直线感应加速器对中装配同轴度的影响

直线感应加速器对中装配同轴度的影响

中间装配是工业生产中最典型的装配工艺之一。一轴类零件安装在另一轴类零件上，并要求轴之间的线或连续性重复。法兰-螺栓联接是轴类零件装配联接最常用的方式。用于获得高品质的强流脉冲电子束的直线感应加速器采用法兰-螺栓联接,其对于组元管道轴线对中的要求尤其严格。实际中,加速器对中装配时间较长,劳动量大,同轴度难于保证,因此提高对中装配的效率以及更好地保证同轴度的要求是加速器对中装配急需解决的问题。已有较多在法兰-螺栓联接方面的研究,主要包括针对法兰、螺栓本身的设计或是施工工艺对密封性能的影响:文献建立了包括法兰环、垫片、螺栓和联接壳体载在内的法兰接头三维有限元模型,研究法兰接头的几何尺寸、材料性质和载荷大小对法兰接头强度与紧密性的影响;文献应用三维有限元技术,考虑了大量的接触面和螺栓预紧单元,准确计算出一套法兰联接的应力分布;文献对螺栓联接的拧紧顺序对联接的密封性和螺栓拉力的均匀性的影响做了探讨;文献采用三维模型对橡胶密封圈进行了有限元分析,在超弹性体材料接触前提下,研究了密封结构同轴度和橡胶圈安装扭曲对密封接触状态的影响。但在法兰-螺栓联接时预紧力差异对对中装配精度影响的研究还少有报道。作者针对用于直线感应加速器对中装配时的高同轴度要求,采用有限元法分析,考虑法兰、螺栓和密封垫片的相互作用及加速器的安装工艺,建立加速器对中装配法兰-螺栓联接的分析模型,给出了螺栓预紧力对加速器对中装配时同轴度的影响结果,为提高加速器对中装配同轴度和制订合理装配工艺提供依据。1差装法五腔加速段聚合式五腔组合结构的工作原理直线感应加速器由注入器和18个加速段组成。每个加速段由5个组元(腔)串接而成。由于加速器束输运系统磁场准直偏差和束脉冲期间所引起的束流Corkscrew运动是导致发射度增长的重要原因之一,因而提高磁场准直精度是抑制和减小Corkscrew振幅的重要措施。直线感应加速器的束管道和调整磁铁是加工时就固化在一起的,因此先测准机械轴,以机械轴为基准,才能对磁轴进行校准。所以机械轴的精密对中是磁轴准直及磁场误差校正的基础,是直线感应加速器研制中必不可少的一项工作。五腔加速段机械轴精密对中要求同轴度偏差在±75μm以内。图1为一个五腔加速段内的两段加速腔相连的示意图。组元的束线管道紧固在用金属板组建的支架上,支架由高程顶丝联接在基座上。组元与组元之间采用法兰-螺栓联接方式。每一法兰对之间其中有一法兰面开有凹槽,在凹槽中放置橡胶垫片。装配时,首先调节好第一节组元的轴线到预定位置,然后锁死高程顶丝,将其固定在基座上,固定后确保轴线位置不超出误差允许范围。由于组元中心没有点可供测量,所以在组元两端靠近法兰处各放两个测量仪测量其坐标,再计算出组元管道两端圆心的坐标,从而得到组元轴线的位置。第二节组元的预调方式与前面所述第一节的方式相同,只是在调节好轴线位置以后不立即固定在基座上,而是利用导向顶丝和导向条把此组元移动到第一节组元,并紧固法兰面上的螺栓,把两节组元的法兰面贴合在一起,以压缩两面之间的垫片,达到密封的效果。在移动组元和预紧法兰螺栓的过程中,不断用测量仪对第二节组元的轴线位置进行测量监控,并调节螺栓以确保轴线位置在允许范围之内,从而保证两节组元轴线的同轴度。在满足同轴度要求以后,最后锁紧第二节组元的高程顶丝,使第二节组元紧固在基座上。后续的其它组元联接方式也是一样,不再赘述。由于两节组元在进行联接以前都进行了预调,以保证其轴线都在预定位置。在对法兰螺栓进行预紧联接以后,要出现位置变化,从而导致联接以后的整体轴线和单腔轴线不重合。因此,各个螺栓预紧力的不一致是造成装配同轴度偏差过大的主要因素之一。2元模型的构建2.1螺栓预紧施加工况分析考虑实际安装工艺,在建立有限元模型时作了相应假设和简化。1)由于重力的作用,实际的单腔轴线不是直线,但按设计其直线度误差量级相对很小,可不计。在联接以后,根据组元两端法兰附近测量点的位置计算出圆心,把圆心联接而成的直线作为实际轴线;2)螺栓的加载历程对联接元件的位置的影响比较大,但由于装配过程中螺栓预紧施加比较严格地遵循了对称、轮流、循环、逐次的原则,所以在分析中没有考虑加载历程的影响;3)根据装配及受力特征,高程顶丝与支架底板建模时固联在一起。由于左端的组元管件(即第一节)在进行装配时已经被预先定位,因此对其支架的四个高程顶丝的底面进行了全约束。而对正欲被联接上去的组元(第二节),根据实际装配工艺,其高程顶丝没有被完全固定在基座上,而且可以沿着轴线移动,同时也可以在竖直方向上向上作微小位移。因此采用接触单元处理组元高程顶丝与基座的关系,在这里用一个刚性面来代表基座,如图2所示;4)加速器法兰联接使用了16个M16的螺栓。在装配中,主要对四个螺栓进行加载,即最上和最下的两个螺栓(A和C)以及过圆心的水平面上的两个螺栓(B和D),如图1所示。在每轮加载中这两组螺栓被依次拧紧后,其余的螺栓主要保持螺母和法兰面之间的相应贴合,而不施加较大的预紧力。因此根据对螺栓的紧固操作工艺,只建立了4个螺栓预紧的模型。2.2面面加载模拟在有限元分析软件ANSYS环境下,建立了加速器组元对中装配三维有限元模型。采用HYPER58三维超弹结构单元模拟橡胶垫片;采用SOLID185单元模拟垫片以外的组元三维实体部分;采用PRETS179预紧单元模拟螺栓的预紧加载;并使用面面接触单元TARGE170和CONTA173模拟螺母和法兰面、法兰和垫片以及高程顶丝和基座之间的作用。模型中网格的划分方式基本上为映射网格划分,其总体坐标系按如下方式确定:坐标原点位于首节组元筒体自由端面的圆心位置,平面坐标XOY为通过组元轴线的轴对称面,X正向沿轴线方向从第一节到第二节组元,Y正向为竖直向上,Z轴方向按右手坐标系确定。简化以后的有限元计算模型如图2所示。2.3材料及物理参数的确定用于有限元计算的橡胶材料的力学数据一般只能由实验间接得到。弹性体材料(橡胶)具有长链分子结构并经常与其他成分复合,形成具有适合特定要求的特殊的工程材料。弹性体复合材料具有很不寻常的载荷挠曲行为,且非常复杂。利用所选橡胶垫片的力学材料参数,使用ANSYS的Mooney-Rivlin曲线拟合功能得到了垫片材料的Mooney-Rivlin常数。螺栓的材料是1Cr18Ni9Ti,螺纹公称直径是d=16mm。参考机械手册中的标准要求计算出螺栓的推荐预紧力范围为F0=16500～20000N。加速器组元的材料是不锈钢,钢的材料物理参数:弹性模量EX=2.1×105MPa,泊松比ν=0.3,密度ρ=0.0076kg/cm3;密封垫片的材料是橡胶,其材料物理参数:弹性模量EX=2.82MPa,泊松比ν=0.49967,Mooney-Rivlin常数:C1=0.293MPa、C2=0.177MPa。3螺栓预紧力对同轴度的影响在推荐预紧力范围内对螺栓A到D轮流施加大于其它3个螺栓的预紧力,改变其中某个螺栓的预紧力时其它3个螺栓预紧力不变且均为最小推荐预紧力16500N。4个螺栓预紧力变化时各自对同轴度的影响见图3所示。从图3中可以看出当施加的最大预紧力为20000N时,组元轴线均在同轴度允许范围内,但组元轴线位置的变化程度不同:当20000N分别施加在水平面上的两个螺栓(螺栓B或D)上时,组元轴线变化最大,且同轴度均近似为65μm;而当20000N施加在最下面的螺栓即螺栓C上时,组元轴线变化最小,同轴度近似为33μm;当在螺栓A上施加20000N时,同轴度约为46μm。在水平方向上的两个螺栓(螺栓B、D)的预紧力变化对同轴度的影响几乎完全一样,并且施加在这两个螺栓上的预紧力对同轴度的影响最为显著。而当对最下面的螺栓即螺栓C施加大于其它螺栓的预紧力时,曲线显示螺栓C的预紧力改变对同轴度的影响最小。如果对3个螺栓同时施加最大推荐预紧力20000N,而对另外一个螺栓在推荐预紧力范围内施加小于20000N的不同预紧力,其对同轴度的影响如图4所示。水平面上的两个螺栓(螺栓B、D)各自预紧力对同轴度的影响也是几乎相同;它们的预紧力的改变对同轴度的影响仍然大于竖直方向上的两个螺栓,最下面的螺栓C的预紧力变化对同轴度的影响仍然最小。同时改变螺栓A、B的预紧力(螺栓A、B预紧力相同),而对螺栓C、D均施加预紧力16500N不变,分析同轴度此时的变化;然后对螺栓C、D的预紧力作同样的改变,而螺栓A、B施加预紧力16500N不变,双螺栓预紧力变化与同轴度的关系如图5所示。图5显示当固定螺栓C、D的预紧力不变时,改变螺栓A、B的预紧力对同轴度的影响稍大于后面一种加载情形,即固定螺栓A、B的预紧力不变时,改变螺栓C、D的预紧力。而且当螺栓A、B上的预紧力达到最大推荐预紧力时,同轴度已经达到了最大允许值75μm。4螺栓预紧力的影响重力作用下、在推荐预紧力范围内对各个螺栓同时施加相同预紧力时,轴线同轴度变化为0.005mm,与同轴度允许误差0.075mm(75μm)相比小得多,如图3、4和5所示,说明在重力和均匀预紧力作用下对同轴度不造成明显影响。不同位置的螺栓预紧力差异对同轴度的影响不同:水平面上的螺栓的预紧力与其它螺栓预紧力的差