040]
7、防脱销两端采用倒角结构，避免防脱销两端与支撑基座和基座端盖的大面接触，通过减小接触面积减小摩擦造成的磨损，进而保证球面运动副c处于良好的工况。
[0041]
8、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，护管包括上护管和下护管两段，以便实现装配。装配时，上护管的上端与外罐体外表面固连，上护管的下端与下护管的上端固连，最后下护管的下端与底部封板的下球铰单元周围区域固连。
[0042]
9、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，所述上球铰单元的支撑基座通过支撑耳座与内罐体外表面的最外侧母线处固连，使得整个垂向支撑部件的长度大于内罐体的外半径，因该垂向支撑结构为低温液体铁路罐车主要的漏热途径，垂向支撑结构长度越长，其漏热量越小，从而大大提高了低温液体铁路罐车的保温性
能。
[0043]
10、支撑杆的两端，分别与上球铰单元和下球铰单元接头体另一端端面上设置的圆形凸台h配合后焊接，使得支撑杆和接头体连接处的连续焊缝受力良好，并且在运行工况的受力情况下，圆形凸台h分担了一部分受力，可以增强支撑杆和接头体连接处的连续焊缝抵抗剪切破坏的能力。
[0044]
11、本发明提供的大容积低温罐车及其内、外罐体垂向支撑结构和球铰单元，支撑耳座、支撑基座、铰球体、防脱销、接头体、支撑杆、螺栓防松件、基座端盖和固定螺栓的材质，均与罐车的内罐体材质相同，为奥氏体不锈钢材质，受温度影响的收缩率相同，能有效防止在低温环境下，如
‑
253℃及其以下的环境温度，垂向支撑结构的零部件出现低温破坏的情况。
附图说明
[0045]
图1为本发明大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构与内、外罐体连接的剖面图；
[0046]
图2为本发明大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构中上球铰单元的剖面图；
[0047]
图3为本发明大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构中下球铰单元的剖面图；
[0048]
图4为本发明大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构中支撑基座与基座端盖装配后的透视图；
[0049]
图5为本发明大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构中防脱销的结构示意图；
[0050]
图6为本发明大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构的结构示意图；
[0051]
附图标记说明：
[0052]1‑
上球铰单元、2
‑
下球铰单元、3
‑
支撑杆、4
‑
护管、5
‑
底部封板、6
‑
支撑基座、7
‑
铰球体、8
‑
接头体、9
‑
防脱销、10
‑
基座端盖、11
‑
固定螺栓、12
‑
外罐体、13
‑
内罐体、14
‑
上护管、15
‑
下护管、16
‑
螺栓防松件、17
‑
球缺、19
‑
止口结构、20
‑
支撑耳座。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
[0054]
一种大容积低温罐车内、外罐体垂向支撑结构，用于垂向支撑内罐体13和外罐体12，如图1至6所示，包括上球铰单元1、下球铰单元2、支撑杆3、护管4和底部封板5；所述上球铰单元1和下球铰单元2结构相同，均包括支撑基座6、铰球体7、接头体8、防脱销9、基座端盖10和固定螺栓11；所述支撑基座6的内部为球形空间a，所述基座端盖10的内侧面为球面b，二者配合形成封闭的球形内腔，从而增大了支撑基座6的刚度，所述铰球体7设置于球形内腔内，形成球面运动副c，所述铰球体7与球形内腔之间留有1
‑
2mm的间隙。当低温液体罐车发生极端倾翻工况时，上球铰单元1中支撑基座6和基座端盖10形成封闭的箱型结构可以有效防止因为支撑基座6的刚度不足而导致的铰球体7脱离支撑基座6的情况出现，从而保证该垂向支撑结构的完整性，保护了低温液体铁路罐车的内、外罐体免遭接触碰撞的破坏。
[0055]
所述支撑基座6侧壁上开设有与球形内腔连通的第一通孔d；所述铰球体7上开设有相互垂直且经过球心的盲孔e和第二通孔f；所述接头体8的一端沿径向设有第三通孔g；所述接头体8设有第三通孔g的一端穿过第一通孔d插入所述盲孔e内；所述防脱销9两端采
用倒角结构；所述防脱销9的外径比第二通孔f和第三通孔g的内径小1
‑
2mm，防脱销9从基座端盖10一侧插入第二通孔f和第三通孔g内，与铰球体7间隙配合，将接头体8与铰球体7连接在一起，避免振动造成的钢对钢碰撞接触，从而避免了防脱销9在列车运行工况下所产生的疲劳裂纹及疲劳断裂现象的出现，由于间隙配合的存在，接头体8可沿其轴向窜动。所述支撑基座6与基座端盖10通过所述固定螺栓11紧固，防脱销9被基座端盖10封堵在上球铰单元1的球形内腔内，从而形成了对防脱销9在其轴线方向上的固定。
[0056]
所述支撑杆3穿过设置在待支撑的外罐体12上的通孔，且支撑杆3与外罐体12之间留有间隙，支撑杆3的两端分别与所述上球铰单元1和下球铰单元2接头体8另一端端面上设置的圆形凸台h配合后通过焊接固连；所述上球铰单元1的支撑基座6通过支撑耳座20与内罐体外表面固连；所述底部封板5固定设置于罐车底架上平面，下球铰单元2的支撑基座6固连于底部封板5上，外罐体表面、上护管14、下护管15、底部封板5构成密封腔体。
[0057]
所述护管4包括上护管14和下护管15，上护管14的上端与外罐体表面固连，上护管14的下端与下护管15的上端固连，下护管15的下端与底部封板5的下球铰单元2周围区域固连，用于保护和封闭下球铰单元2和支撑杆3，这种结构的特点是，当低温液体铁路罐车出现倾覆事故时，这种垂向支撑结构在其它辅助支撑的配合作用下，能有效防止内罐体13及内罐体缠绕层与外罐体12发生碰撞接触的情况发生，从而保护内罐体13、内罐体缠绕层及夹层管路系统不被破坏。
[0058]
由于球面运动副c的存在，支撑基座6和铰球体7不可分离，并且在上球铰单元1与支撑杆3进行装配时，支撑杆3可以围绕自身轴线转动，从而为支撑杆3与上部球铰单元的焊接提供了便利。垂向支撑结构采用两端球铰且不可分离的杆式支撑结构，能有效的避免因为内罐体13热胀冷缩变形带来的内罐体13、外罐体12与所连接的垂向支撑部件的焊缝出现疲劳失效的问题。
[0059]
所述第一通孔d加工有倒角结构，该倒角结构是指第一通孔d的外侧孔口直径大于内侧孔口直径；其倒角尺寸规格根据低温液体罐车在装、卸液过程中，内罐体13轴向及径向所产生的收缩变形量来确定。
[0060]
定义所述第一通孔d的侧壁与其轴线的夹角为θ，θ由以下公式确定：
[0061][0062]
其中，
[0063]
l表示内罐体13长度；
[0064]
m表示内罐体13材料的收缩率；
[0065]
a表示支撑基座6的高度，即支撑基座6上、下两外侧壁之间的距离。
[0066]
该倒角的功能为：在低温液体罐车装、卸液过程中，当内罐体13产生收缩变形时，提供给垂向支撑结构在内罐体13轴向及径向方向上的收缩变形，能有效防止因内罐体13热胀冷缩变形所产生的垂向支撑结构与内罐体13、外罐体12连接处的焊缝疲劳开裂破坏现象的出现。该收缩变形通过支撑杆3绕上球铰单元1的固定支点和支撑杆3绕下球铰单元2的固定支点转动来实现。
[0067]
所述固定螺栓11有四个且螺纹旋向相同，分别设于基座端盖10外侧面的四个角上；两个螺栓防松件16的两端分别连接两个相邻的固定螺栓11，螺栓防松件16与基座端盖
10的接触面处采用点焊固连，采用这种机械放松的连接方式，螺栓防松件16同时约束住了两个相同的螺纹旋转方向的固定螺栓11，从而实现了机械放松。
[0068]
所述铰球体7表面加工有球缺17，球缺17位置与所述盲孔e底部相对，对于装配后的上球铰单元1，铰球体7的球缺17位置位于铰球体7顶部，设置球缺17的目的主要是避免在长期使用工况下，铰球体7出现的磨损现象及支撑基座6顶部出现磨损减薄现象导致支撑基座6的顶部出现刚度不足的情况出现。对于装配后的下球铰单元2，铰球体7的球缺17位置位于下球铰单元2的底部。
[0069]
所述上球铰单元1的支撑基座6通过支撑耳座20与内罐体外表面的最外侧母线处固连，即装配在内罐体13最外侧的母线处或略低于母线处，使得整个垂向支撑部件的长度≥内罐体13的外半径，因对于低温液体铁路罐车来说，该垂向支撑结构为其主要的漏热途径，因此对于这种垂向支撑结构而言，其长度越长，其漏热量越小，从而大大提高了低温液体铁路罐车的保温性能。
[0070]
所述支撑基座6与所述基座端盖10采用止口结构19装配，属于内嵌式装配。所述支撑耳座20、支撑基座6、铰球体7、防脱销9、接头体8、支撑杆3、螺栓防松件16、基座端盖10和固定螺栓11的材质，均与罐车的内罐体13材质相同，为奥氏体不锈钢材质，能有效防止在低温环境下，如
‑
253℃及其以下的环境温度，垂向支撑结构的零部件出现低温破坏的情况。
[0071]
上述垂向支撑结构是影响低温液体罐车储罐安全和低温性能的关键结构，在保证强度的同时，也要保证内罐体13在工作状态下随温度变化产生收缩变形时，垂向支撑结构能够沿空间各个方向自由旋转，从而使内罐体13、外罐体12与垂向支撑结构连接位置不产生约束力，避免了内罐体13、外罐体12与垂向支撑结构连接位置出现疲劳失效风险，从而提高了低温液体铁路罐车的使用安全性。
[0072]
当低温液体铁路罐车出现倾覆事故时，上述垂向支撑结构在其它辅助支撑的配合下，在倾反180
°
或任意角度的情况下，能有效防止内罐体13及内罐体13缠绕层与外罐体12发生碰撞接触的情况，从而保护了内罐体13、内罐体缠绕层和内外罐体之间的夹层管路系统不被破坏。
[0073]
装配方试：
[0074]
将底部封板5固定连于罐车底架上表面，分别装配上球铰单元1和下球铰单元2，且分别与支撑杆3的两端固连，将上球铰单元1和下球铰单元2分别固连于内罐体和底部封板5上，随后将上护管14的上端与外罐体外表面固连，下护管15的上端与上护管14的下端固连，最后将下护管15的下端与底部封板5的下球铰单元2周围区域固连，上文中所述固连均采用焊接方式。
[0075]
综上，这种垂向支撑结构主要作用为：第一，可以有效避免支撑结构与内、外罐体连接位置处出现疲劳裂纹；第二，在低温液体铁路罐车和低温液体公路槽车出现倾覆工况时，连接内、外罐体的垂向支撑结构不会出现失效，从而保护了内罐体、内罐体缠绕层、内、外罐体间夹层管路系统。
[0076]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。