大口徑六片式卡箍快卸鏈條結構密封性能研究

大口徑六片式卡箍快卸鏈條結構密封性能研究

中國散裂平均源（csbs）是國家重要的科技基礎設施建設項目，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。其中橫向束流準直系統(tǒng)是CSNS/RCS的關鍵設備之一,它包含一個主準直器和四個次準直器,用于消除不在預定軌道或動量有偏差的質子,同時希望捕獲激發(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,束流準直系統(tǒng)的工作原理決定了其工作在高輻射區(qū)域。為了保證維護人員的操作安全,在設計時要充分考慮束流準直系統(tǒng)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,快速將準直器與兩端設備脫開。參考文獻同時考慮鏈條在密封過程中的運動軌跡,橫向束流準直系統(tǒng)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行了分析,六片式卡箍快卸鏈條的結構如圖1所示。本文首先從實現密封的角度出發(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行了分析,同時對鋁墊片達到密封所需螺紋的擰緊力矩進行了計算。通過主準直器中KF300快卸鏈條超高真空的實現,為次準直器中快卸鏈條的使用提供了理論依據。1維有限元模型CSNS/RCS快卸裝置中,密封所用的墊片是進口Helicoflex墊片,為節(jié)約成本,實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,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)時墊片變形量很小。法蘭材料為不銹鋼304,分析時將法蘭看成剛體;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,為縮短計算時間,減小內存,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的關系為式中,r為墊片與法蘭的接觸點到墊片中心的距離?？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系。通過分析可知,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系確定。圖3所示為加載位移量為0.003和0.2mm時墊片變形量與其反作用力的關系。從圖中可以看出,當墊片的位移載荷為0.003mm時,卸載后墊片的變形量能完全恢復,此時墊片發(fā)生彈性變形,其處于預壓緊狀態(tài);隨著加載的增大,墊片有一定的塑性變形,此時其工作狀態(tài)由預壓緊變?yōu)椴僮鳡顟B(tài),根據該墊片結構的使用經驗,通常其單邊變形量為0.15~0.2mm時達到密封狀態(tài),圖4所示為墊片在位移加載量為0.2mm時的應變與應力云圖。2表面活性劑的選擇六片式卡箍快卸鏈條為軸對稱結構,同時關于墊片的中心平面對稱,在卡箍與法蘭的擠壓與摩擦作用中,卡箍對兩個法蘭的作用力相同,因此,分析時以單個法蘭的一半和鏈條的四分之一為分析對象。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均選用Targe170和Targe174單元,摩擦系數分別取0.1和0.2。分析時對法蘭加載墊片,對墊片的反作用力的大小按墊片壓縮量為0.2mm時考慮。分別對快卸鏈條的單片鏈條不同角度進行分析,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力云圖,從圖中可以看出,當單片鏈條角度為40°時,法蘭與卡箍的應力最小,從理論上認為此時接觸面積最大,密封效果最好。3螺紋自鎖特性在六片式卡箍快卸鏈條結構中,螺紋是傳遞力矩的關鍵。在法蘭被壓緊的過程中,絲杠上作用有兩個力矩:扳手對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;通過計算得θ<φ,該螺紋可實現自鎖。擰緊力矩的大小對快卸鏈條的密封有重大意義,力矩過大往往會導致連接失效,甚至將絲杠擰斷;過小的力矩又使墊片未達到操作狀態(tài),導致系統(tǒng)泄漏,因此,擰緊力矩的大小需考慮三個因素:絲杠的強度,螺紋的強度,墊片的密封性能。對于遠程快卸鏈條結構,分別從絲杠和鏈條的螺紋來考慮螺紋的強度。3.1絲綢彈簧的強度由公式:式中,[σ]1為螺栓許用應力;σs為屈服強度;As為螺紋部分危險截面之計算面積;n為安全系數。3.2螺紋牙底寬度由抗剪強度:式中,z為旋合圈數;b為螺紋牙底寬度;d1為內螺紋大徑;h為螺紋的基本牙型高度;[τ]為材料的許用切應力,[σ]b為材料的許用彎曲應力。3.3單次受力載荷k0在快卸鏈條的結構設計中,法蘭與鏈條接觸面的傾角為20°,如圖6所示,根據力的作用力與反作用力,鏈條受到法蘭對其作用力的合力大小為方向與圖中Ft的方向相反。則單個絲杠承受的載荷為:,式中K0為預緊系數;Kc為剛性系數。綜合考慮絲杠和螺紋的強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,通常擰緊力矩應該在合適的范圍取大值,因為螺紋的軸向力越大,其抗松動性能和抗疲勞性能就越好。4適用csns/rcs的超高真空試驗設備主準直器中選用KF300六片式卡箍快卸鏈條結構,具體結構如圖7所示,通過真空調試,該設備的真空度達6.1×10-7Pa,滿足CSNS/RCS的超高真空使用要求。通過扭力扳手調節(jié)正反扣絲杠,當力矩在28N·m時,六片式卡箍快卸鏈條的噴檢漏率在3.5×10-11Pa·m3/s,在機械泵的作用下真空度為0.25Pa。5kf200六片式卡充密封實現結果本文通過使用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現進行分