譜儀機(jī)械總體設(shè)計和技術(shù)支持系統(tǒng)

1、4.14 譜儀機(jī)械總體設(shè)計和技術(shù)支持系統(tǒng)現(xiàn)譜儀大廳對設(shè)計的制約和機(jī)械總體設(shè)計應(yīng)滿足的要求現(xiàn)有譜儀大廳對設(shè)計的制約BESIII 是在原譜儀大廳中重建， 因此受到原大廳和其它一些不能改建的設(shè)施制約。1. 譜儀大廳地面和譜儀移動軌道原建的譜儀大廳系按每平方米承載 40 噸設(shè)計建造，因此混凝土中密布了鋼筋，在此基礎(chǔ)上再鋪設(shè)帶鋼筋部件的鋼板作為譜儀移動的軌道，因此地面及軌道不宜破壞，在 BESIII 設(shè)計中應(yīng)仍利用原軌道作為設(shè)計的基礎(chǔ)。譜儀移動的軌道中心間距為 3900 mm， 每板寬為 500mm 。應(yīng)使譜儀整體底座與軌道匹配。2. 譜儀中心離地面（軌道平面）的高度由于上述原因， BESIII 中心離

2、軌道平面高度與原BES 相同，為 3700mm。3. 原譜儀大廳吊車最大起重載荷為 50 噸因此， BESIII 設(shè)計中起吊單件重量應(yīng)不超過50 噸。4. 零部件和組裝輔助工具的設(shè)計尺寸原譜儀大廳總寬為18 米，譜儀中心離加速器中心一側(cè)墻為6000 mm。面向加速器中心時，其右側(cè)墻離譜儀中心為11 米，左側(cè)為 7 米，門寬為 5.5 米，門高為 6 米，因此設(shè)計中要考慮單件尺寸和組裝輔助工具長度，不致因門的限制不能運(yùn)入大廳和受大廳寬度限制不能進(jìn)入譜儀。機(jī)械總體設(shè)計中應(yīng)滿足的要求1. 提供各子探測器的支承、位置調(diào)整和固緊，使最終定位在允許的公差范圍內(nèi)。2. 較方便地提供探測器的維修，尤其是漂移室

3、可能發(fā)生斷絲需要維修時，不要破壞貯存環(huán)的真空，能將磁軛端部開啟，端部量能器能夠移出。3. 任何磁軛部件在維修復(fù)位后，確保磁場形態(tài)變化誤差在允許范圍內(nèi)。4. 提供各探測器電纜、水、氣通道，并能沿著通道分組排列固定，捆緊后引出到軛鐵處，應(yīng)盡可能減少因通道而引起的在加速器上的雜散磁場。磁軛桶部結(jié)構(gòu)和用作各子探測器支承圓筒的連接設(shè)計的基本考慮圖 4.14-1 為整體磁軛結(jié)構(gòu)， 由磁軛桶部和磁軛端部組成。 磁軛桶部為九層八角形桶組成，對邊間距 5100mm，桶長為 4100mm。內(nèi)層內(nèi)切圓半徑為 1740mm，1內(nèi)層邊長 1441.46mm，最外層邊長為 2336.164mm，每層的桶體壁厚由內(nèi)向外分別

4、為 30mm、 30mm、30mm、40mm、 40mm、80mm、80mm、 80mm、150mm，層間的間隙為 40mm，作為安裝 子探測器的空間。 磁軛桶部總重量約為 240 噸。磁軛桶部和磁軛端部間各留有 1100mm× 80mm 的通槽，作為讀出電纜等引出通道。圖 4.14-1 磁軛結(jié)構(gòu)總圖為滿足磁性要求和較好的機(jī)械強(qiáng)度，選用10 號鋼作為磁軛桶體材料。選用10 號鋼較之選用DT4 電工純鐵經(jīng)濟(jì)，但在生產(chǎn)中必須對10 號鋼材料抽樣測量磁性，保證偏差在允許范圍內(nèi)。桶體內(nèi)的各子探測器將支在磁軛桶部上， 因此磁軛桶體結(jié)構(gòu)設(shè)計與各子探測器支承結(jié)構(gòu)有密切相關(guān)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使桶體有足

5、夠剛性， 以承受磁場工作下的電動力和支承桶體內(nèi)的各子探測器，探測器總重量約 50 噸。設(shè)計結(jié)構(gòu)還應(yīng)有較好的生產(chǎn)工藝和易于組裝；在譜儀大廳現(xiàn)場組裝時應(yīng)盡量避免用焊接，因?yàn)楹附尤菀桩a(chǎn)生變形而難以保證形狀和尺寸公差。內(nèi)部各子探測器支承結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計方案是利用磁軛桶部八角形內(nèi)層與超導(dǎo)杜瓦的其中八個三角形空間通過調(diào)整構(gòu)件支承杜瓦；利用超導(dǎo)杜瓦以內(nèi)的兩端不銹鋼圓筒，支承內(nèi)部各子探測器；再通過支承構(gòu)件將兩端不銹鋼圓筒連接到磁軛桶體上。不銹鋼圓筒與磁軛桶體的連接結(jié)構(gòu)是，利用超導(dǎo)線圈杜瓦與磁2軛端部軸向 100mm 和八角形桶體內(nèi)層的角部空間。在設(shè)計時，既要充分利用該空間又要使因間隙產(chǎn)生的雜散磁場盡量小，設(shè)計中

6、利用八個角部裝連接構(gòu)件，而八角形桶體兩端每邊留有 1100mm× 80mm 槽作為電纜引出。因此磁軛桶體端面與磁軛端部除八角形每邊槽的部份外，其余部份端面間有較好的接觸，構(gòu)成鐵與鐵的磁通路，減少其間氣隙引起的雜散磁場。另外還應(yīng)考慮到對 子探測器構(gòu)成最小死區(qū)，且裝卸方便。磁軛桶體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮了兩種基本形式， 一為角型板連接結(jié)構(gòu)， 另一個為階梯型板連接結(jié)構(gòu)。端部軛鐵為前后兩個， 每個端軛又分成左右兩半，可以打開。每半個端軛分成 9 層，從里向外為 40mm、40mm、 30mm、30mm、30mm、 50mm、80mm、80mm、50mm，每層間隙為 40mm，其間安放 子探測器。

7、除板形軛鐵外還又固定極頭、活動極頭、端部隔板、端部面板等。軛鐵與固定極頭用螺栓連接。角型板連接結(jié)構(gòu)圖 4.14-2 為角型板連接成的磁軛桶體及細(xì)部結(jié)構(gòu)。 利用與八角形角度相符的角型板，將八角形每個面的兩個或三個單板連到一起，形成一個單元，使其單件重量不大于 50 噸，其外形輪廓尺寸應(yīng)符合交通部門超大件運(yùn)輸允許的條件，將各磁軛單元運(yùn)到譜儀現(xiàn)場后，進(jìn)行組裝。圖 4.14-2 角型板連接結(jié)構(gòu)角型板與單塊鋼板可以用螺釘連接， 也可以用自動焊接機(jī)與鋼板焊上， 如有3少量變形，可以校正，焊接比螺釘連接強(qiáng)度更好一些。組裝時用螺釘將兩層串起來，使桶體形成剛體，由于螺釘是從平面固緊，固緊的牢固性較之下述階梯型板

8、連接結(jié)構(gòu)為好，但是此結(jié)構(gòu)造成子探測器死區(qū)大，每邊約為 150 250mm。階梯形板連接結(jié)構(gòu)圖 4.14-3 和 4.14-4 為階梯形板連接結(jié)構(gòu)，將八角形桶的每個單面 9 層鐵，用階梯形板從側(cè)面用螺釘連接成一個梯形單元。 階梯形板長 4100mm，寬 80mm，一側(cè)面加工成與每層板相應(yīng)階梯形，階梯形板沿徑向超過單元厚度分別為，向外 100mm，向內(nèi) 135mm。為了增加內(nèi)層板連接的牢固性，將內(nèi)層板厚從 20mm 增加到 30mm。用螺栓將相鄰兩個單元間階梯形板延伸部份固緊， 形成多層八角形磁軛桶體。八角形桶每層板兩端用五角形板在角部形成1100×80mm 槽，見圖4.14-3，組裝后

9、在磁軛桶體兩端形成通道，分別作為讀出電纜和高壓電纜等的引出通道。用階梯形板連結(jié)成磁軛桶體的優(yōu)點(diǎn)是， 待工廠加工完成后， 可以在生產(chǎn)現(xiàn)場先進(jìn)行組裝，作必要修配，達(dá)到設(shè)計要求后再打上銷釘。由于已進(jìn)行過組裝和修配，將大大減少在實(shí)驗(yàn)大廳現(xiàn)場最后組裝時間。階梯形板連接結(jié)構(gòu)使 子探測器死區(qū)從 250mm 減少到 80mm。但其連接牢固性較角型板略差一些。經(jīng)過上述兩種連接結(jié)構(gòu)方案比較，選定階梯形板連接結(jié)構(gòu)。圖 4.14-3 磁軛桶部用階梯型板連接結(jié)構(gòu)總圖4螺栓 M24螺栓 M16圖 4.14-4 磁軛桶部用階梯型板連接結(jié)構(gòu)細(xì)部圖1 超導(dǎo)磁體的支撐螺線管超導(dǎo)磁體重量約為12 噸，長度為 3.9 米，支承于桶部

10、軛鐵的內(nèi)部。下圖展示了磁體在軛鐵內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)。在桶部軛鐵的八角形的 8 個角上，通過階梯形板向內(nèi)延伸的末端焊接用于定位的翼形塊，在磁體杜瓦外筒兩端的對應(yīng)位置焊接用于定位的擋塊。磁體安裝就位時，在翼形塊和擋塊之間再放置鑰匙塊、軸向定位塊、徑向和周向定位塊，利用不同厚度的軸向定位塊、徑向和周向定位塊來調(diào)整磁體的位置。圖 4.14-5 磁體安裝于軛鐵內(nèi)部的示意圖5圖 4.14-6 磁體支撐結(jié)構(gòu)詳細(xì)圖2. 支承各子探測器的不銹鋼圓筒與磁軛桶體的連接結(jié)構(gòu)圖 4.14-7 所示，螺線管超導(dǎo)磁體內(nèi)每端裝有不銹鋼圓筒， 外徑為 2650mm，長 580mm，厚 20mm，帶有法蘭，法蘭外徑為 3400mm，厚

11、度 20mm 與杜瓦間墊有厚 10mm 帶球形凹槽聚四氟乙烯板。每端用八塊小五角形板，上部與內(nèi)層板和相鄰兩個階梯形板向內(nèi)延伸部份用螺釘連接，下部與不銹鋼圓筒法蘭相連。在該結(jié)構(gòu)中，磁軛桶體長度應(yīng)為 3940mm，兩端各以厚度 80mm 五角形板固定在磁軛桶體端面上，形成 1100 ×80mm 電纜通道。110080X 8039404100圖 4.14-7 磁軛桶體與帶法蘭不銹鋼筒的連接結(jié)構(gòu)各子探測器在不銹鋼圓筒中支承、調(diào)整和固定磁軛桶體內(nèi)探測器包括桶部量能器、 桶部飛行時間計數(shù)器、 漂移室、端部量能器、端部飛行時間計數(shù)器。桶部量能器長 3440 mm、外徑 2560mm、內(nèi)徑 1860

12、mm，重量約 35 噸，兩6端向內(nèi)呈錐形。如圖 4.14-8 所示，為加強(qiáng)桶部量能器錐部兩端，使成其為一個剛性的桶體，每端利用 8 個角塊，水平方向用螺釘與桶部量能上錐部相連，垂直方向用螺栓與不銹鋼圓筒相連，并可調(diào)節(jié)位置后再固定。圖 4.14-8 各子探測器在不銹鋼筒內(nèi)的支承調(diào)整和固定桶部飛行時間計數(shù)器用尼龍帶捆在漂移室外桶上， 經(jīng)過幾種方案的比較， 這一結(jié)構(gòu)最節(jié)省徑向空間。漂移室長度為 2400mm，外徑 1620mm，總重約為 1 噸，利用漂移室外桶裙邊與桶部量能器錐形底部加強(qiáng)部分相連，每端用 8 個角塊以螺釘相連，并可調(diào)節(jié)位置和固定。采用這一結(jié)構(gòu)是由于飛行時間計數(shù)器與端部量能器軸向空間有

13、限，如果有足夠的空間，在桶部量能器錐形底部固定一個不銹鋼環(huán)，將漂移室固定在環(huán)上，較為理想，這將在設(shè)計深入中進(jìn)一步討論。端部量能器呈錐形盤狀，最大外徑為3400mm，最小外徑為 1000mm，盤厚為 340mm，分為左右兩部分，安裝后可以將其連成整體，端部飛行時間計數(shù)器固定在其前端，總重量約為 1.5 噸，每端用 8 個角塊固定在端部量能器外端面上，每個角塊用調(diào)節(jié)螺釘與桶部量能器支承角塊相連。譜儀磁軛端部結(jié)構(gòu)和移動圖 4.14-9 所示，BESIII 端軛設(shè)計成兩半對開的形式， 每半個端軛重約 52 噸。因?yàn)槎塑椇苤兀识塑椧苿訖C(jī)構(gòu)設(shè)計成落地式，在特定的導(dǎo)軌上滑動。又因?yàn)槎塑椵^高、較薄，像一堵墻

14、，為安全考慮，在八角形桶部軛鐵的頂部，設(shè)計有導(dǎo)向橫梁，在每半個端軛的頂部，各裝有 2 個導(dǎo)向滑輪。驅(qū)動方式選用電機(jī) -減速器 -絲杠系統(tǒng)，平穩(wěn)可靠。 4 部驅(qū)動電機(jī)的功率各為 7.5kW11kW。端軛移動7行程為 2 m，移動速度初步定為 1m/分鐘。頂部導(dǎo)向橫梁結(jié)構(gòu)可以兼作譜儀頂部平臺的基礎(chǔ)。圖 4.14-9 BESIII 端軛自動開閉方案端軛芯環(huán)向內(nèi)凸起， 為了使端軛移動時不與桶部軛鐵相碰， 整個端軛應(yīng)沿束流線方向移動，然后再沿與束流線垂直的方向移動。但整體端軛的重心較高， 機(jī)座較短，抗翻傾能力差， 沿束流線方向移動時更為不利，尤其在啟動和停止時，較短的機(jī)座無法抵抗慣性沖力所產(chǎn)生的翻傾力矩

15、，因此沿束流線方向的移動極不安全。為了解決這個問題，將向內(nèi)凸起的芯環(huán)設(shè)計成活動式，可沿束流線方向相對于整體端軛移動。這樣可以在打開端軛之前，先將芯環(huán)沿束流線方向拉出，使整體端軛只完成縱向運(yùn)動，避開了危險的橫向移動。半個端軛芯環(huán)在兩個方向上均不對稱， 其形心較難確定，為使芯環(huán)移動順暢，在兩半個芯環(huán)上有導(dǎo)向孔，在端軛上裝有導(dǎo)向柱。并采用單獨(dú)的電機(jī)減速器絲杠系統(tǒng)驅(qū)動，端軛芯環(huán)的移動行程為 300mm，移動速度為 1 米 /分鐘。端軛移動和端軛芯環(huán)移動的驅(qū)動采用帶減速器的交流電機(jī)，電控系統(tǒng)采用變8頻調(diào)速，可以控制 52 噸重的端軛平穩(wěn)啟動，避免在停止時的慣性沖擊。端軛移動軌道在適當(dāng)位置上設(shè)有接近開關(guān)限

16、位，為了防止意外事故，在導(dǎo)軌兩端設(shè)計有緩沖碟形彈簧。在打開端軛時， 首先沿束流方向向外拉出芯環(huán)， 然后再將端軛打開， 全部工作可在 5 分鐘之內(nèi)自動完成。圖 4.14-10 所示的右端軛處在工作位置（即閉合位置），芯環(huán)也處在工作位置。左端軛處在完全打開的位置（即內(nèi)部探測器檢修時的位置），芯環(huán)已在端軛打開之前拉出到最外位置。圖 4.14-10 BESIII 端軛芯環(huán)的移動端部量能器的移動方案漂移室檢修時要求端部量能器能夠方便地打開。端部量能器為半個圓錐臺，不能用其自身導(dǎo)向，且所處位置又較深，因此對移動機(jī)構(gòu)要求較高。在移動過程中，為了避免與 Q 鐵和桶部軛鐵的端面發(fā)生碰撞，端部量能器必須實(shí)現(xiàn)沿 Z

17、 軸移動 850mm，沿 X 軸移動 500mm，沿 Y 軸移動 2200mm。對端部量能器的移動已考慮兩個方案，一個是 X 、Y 、Z 三向滑臺式，另一個是多桿機(jī)構(gòu)起重臂。圖 4.14-11 所示為三向滑臺式，用 X 、 Y 、Z 三向工作臺和一個很長的起重桿組成。機(jī)構(gòu)尺寸較大，由于吊桿太長，端部量能器在移動過程中易發(fā)生顫振。圖 4.14-12 所示的多桿機(jī)構(gòu)實(shí)為一種放大機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的放大比為 4: 1。為此豎直滑塊的行程只有 550mm，水平滑塊的行程為 250mm，多桿機(jī)構(gòu)與第一個方案相比，基座尺寸小的多，結(jié)構(gòu)緊湊。起重臂設(shè)計成平行四邊形機(jī)構(gòu)，使被抓取的物體在移動過程中永遠(yuǎn)保持平動，吊取過

18、程平穩(wěn)。另外，平行四邊形機(jī)構(gòu)9雙梁結(jié)構(gòu)剛度好，吊取系統(tǒng)重量較輕。但機(jī)構(gòu)在相疊交部位的設(shè)計較為復(fù)雜。Y0322XZ.1000100850圖 4.14-11端部量能器移動機(jī)構(gòu)方案1（三向滑臺式）a)工作位置b)與 Z 向成 25 度方向移出c)沿 Y 方向上移圖 4.14-12 端部量能器移動機(jī)構(gòu)方案 2（多桿機(jī)構(gòu) ）以上兩種方案均把端部量能器吊在空中，在檢修內(nèi)部探測器時總有不安全10感，為此目前正考慮另一種方案，由于尚未成熟，初步設(shè)計沒有定出最終方案，起吊設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計。中心束流管的結(jié)構(gòu)和支承圖 4.14-13中心束流管的結(jié)構(gòu)和支承圖 4.14-13 為中心束流管的結(jié)構(gòu)。中心束流管總長為

19、1074mm，包括對撞區(qū)300mm 長的鈹管和每端各 362mm 的外延中心束流管，兩端各帶 25mm 厚不銹鋼 CF 法蘭，法蘭與超導(dǎo) Q 鐵出口處加速器不銹鋼 CF 法蘭相連接，整個中心束流管內(nèi)半徑為 R31.5mm。中心束流管設(shè)計應(yīng)使因同步輻射、 損失粒子和次級粒子散射對探測器產(chǎn)生的本底盡量少；應(yīng)使中心束流管有足夠冷卻，將同步輻射、損失粒子和次級粒子散射以及高頻腔高次模對中心束流管產(chǎn)生的熱量帶走，保持中心束流管溫度在 20-30 C，不致?lián)p壞中心束流管。整個中心束流管內(nèi)壁還應(yīng)光滑無臺階。中心鈹管結(jié)構(gòu)圖 4.14- 14 為中心鈹管結(jié)構(gòu)。選擇鈹作為中心束流管是為了減少粒子所穿過的材料物質(zhì)量

20、。設(shè)計中考慮用一個長 300mm 內(nèi)徑 63mm，壁厚 3mm 的鈹管，在長 250mm 范圍內(nèi)沿周向銑出六個槽，槽深 2.2mm，只留有六個均勻分布寬 2mm 的筋，在管兩端加工成相應(yīng)的臺階， 將與鋁腔和銅管焊接。 用內(nèi)徑為 69mm，厚為 0.5mm的鈹管套在外，用釬焊與上述鈹管形成一個有 6 個通道的雙層管，外層管分別用電子束與兩端鋁腔相焊，鋁腔另一端與內(nèi)層鈹管臺階用電子束管相焊，形成一個長 300mm 的中心束流管，鈹管內(nèi)表面需鍍有1020金。鈹管也可以用粉11沫冶金成型。4.14- 14鈹中心束流管結(jié)構(gòu)采用鋁水腔和 6 通道的雙層鈹管是為了不使冷卻短路， 能使冷卻介質(zhì)沿周向均勻分布。內(nèi)鈹管加強(qiáng)筋除了為使冷卻均勻，還因?yàn)閷?nèi)外管焊接在一起，即使在很薄壁下具有足夠的剛度。鈹管兩端釬焊一段過渡銅管是為了與外延的銅管焊接時不用釬焊。鋁水腔在中心一側(cè)壁較薄， 也是為了減少物質(zhì)量， 并使其有一定彈性， 適應(yīng)鈹管與鋁不同的膨脹系數(shù)。根據(jù)幾個同類機(jī)器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，擬用氦氣或PF200 油為冷卻介質(zhì)較可靠。外延束流管的結(jié)構(gòu)和支承圖 4.14-14 所示，外延束流管采用銅管或鍍銅鋁