大口徑六片式卡箍快卸鏈條的有限元分析及應用
為實(shí)現快速遠距離操作，大口徑六片式卡箍快卸鏈條結構被用于CSNS/RCS橫向束流準直系統�？紤]接觸非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)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)驗用的鋁墊圈為研究對象得出了該結構實(shí)現密封所需擰緊力矩的范圍。通過(guò)CSNS /RCS 主準直器中六片式卡箍快卸鏈條KF300 的使用，驗證了該結構密封的可行性及理論分析的可靠性，為次準直器中真空快卸鏈條的結構設計和密封所需擰緊力矩的大小提供了理論基礎。
中國散裂中子源(CSNS) 是國家重大科技基礎設施建設項目，它主要包括一80 MeV 直線(xiàn)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。其中橫向束流準直系統是CSNS /RCS 的關(guān)鍵設備之一，它包含一個(gè)主準直器和四個(gè)次準直器，用于消除不在預定軌道或動(dòng)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，并在束流準直器內吸收，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為束流準直系統的工作原理決定了其工作在高輻射區域。
為了保證維護人員的操作安全，在設計時(shí)要充分考慮束流準直系統的遠程操作和維護，盡可能減少輻照。真空快卸裝置被用于在遠離準直器一定距離時(shí)，快速將準直器與兩端設備脫開(kāi)。參考文獻同時(shí)考慮鏈條在密封過(guò)程中的運動(dòng)軌跡，橫向束流準直系統的真空快卸裝置選用六片式卡箍鏈條結構。
本文首次使用ANSYS 對大口徑六片式卡箍快卸鏈條的結構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構如圖1 所示。
圖1 遠程快卸裝置結構
本文首先從實(shí)現密封的角度出發(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)對鋁墊片達到密封所需螺紋的擰緊力矩進(jìn)行了計算。通過(guò)主準直器中KF300 快卸鏈條超高真空的實(shí)現，為次準直器中快卸鏈條的使用提供了理論依據。
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，為節約成本，實(shí)驗采用的是純鋁墊片，其與法蘭的截面形狀如圖2 所示。當法蘭壓縮墊片時(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(chēng)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(wèn)題，為縮短計算時(shí)間，減小內存，將三維模型簡(jiǎn)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(guò)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(guò)分析可知，在墊片結構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(xiàn)圖
從圖中可以看出，當墊片的位移載荷為0.003mm 時(shí)，卸載后墊片的變形量能完全恢復，此時(shí)墊片發(fā)生彈性變形，其處于預壓緊狀態(tài); 隨著(zhù)加載的增大，墊片有一定的塑性變形，此時(shí)其工作狀態(tài)由預壓緊變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)，根據該墊片結構的使用經(jīng)驗，通常其單邊變形量為0.15 ～ 0.2 mm 時(shí)達到密封狀態(tài)，圖4 所示為墊片在位移加載量為0.2 mm 時(shí)的應變與應力云圖。
4、實(shí)驗驗證
主準直器中選用KF300 六片式卡箍快卸鏈條結構，具體結構如圖7 所示，通過(guò)真空調試，該設備的真空度達6.1 × 10 -7 Pa，滿(mǎn)足CSNS /RCS 的超高真空使用要求。通過(guò)扭力扳手調節正反扣絲杠，當力矩在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，在機械泵的作用下真空度為0.25 Pa。
圖7 主準直器中KF300 快卸鏈條結構
5、結論
本文通過(guò)使用ANSYS，以CSNS/RCS 主準直器中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(guò)對主準直器中KF300六片式卡箍快卸鏈條的真空檢漏，驗證了該結構設計的合理性及分析的可靠性，為次準直器中快卸鏈條的設計及使用提供了理論依據。
