為實現(xiàn)快速遠距離操作，大口徑六片式卡箍快卸鏈條結(jié)構(gòu)被用于CSNS/RCS橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)。考慮接觸非線性和材料非線性，本文使用ANSYS，首次從理論上分析了該快卸鏈條在單片鏈條不同角度時對密封性能的影響，同時以做實驗用的鋁墊圈為研究對象得出了該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)密封所需擰緊力矩的范圍。通過CSNS /RCS 主準(zhǔn)直器中六片式卡箍快卸鏈條KF300 的使用，驗證了該結(jié)構(gòu)密封的可行性及理論分析的可靠性，為次準(zhǔn)直器中真空快卸鏈條的結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封所需擰緊力矩的大小提供了理論基礎(chǔ)。

　　中國散裂中子源(CSNS) 是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，它主要包括一80 MeV 直線注入器、1.6 GeV 快循環(huán)同步加速器( RCS) 、中子靶站和中子譜儀。其中橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)是CSNS /RCS 的關(guān)鍵設(shè)備之一，它包含一個主準(zhǔn)直器和四個次準(zhǔn)直器，用于消除不在預(yù)定軌道或動量有偏差的質(zhì)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(zhǔn)直器內(nèi)吸收，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為束流準(zhǔn)直系統(tǒng)的工作原理決定了其工作在高輻射區(qū)域。

　　為了保證維護人員的操作安全，在設(shè)計時要充分考慮束流準(zhǔn)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(zhǔn)直器一定距離時，快速將準(zhǔn)直器與兩端設(shè)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(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行了分析，六片式卡箍快卸鏈條的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 遠程快卸裝置結(jié)構(gòu)

　　本文首先從實現(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(zhǔn)直器中KF300 快卸鏈條超高真空的實現(xiàn)，為次準(zhǔn)直器中快卸鏈條的使用提供了理論依據(jù)。

1、法蘭與墊片相互作用的有限元分析

　　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(dāng)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。

圖2 法蘭與墊片截面圖

　　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(nèi)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(guān)系為

　　式中，r 為墊片與法蘭的接觸點到墊片中心的距離。考慮墊片的壓緊和放松，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(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0.2 mm 時墊片變形量與其反作用力的關(guān)系。

圖3 墊片的變形量與其反作用力的曲線圖

　　從圖中可以看出，當(dāng)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(fù)，此時墊片發(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，通常其單邊變形量為0.15 ～ 0.2 mm 時達到密封狀態(tài)，圖4 所示為墊片在位移加載量為0.2 mm 時的應(yīng)變與應(yīng)力云圖。

4、實驗驗證

　　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6.1 × 10 ^-7 Pa，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28 N·m 時，六片式卡箍快卸鏈條的噴檢漏率在3. 5 × 10 ^-11 Pa·m³ /s，在機械泵的作用下真空度為0.25 Pa。

圖7 主準(zhǔn)直器中KF300 快卸鏈條結(jié)構(gòu)

5、結(jié)論

　　本文通過使用ANSYS，以CSNS/RCS 主準(zhǔn)直器中KF300 快卸鏈條為分析對象，將卡箍六片式快卸鏈條密封的實現(xiàn)進行分部分析，得出KF300 六片式卡箍快卸鏈條在單片鏈條角度為40°時密封效果最好，同時得出了密封所需力矩的合適范圍。通過對主準(zhǔn)直器中KF300六片式卡箍快卸鏈條的真空檢漏，驗證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及分析的可靠性，為次準(zhǔn)直器中快卸鏈條的設(shè)計及使用提供了理論依據(jù)。