大口徑六片式卡箍快卸鏈條結(jié)構(gòu)密封性能研究

大口徑六片式卡箍快卸鏈條結(jié)構(gòu)密封性能研究

中國散裂平均源（csbs）是國家重要的科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，主要包括80mev直接注入裝置、1.6ev快速循環(huán)同步處理器（rcs）、中立站和中立譜儀。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(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(zhǔn)直器內(nèi)吸收,因此,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(dòng)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(duì)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。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(duì)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(duì)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維有限元模型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。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(duì)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(jiǎn)化為二維模型,且三維模型中墊片對(duì)法蘭的反作用力Fn與二位模型中墊片對(duì)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(duì)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(duì)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0.2mm時(shí)墊片變形量與其反作用力的關(guān)系。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0.15~0.2mm時(shí)達(dá)到密封狀態(tài),圖4所示為墊片在位移加載量為0.2mm時(shí)的應(yīng)變與應(yīng)力云圖。2表面活性劑的選擇六片式卡箍快卸鏈條為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),同時(shí)關(guān)于墊片的中心平面對(duì)稱,在卡箍與法蘭的擠壓與摩擦作用中,卡箍對(duì)兩個(gè)法蘭的作用力相同,因此,分析時(shí)以單個(gè)法蘭的一半和鏈條的四分之一為分析對(duì)象。法蘭、鏈條及鏈條連接片均選用Solid187單元,法蘭與鏈條連接片的材料為SUS304,而鏈條的材料為LY12,且其與法蘭的接觸表面鍍MoS2。法蘭與鏈條及鏈條連接片與鏈條兩兩之間的接觸對(duì)均選用Targe170和Targe174單元,摩擦系數(shù)分別取0.1和0.2。分析時(shí)對(duì)法蘭加載墊片,對(duì)墊片的反作用力的大小按墊片壓縮量為0.2mm時(shí)考慮。分別對(duì)快卸鏈條的單片鏈條不同角度進(jìn)行分析,圖5給出了KF300單片鏈條不同角度下法蘭與鏈條的相互作用應(yīng)力云圖,從圖中可以看出,當(dāng)單片鏈條角度為40°時(shí),法蘭與卡箍的應(yīng)力最小,從理論上認(rèn)為此時(shí)接觸面積最大,密封效果最好。3螺紋自鎖特性在六片式卡箍快卸鏈條結(jié)構(gòu)中,螺紋是傳遞力矩的關(guān)鍵。在法蘭被壓緊的過程中,絲杠上作用有兩個(gè)力矩:扳手對(duì)絲杠施加的擰緊力矩M和絲杠與鏈條間的螺紋阻力矩M1。式中:F為螺栓預(yù)緊力;d為螺紋中徑;θ為螺栓升角;φ為螺紋副摩擦角;通過計(jì)算得θ<φ,該螺紋可實(shí)現(xiàn)自鎖。擰緊力矩的大小對(duì)快卸鏈條的密封有重大意義,力矩過大往往會(huì)導(dǎo)致連接失效,甚至將絲杠擰斷;過小的力矩又使墊片未達(dá)到操作狀態(tài),導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏,因此,擰緊力矩的大小需考慮三個(gè)因素:絲杠的強(qiáng)度,螺紋的強(qiáng)度,墊片的密封性能。對(duì)于遠(yuǎn)程快卸鏈條結(jié)構(gòu),分別從絲杠和鏈條的螺紋來考慮螺紋的強(qiáng)度。3.1絲綢彈簧的強(qiáng)度由公式:式中,[σ]1為螺栓許用應(yīng)力;σs為屈服強(qiáng)度;As為螺紋部分危險(xiǎn)截面之計(jì)算面積;n為安全系數(shù)。3.2螺紋牙底寬度由抗剪強(qiáng)度:式中,z為旋合圈數(shù);b為螺紋牙底寬度;d1為內(nèi)螺紋大徑;h為螺紋的基本牙型高度;[τ]為材料的許用切應(yīng)力,[σ]b為材料的許用彎曲應(yīng)力。3.3單次受力載荷k0在快卸鏈條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,法蘭與鏈條接觸面的傾角為20°,如圖6所示,根據(jù)力的作用力與反作用力,鏈條受到法蘭對(duì)其作用力的合力大小為方向與圖中Ft的方向相反。則單個(gè)絲杠承受的載荷為:,式中K0為預(yù)緊系數(shù);Kc為剛性系數(shù)。綜合考慮絲杠和螺紋的強(qiáng)度以及墊片的密封性能,確定六片式KF300快卸鏈條的擰緊力矩為2.794~49.2N·m,通常擰緊力矩應(yīng)該在合適的范圍取大值,因?yàn)槁菁y的軸向力越大,其抗松動(dòng)性能和抗疲勞性能就越好。4適用csns/rcs的超高真空試驗(yàn)設(shè)備主準(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)6.1×10-7Pa,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28N·m時(shí),六片式卡箍快卸鏈條的噴檢漏率在3.5×10-11Pa·m3/s,在機(jī)械泵的作用下真空度為0.25Pa。5kf200六片式卡充密封實(shí)現(xiàn)結(jié)果本文通過使用ANSYS,以CSNS/RCS主準(zhǔn)直器中KF300快卸鏈條為分析對(duì)象,將卡箍六片式快卸鏈條密封的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分