李繼紅， 馮光

(1.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞523808；2.中國科學(xué)院高能物理研究所 東莞分部，廣東 東莞523803)

0 引 言

中國散裂中子源作為“十一五”期間國家重點(diǎn)建設(shè)的12個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之首，是我國首臺(tái)脈沖型散裂中子源。該裝置在材料科學(xué)和技術(shù)、生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，將為我國產(chǎn)生高水平的科研成果提供有力支撐，并為解決國家可持續(xù)性發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求的許多瓶頸問題提供先進(jìn)研究平臺(tái)[1]。DTL是CSNS直線加速器的主要組成部分，負(fù)責(zé)將負(fù)氫離子從3 MeV加速到80 MeV。其由4節(jié)長度8～9 m、內(nèi)徑為0.566 m的圓柱形物理腔組成，每節(jié)物理腔又分為3段長度約3 m的機(jī)械腔體，以便于安裝和加工，腔體內(nèi)含有153個(gè)全無氧銅漂移管[2]。DTL腔的組裝主要包括筒體的標(biāo)定，漂移管的標(biāo)定、裝入和調(diào)整，端板的標(biāo)定和安裝調(diào)整，以及在隧道的整體安裝。

1 工裝設(shè)計(jì)要求

圖1 DTL外觀圖

DTL腔基體材料選用碳鋼，在內(nèi)表面精加工的基礎(chǔ)上電鍍一層無氧銅。每節(jié)腔體約為3 m，質(zhì)量約為2.3 t。在腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組裝完成后，需要進(jìn)行整腔安裝就位。由于DTL腔體在40 m范圍內(nèi)要求安裝誤差控制在±0.1 mm的極高精度，且每一節(jié)腔內(nèi)部安裝的漂移管均為懸臂結(jié)構(gòu)，安裝不慎極易導(dǎo)致變形損壞，每個(gè)漂移管位置、尺寸和質(zhì)量的多樣性給DTL腔的整體高平穩(wěn)運(yùn)輸和吊裝帶來許多難點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密性要求在吊裝過程中整個(gè)腔體應(yīng)保持水平狀態(tài)?；诩铀倨魑锢淼囊?，12節(jié)DTL腔的長度、吊點(diǎn)位置和重心位置都不一樣。如果每節(jié)腔體設(shè)計(jì)一套吊裝工裝則會(huì)導(dǎo)致效率低、工作強(qiáng)度高、日常維護(hù)不便等問題，也會(huì)造成經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)，因此需要設(shè)計(jì)一套可以調(diào)節(jié)吊點(diǎn)位置、與被吊物重心匹配的主吊點(diǎn)位置和對(duì)被吊物進(jìn)行水平調(diào)節(jié)的通用吊裝工裝，還要求結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量不宜過重。

2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于安裝位置所用吊車起升高度的限制，需要吊車吊鉤與工裝主吊耳直接連接，而舍去使用相關(guān)的索具。每節(jié)腔體的質(zhì)量約2.3 t，且安裝位置吊車額定載荷為3 t，因此該工裝額定載荷設(shè)計(jì)為3 t，其主要包括主吊梁、主吊耳、2個(gè)移動(dòng)吊耳及其4個(gè)可調(diào)長度的花籃螺栓副吊點(diǎn)、2個(gè)調(diào)節(jié)螺桿和防撞結(jié)構(gòu)。

鑒于箱形截面具有良好的抗彎和抗扭特性，箱形截面的頂板和底板是提供抗彎能力的主要部位，箱梁腹板主要承受結(jié)構(gòu)的彎曲剪應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力引起的主拉應(yīng)力。與同截面的實(shí)腹梁相比，具有自重輕、耗材少、抗彎性好等特點(diǎn)，因此主吊梁采用箱形梁結(jié)構(gòu)，尺寸設(shè)計(jì)為長2660 mm、寬120 mm、高160 mm，采用厚度為10 mm的Q345A板材焊接而成。

主吊耳采用15 mm的Q345A鋼板制作而成，由于其與吊車吊鉤直接相連，根據(jù)吊鉤的尺寸加工相應(yīng)的吊裝孔，為了增加強(qiáng)度，在吊耳的兩側(cè)增加4塊筋板。主吊耳通過雙面焊接方式固定在主梁的中心位置。

4個(gè)花籃螺栓副吊點(diǎn)與被吊物（即DTL）上的吊環(huán)螺栓連接，通過表1可知，每一節(jié)DTL的兩對(duì)吊點(diǎn)的中心和腔的中心（質(zhì)心）位置存在偏差，而吊裝要求將設(shè)備水平起吊，就需要通過調(diào)節(jié)將主吊點(diǎn)的位置與質(zhì)心位置重合，這樣才能保證被吊物的水平吊裝。為了實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)M30-630 mm的調(diào)節(jié)螺桿，通過螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)移動(dòng)吊耳的位置移動(dòng)，從而改變主吊耳的相對(duì)位置，且其與移動(dòng)吊耳采用螺紋連接，也可以防止在吊裝過程中移動(dòng)吊耳的不自主滑動(dòng)。與其他工裝的區(qū)別在于本方案可以實(shí)現(xiàn)吊點(diǎn)位置的連續(xù)改變，其他工裝一般都是離散型的吊點(diǎn)位置。此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)吊耳吊點(diǎn)間距從1010～1890 mm之間的連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖2 吊裝工裝示意圖

為了調(diào)整DTL腔體吊裝時(shí)的水平度，與腔體直連的4個(gè)吊點(diǎn)采用M24的花籃螺栓，通過調(diào)節(jié)花籃螺栓的長度來控制腔體的俯仰角度以達(dá)到水平調(diào)節(jié)的目的，同時(shí)也可以減少索具使用，有效降低起升高度。

為了防止吊具與DTL腔體上的漂移管水冷卻管道碰撞，專門設(shè)計(jì)了用于防撞的機(jī)構(gòu)。

如果在吊裝過程中始終無法調(diào)平設(shè)備，在吊裝工裝上預(yù)留了安裝配重塊的位置，可以添加配重塊進(jìn)行調(diào)平。通過以上設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多種形式的設(shè)備調(diào)平工作。

3 工裝受力分析

設(shè)計(jì)的工裝額定載荷為3 t。在吊裝過程中應(yīng)力最大的極限工況為兩移動(dòng)吊耳間距最大(1890 mm)的時(shí)候，即每個(gè)移動(dòng)吊耳承擔(dān)1.5 t載荷，因此以該工況進(jìn)行受力分析。

3.1 基于材料力學(xué)的受力計(jì)算

主吊梁是整套工裝的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度直接關(guān)系到整個(gè)工裝的安全性，因此需要重點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核[3]。該工裝主吊梁采用箱型梁結(jié)構(gòu)，其抗彎截面系數(shù)w=(BH3-bh3)/（6H）=(100×1603-80×1403)÷(6×160)=19800 mm3=0.000198 m3。

當(dāng)?shù)跹b狀態(tài)平衡時(shí)，可以視主吊耳為固支點(diǎn)，主吊耳兩端分別為懸臂梁結(jié)構(gòu)，以主吊梁的單邊進(jìn)行計(jì)算。主吊梁的正應(yīng)力為

σ=M/W=[1.5×1000×10×(1.89÷2)]÷0.000198=71.6 MPa。

箱型主梁的材料選用Q345A，其屈服強(qiáng)度為σs=345 MPa。計(jì)算得出安全系數(shù)為δ=σs/σ=345÷71.6=4.8。

因此在額定載荷的情況下符合安全要求。

最大撓度計(jì)算由于以主吊耳為中心，兩端對(duì)稱，可以以其中一端來進(jìn)行分析，將其簡化為懸臂梁在簡單載荷下的形變：

式中：受力F為工裝額定載荷下的一半，即F=(3×1000×10)÷2=15000 N；a為兩移動(dòng)吊耳中心間距最大時(shí)的距離的一半，即a=1890÷2=945 mm；l為工裝總長度的一半，即1330 mm；由于工裝主梁選用的材料為Q345A，其彈性模量E=2.09×105N/mm2；空心矩形截面的彎曲慣性矩[4]為I=(BH3-bh3)/12=(100×1603-80×1403)÷12=158 400 00 mm4。

則工裝的最大撓度為

最大撓度數(shù)值較小，可以判定其在安全范圍內(nèi)。

通過計(jì)算，得出工裝設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

3.2 基于有限元的受力分析

為了驗(yàn)證基于材料力學(xué)計(jì)算的正確性，運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證分析。使用Inventor軟件繪制工裝的三維模型[5]，采用Autodesk Inventor Simulation應(yīng)力分析模塊對(duì)該工裝的受力情況進(jìn)行仿真。主材選用Q345A，屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量E=2.09×105N/mm2，泊松比為0.28[6]。

建立模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，工裝的設(shè)計(jì)額定載荷為3 t，由4個(gè)花籃螺栓副吊點(diǎn)與腔體上的吊環(huán)螺栓連接，將額定載荷均分到4個(gè)吊點(diǎn)，計(jì)算得到每個(gè)花籃螺栓吊點(diǎn)施加的外部載荷為7500 N，通過該軟件的仿真計(jì)算得到應(yīng)力云圖和形變?cè)茍D，根據(jù)云圖可以得知工裝各部分的應(yīng)力應(yīng)變情況、最大應(yīng)力和最大形變的位置。

Von Mises是一種屈服準(zhǔn)則，屈服準(zhǔn)則的值我們通常叫等效應(yīng)力，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論。通過圖3可以得出主吊梁的最大等效應(yīng)力為52.4 MPa，計(jì)算可得主吊梁的安全系數(shù)可達(dá)到6.6，同時(shí)可以看出，在主吊耳邊緣處由于局部應(yīng)力集中，應(yīng)力水平達(dá)到112 MPa，由于其位置較邊緣對(duì)整體影響較小，可以不考慮。主吊梁的應(yīng)力水平較基于材料力學(xué)的方法計(jì)算得出的結(jié)果略小，強(qiáng)度滿足要求。由圖4可以得出形變最大情況在工裝的兩端，最大形變?yōu)?.33 mm，與3.1節(jié)計(jì)算得出的最大撓度一致，且形變量很小，說明形變方面符合要求。

圖3 等效應(yīng)力云圖

圖4 形變?cè)茍D

4 工程實(shí)踐驗(yàn)證

在經(jīng)過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)力、形變校核后，完成工裝的加工制造，在中國散裂中子源工程項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。在吊裝過程中主吊點(diǎn)位置和被吊物質(zhì)心能夠很好地調(diào)整對(duì)位，被吊物水平度的調(diào)整都達(dá)到了預(yù)期效果。在吊點(diǎn)位置變化和質(zhì)心位置不同的情況下，實(shí)現(xiàn)了吊點(diǎn)間距從1010～1890 mm之間的連續(xù)調(diào)節(jié)，順利完成了12節(jié)DTL腔體的安裝工作，經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)的測量，安裝質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié) 論

DTL是中國散裂中子源關(guān)鍵設(shè)備之一，腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，安裝精度要求高，因此設(shè)計(jì)適用的吊裝工裝是保證設(shè)備順利安裝的前提。通過對(duì)DTL腔體吊裝要求的分析，確定了整體方案，設(shè)計(jì)了一種可以連續(xù)調(diào)節(jié)吊點(diǎn)位置和水平度的工裝，經(jīng)過力學(xué)計(jì)算和有限元分析互相印證，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，并通過工程實(shí)際進(jìn)行檢驗(yàn)，說明該結(jié)構(gòu)合理可行。工裝使用方便、通用性強(qiáng)，提高了工作效率和安裝質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)省了工程經(jīng)費(fèi)。