大口径六片式卡箍快卸链条结构密封性能研究

大口径六片式卡箍快卸链条结构密封性能研究

中国散裂平均源（csbs）是国家重要的科技基础设施建设项目，主要包括80mev直接注入装置、1.6ev快速循环同步处理器（rcs）、中立站和中立谱仪。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,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。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维有限元模型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0.2mm时垫片变形量与其反作用力的关系。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0.15~0.2mm时达到密封状态,图4所示为垫片在位移加载量为0.2mm时的应变与应力云图。2表面活性剂的选择六片式卡箍快卸链条为轴对称结构,同时关于垫片的中心平面对称,在卡箍与法兰的挤压与摩擦作用中,卡箍对两个法兰的作用力相同,因此,分析时以单个法兰的一半和链条的四分之一为分析对象。法兰、链条及链条连接片均选用Solid187单元,法兰与链条连接片的材料为SUS304,而链条的材料为LY12,且其与法兰的接触表面镀MoS2。法兰与链条及链条连接片与链条两两之间的接触对均选用Targe170和Targe174单元,摩擦系数分别取0.1和0.2。分析时对法兰加载垫片,对垫片的反作用力的大小按垫片压缩量为0.2mm时考虑。分别对快卸链条的单片链条不同角度进行分析,图5给出了KF300单片链条不同角度下法兰与链条的相互作用应力云图,从图中可以看出,当单片链条角度为40°时,法兰与卡箍的应力最小,从理论上认为此时接触面积最大,密封效果最好。3螺纹自锁特性在六片式卡箍快卸链条结构中,螺纹是传递力矩的关键。在法兰被压紧的过程中,丝杠上作用有两个力矩:扳手对丝杠施加的拧紧力矩M和丝杠与链条间的螺纹阻力矩M1。式中:F为螺栓预紧力;d为螺纹中径;θ为螺栓升角;φ为螺纹副摩擦角;通过计算得θ<φ,该螺纹可实现自锁。拧紧力矩的大小对快卸链条的密封有重大意义,力矩过大往往会导致连接失效,甚至将丝杠拧断;过小的力矩又使垫片未达到操作状态,导致系统泄漏,因此,拧紧力矩的大小需考虑三个因素:丝杠的强度,螺纹的强度,垫片的密封性能。对于远程快卸链条结构,分别从丝杠和链条的螺纹来考虑螺纹的强度。3.1丝绸弹簧的强度由公式:式中,[σ]1为螺栓许用应力;σs为屈服强度;As为螺纹部分危险截面之计算面积;n为安全系数。3.2螺纹牙底宽度由抗剪强度:式中,z为旋合圈数;b为螺纹牙底宽度;d1为内螺纹大径;h为螺纹的基本牙型高度;[τ]为材料的许用切应力,[σ]b为材料的许用弯曲应力。3.3单次受力载荷k0在快卸链条的结构设计中,法兰与链条接触面的倾角为20°,如图6所示,根据力的作用力与反作用力,链条受到法兰对其作用力的合力大小为方向与图中Ft的方向相反。则单个丝杠承受的载荷为:,式中K0为预紧系数;Kc为刚性系数。综合考虑丝杠和螺纹的强度以及垫片的密封性能,确定六片式KF300快卸链条的拧紧力矩为2.794~49.2N·m,通常拧紧力矩应该在合适的范围取大值,因为螺纹的轴向力越大,其抗松动性能和抗疲劳性能就越好。4适用csns/rcs的超高真空试验设备主准直器中选用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6.1×10-7Pa,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28N·m时,六片式卡箍快卸链条的喷检漏率在3.5×10-11Pa·m3/s,在机械泵的作用下真空度为0.25Pa。5kf200六片式卡充密封实现结果本文通过使用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