大口徑六片式卡箍快卸鏈條的有限元分析及應(yīng)用

　　為實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)距離操作，大口徑六片式卡箍快卸鏈條結(jié)構(gòu)被用于CSNS/RCS橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)。考慮接觸非線性和材料非線性，本文使用ANSYS，首次從理論上分析了該快卸鏈條在單片鏈條不同角度時(shí)對密封性能的影響，同時(shí)以做實(shí)驗(yàn)用的鋁墊圈為研究對象得出了該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)密封所需擰緊力矩的范圍。通過CSNS /RCS 主準(zhǔn)直器中六片式卡箍快卸鏈條KF300 的使用，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)密封的可行性及理論分析的可靠性，為次準(zhǔn)直器中真空快卸鏈條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封所需擰緊力矩的大小提供了理論基礎(chǔ)。

　　中國散裂中子源(CSNS) 是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，它主要包括一80 MeV 直線注入器、1.6 GeV 快循環(huán)同步加速器( RCS) 、中子靶站和中子譜儀。其中橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)是CSNS /RCS 的關(guān)鍵設(shè)備之一，它包含一個(gè)主準(zhǔn)直器和四個(gè)次準(zhǔn)直器，用于消除不在預(yù)定軌道或動量有偏差的質(zhì)子，同時(shí)希望捕獲激發(fā)的二次粒子和放射性同位素，并在束流準(zhǔn)直器內(nèi)吸收，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為束流準(zhǔn)直系統(tǒng)的工作原理決定了其工作在高輻射區(qū)域。

　　為了保證維護(hù)人員的操作安全，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮束流準(zhǔn)直系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作和維護(hù)，盡可能減少輻照。真空快卸裝置被用于在遠(yuǎn)離準(zhǔn)直器一定距離時(shí)，快速將準(zhǔn)直器與兩端設(shè)備脫開。參考文獻(xiàn)同時(shí)考慮鏈條在密封過程中的運(yùn)動軌跡，橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)的真空快卸裝置選用六片式卡箍鏈條結(jié)構(gòu)。

　　本文首次使用ANSYS 對大口徑六片式卡箍快卸鏈條的結(jié)構(gòu)及其密封所需擰緊力矩的大小進(jìn)行了分析，六片式卡箍快卸鏈條的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程快卸裝置結(jié)構(gòu)

　　本文首先從實(shí)現(xiàn)密封的角度出發(fā)，采用ANSYS分析了法蘭與墊片的相互作用，并將鋁墊片達(dá)到密封狀態(tài)的所需力加載到法蘭上，對單片卡箍不同角度下法蘭與卡箍的相互作用進(jìn)行了分析，同時(shí)對鋁墊片達(dá)到密封所需螺紋的擰緊力矩進(jìn)行了計(jì)算。通過主準(zhǔn)直器中KF300 快卸鏈條超高真空的實(shí)現(xiàn)，為次準(zhǔn)直器中快卸鏈條的使用提供了理論依據(jù)。

1、法蘭與墊片相互作用的有限元分析

　　CSNS /RCS 快卸裝置中，密封所用的墊片是進(jìn)口Helicoflex 墊片，為節(jié)約成本，實(shí)驗(yàn)采用的是純鋁墊片，其與法蘭的截面形狀如圖2 所示。當(dāng)法蘭壓縮墊片時(shí)，墊片的變形主要發(fā)生在上下凸出的尖端部分，且達(dá)到密封狀態(tài)時(shí)墊片變形量很小。

圖2 法蘭與墊片截面圖

　　法蘭材料為不銹鋼304，分析時(shí)將法蘭看成剛體; 墊片與法蘭均為軸對稱模型，考慮法蘭與墊片相互作用涉及接觸和材料塑性變形問題，為縮短計(jì)算時(shí)間，減小內(nèi)存，將三維模型簡化為二維模型，且三維模型中墊片對法蘭的反作用力Fn與二位模型中墊片對法蘭的反作用力fn的關(guān)系為

　　式中，r 為墊片與法蘭的接觸點(diǎn)到墊片中心的距離�？紤]墊片的壓緊和放松，通過加載不同的位移載荷，獲得二維模型中墊片的變形量與其對法蘭反作用力的相互關(guān)系。通過分析可知，在墊片結(jié)構(gòu)和材料確定的條件下，墊片對法蘭的反作用力與墊片的變形量之間的相互關(guān)系確定。圖3 所示為加載位移量為0.003 和0.2 mm 時(shí)墊片變形量與其反作用力的關(guān)系。

圖3 墊片的變形量與其反作用力的曲線圖

　　從圖中可以看出，當(dāng)墊片的位移載荷為0.003mm 時(shí)，卸載后墊片的變形量能完全恢復(fù)，此時(shí)墊片發(fā)生彈性變形，其處于預(yù)壓緊狀態(tài); 隨著加載的增大，墊片有一定的塑性變形，此時(shí)其工作狀態(tài)由預(yù)壓緊變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)，根據(jù)該墊片結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)，通常其單邊變形量為0.15 ～ 0.2 mm 時(shí)達(dá)到密封狀態(tài)，圖4 所示為墊片在位移加載量為0.2 mm 時(shí)的應(yīng)變與應(yīng)力云圖。

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　主準(zhǔn)直器中選用KF300 六片式卡箍快卸鏈條結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示，通過真空調(diào)試，該設(shè)備的真空度達(dá)6.1 × 10 ^-7 Pa，滿足CSNS /RCS 的超高真空使用要求。通過扭力扳手調(diào)節(jié)正反扣絲杠，當(dāng)力矩在28 N·m 時(shí)，六片式卡箍快卸鏈條的噴檢漏率在3. 5 × 10 ^-11 Pa·m³ /s，在機(jī)械泵的作用下真空度為0.25 Pa。

圖7 主準(zhǔn)直器中KF300 快卸鏈條結(jié)構(gòu)

5、結(jié)論

　　本文通過使用ANSYS，以CSNS/RCS 主準(zhǔn)直器中KF300 快卸鏈條為分析對象，將卡箍六片式快卸鏈條密封的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分部分析，得出KF300 六片式卡箍快卸鏈條在單片鏈條角度為40°時(shí)密封效果最好，同時(shí)得出了密封所需力矩的合適范圍。通過對主準(zhǔn)直器中KF300六片式卡箍快卸鏈條的真空檢漏，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及分析的可靠性，為次準(zhǔn)直器中快卸鏈條的設(shè)計(jì)及使用提供了理論依據(jù)。