大口径六片式卡箍快卸链条的有限元分析及应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院高能物理研究所东莞分部 作者:余洁冰

  为实现快速远距离操作,大口径六片式卡箍快卸链条结构被用于CSNS/RCS横向束流准直系统。考虑接触非线性和材料非线性,本文使用ANSYS,首次从理论上分析了该快卸链条在单片链条不同角度时对密封性能的影响,同时以做实验用的铝垫圈为研究对象得出了该结构实现密封所需拧紧力矩的范围。通过CSNS /RCS 主准直器中六片式卡箍快卸链条KF300 的使用,验证了该结构密封的可行性及理论分析的可靠性,为次准直器中真空快卸链条的结构设计和密封所需拧紧力矩的大小提供了理论基础。

  中国散裂中子源(CSNS) 是国家重大科技基础设施建设项目,它主要包括一80 MeV 直线注入器、1.6 GeV 快循环同步加速器( RCS) 、中子靶站和中子谱仪。其中横向束流准直系统是CSNS /RCS 的关键设备之一,它包含一个主准直器和四个次准直器,用于消除不在预定轨道或动量有偏差的质子,同时希望捕获激发的二次粒子和放射性同位素,并在束流准直器内吸收,因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为束流准直系统的工作原理决定了其工作在高辐射区域。

  为了保证维护人员的操作安全,在设计时要充分考虑束流准直系统的远程操作和维护,尽可能减少辐照。真空快卸装置被用于在远离准直器一定距离时,快速将准直器与两端设备脱开。参考文献同时考虑链条在密封过程中的运动轨迹,横向束流准直系统的真空快卸装置选用六片式卡箍链条结构。

  本文首次使用ANSYS 对大口径六片式卡箍快卸链条的结构及其密封所需拧紧力矩的大小进行了分析,六片式卡箍快卸链条的结构如图1 所示。

远程快卸装置结构

图1 远程快卸装置结构

  本文首先从实现密封的角度出发,采用ANSYS分析了法兰与垫片的相互作用,并将铝垫片达到密封状态的所需力加载到法兰上,对单片卡箍不同角度下法兰与卡箍的相互作用进行了分析,同时对铝垫片达到密封所需螺纹的拧紧力矩进行了计算。通过主准直器中KF300 快卸链条超高真空的实现,为次准直器中快卸链条的使用提供了理论依据。

1、法兰与垫片相互作用的有限元分析

  CSNS /RCS 快卸装置中,密封所用的垫片是进口Helicoflex 垫片,为节约成本,实验采用的是纯铝垫片,其与法兰的截面形状如图2 所示。当法兰压缩垫片时,垫片的变形主要发生在上下凸出的尖端部分,且达到密封状态时垫片变形量很小。

法兰与垫片截面图

图2 法兰与垫片截面图

  法兰材料为不锈钢304,分析时将法兰看成刚体; 垫片与法兰均为轴对称模型,考虑法兰与垫片相互作用涉及接触和材料塑性变形问题,为缩短计算时间,减小内存,将三维模型简化为二维模型,且三维模型中垫片对法兰的反作用力Fn与二位模型中垫片对法兰的反作用力fn的关系为

  式中,r 为垫片与法兰的接触点到垫片中心的距离。考虑垫片的压紧和放松,通过加载不同的位移载荷,获得二维模型中垫片的变形量与其对法兰反作用力的相互关系。通过分析可知,在垫片结构和材料确定的条件下,垫片对法兰的反作用力与垫片的变形量之间的相互关系确定。图3 所示为加载位移量为0.003 和0.2 mm 时垫片变形量与其反作用力的关系。

垫片的变形量与其反作用力的曲线图

图3 垫片的变形量与其反作用力的曲线图

  从图中可以看出,当垫片的位移载荷为0.003mm 时,卸载后垫片的变形量能完全恢复,此时垫片发生弹性变形,其处于预压紧状态; 随着加载的增大,垫片有一定的塑性变形,此时其工作状态由预压紧变为操作状态,根据该垫片结构的使用经验,通常其单边变形量为0.15 ~ 0.2 mm 时达到密封状态,图4 所示为垫片在位移加载量为0.2 mm 时的应变与应力云图。

4、实验验证

  主准直器中选用KF300 六片式卡箍快卸链条结构,具体结构如图7 所示,通过真空调试,该设备的真空度达6.1 × 10 -7 Pa,满足CSNS /RCS 的超高真空使用要求。通过扭力扳手调节正反扣丝杠,当力矩在28 N·m 时,六片式卡箍快卸链条的喷检漏率在3. 5 × 10 -11 Pa·m3 /s,在机械泵的作用下真空度为0.25 Pa。

主准直器中KF300 快卸链条结构

图7 主准直器中KF300 快卸链条结构

5、结论

  本文通过使用ANSYS,以CSNS/RCS 主准直器中KF300 快卸链条为分析对象,将卡箍六片式快卸链条密封的实现进行分部分析,得出KF300 六片式卡箍快卸链条在单片链条角度为40°时密封效果最好,同时得出了密封所需力矩的合适范围。通过对主准直器中KF300六片式卡箍快卸链条的真空检漏,验证了该结构设计的合理性及分析的可靠性,为次准直器中快卸链条的设计及使用提供了理论依据。

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