中國散裂中子源DTL工裝設計

李繼紅， 馮光

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

0 引 言

中國散裂中子源作為“十一五”期間國家重點建設的12個重大科技基礎設施項目之首，是我國首臺脈沖型散裂中子源。該裝置在材料科學和技術、生命科學、物理學、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域具有廣泛應用前景，將為我國產生高水平的科研成果提供有力支撐，并為解決國家可持續性發展和國家戰略需求的許多瓶頸問題提供先進研究平臺[1]。DTL是CSNS直線加速器的主要組成部分，負責將負氫離子從3 MeV加速到80 MeV。其由4節長度8～9 m、內徑為0.566 m的圓柱形物理腔組成，每節物理腔又分為3段長度約3 m的機械腔體，以便于安裝和加工，腔體內含有153個全無氧銅漂移管[2]。DTL腔的組裝主要包括筒體的標定，漂移管的標定、裝入和調整，端板的標定和安裝調整，以及在隧道的整體安裝。

1 工裝設計要求

圖1 DTL外觀圖

DTL腔基體材料選用碳鋼，在內表面精加工的基礎上電鍍一層無氧銅。每節腔體約為3 m，質量約為2.3 t。在腔體內部結構組裝完成后，需要進行整腔安裝就位。由于DTL腔體在40 m范圍內要求安裝誤差控制在±0.1 mm的極高精度，且每一節腔內部安裝的漂移管均為懸臂結構，安裝不慎極易導致變形損壞，每個漂移管位置、尺寸和質量的多樣性給DTL腔的整體高平穩運輸和吊裝帶來許多難點。其內部結構的精密性要求在吊裝過程中整個腔體應保持水平狀態。基于加速器物理的要求，12節DTL腔的長度、吊點位置和重心位置都不一樣。如果每節腔體設計一套吊裝工裝則會導致效率低、工作強度高、日常維護不便等問題，也會造成經費的浪費，因此需要設計一套可以調節吊點位置、與被吊物重心匹配的主吊點位置和對被吊物進行水平調節的通用吊裝工裝，還要求結構簡單，質量不宜過重。

2 工裝結構設計

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，而舍去使用相關的索具。每節腔體的質量約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計為3 t，其主要包括主吊梁、主吊耳、2個移動吊耳及其4個可調長度的花籃螺栓副吊點、2個調節螺桿和防撞結構。

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構的彎曲剪應力及扭轉剪應力引起的主拉應力。與同截面的實腹梁相比，具有自重輕、耗材少、抗彎性好等特點，因此主吊梁采用箱形梁結構，尺寸設計為長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，根據吊鉤的尺寸加工相應的吊裝孔，為了增加強度，在吊耳的兩側增加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個花籃螺栓副吊點與被吊物（即DTL）上的吊環螺栓連接，通過表1可知，每一節DTL的兩對吊點的中心和腔的中心（質心）位置存在偏差，而吊裝要求將設備水平起吊，就需要通過調節將主吊點的位置與質心位置重合，這樣才能保證被吊物的水平吊裝。為了實現該功能，設計采用了兩個M30-630 mm的調節螺桿，通過螺桿轉動帶動移動吊耳的位置移動，從而改變主吊耳的相對位置，且其與移動吊耳采用螺紋連接，也可以防止在吊裝過程中移動吊耳的不自主滑動。與其他工裝的區別在于本方案可以實現吊點位置的連續改變，其他工裝一般都是離散型的吊點位置。此結構可以實現移動吊耳吊點間距從1010～1890 mm之間的連續調節。

圖2 吊裝工裝示意圖

為了調整DTL腔體吊裝時的水平度，與腔體直連的4個吊點采用M24的花籃螺栓，通過調節花籃螺栓的長度來控制腔體的俯仰角度以達到水平調節的目的，同時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，專門設計了用于防撞的機構。

如果在吊裝過程中始終無法調平設備，在吊裝工裝上預留了安裝配重塊的位置，可以添加配重塊進行調平。通過以上設計可以實現多種形式的設備調平工作。

3 工裝受力分析

設計的工裝額定載荷為3 t。在吊裝過程中應力最大的極限工況為兩移動吊耳間距最大(1890 mm)的時候，即每個移動吊耳承擔1.5 t載荷，因此以該工況進行受力分析。

3.1 基于材料力學的受力計算

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

當吊裝狀態平衡時，可以視主吊耳為固支點，主吊耳兩端分別為懸臂梁結構，以主吊梁的單邊進行計算。主吊梁的正應力為

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，其屈服強度為σs=345 MPa。計算得出安全系數為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。

最大撓度計算由于以主吊耳為中心，兩端對稱，可以以其中一端來進行分析，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為兩移動吊耳中心間距最大時的距離的一半，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

最大撓度數值較小，可以判定其在安全范圍內。

通過計算，得出工裝設計強度和剛度滿足使用要求。

3.2 基于有限元的受力分析

為了驗證基于材料力學計算的正確性，運用有限元分析的方法對其進行驗證分析。使用Inventor軟件繪制工裝的三維模型[5]，采用Autodesk Inventor Simulation應力分析模塊對該工裝的受力情況進行仿真。主材選用Q345A，屈服強度為345 MPa，彈性模量E=2.09×105N/mm2，泊松比為0.28[6]。

建立模型，進行網格劃分，工裝的設計額定載荷為3 t，由4個花籃螺栓副吊點與腔體上的吊環螺栓連接，將額定載荷均分到4個吊點，計算得到每個花籃螺栓吊點施加的外部載荷為7500 N，通過該軟件的仿真計算得到應力云圖和形變云圖，根據云圖可以得知工裝各部分的應力應變情況、最大應力和最大形變的位置。

Von Mises是一種屈服準則，屈服準則的值我們通常叫等效應力，它遵循材料力學第四強度理論。通過圖3可以得出主吊梁的最大等效應力為52.4 MPa，計算可得主吊梁的安全系數可達到6.6，同時可以看出，在主吊耳邊緣處由于局部應力集中，應力水平達到112 MPa，由于其位置較邊緣對整體影響較小，可以不考慮。主吊梁的應力水平較基于材料力學的方法計算得出的結果略小，強度滿足要求。由圖4可以得出形變最大情況在工裝的兩端，最大形變為2.33 mm，與3.1節計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 等效應力云圖

圖4 形變云圖

4 工程實踐驗證

在經過結構的設計和應力、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目中進行了實踐驗證。在吊裝過程中主吊點位置和被吊物質心能夠很好地調整對位，被吊物水平度的調整都達到了預期效果。在吊點位置變化和質心位置不同的情況下，實現了吊點間距從1010～1890 mm之間的連續調節，順利完成了12節DTL腔體的安裝工作，經過準直系統的測量，安裝質量達到了設計指標。

5 結 論

DTL是中國散裂中子源關鍵設備之一，腔體內部結構精密，安裝精度要求高，因此設計適用的吊裝工裝是保證設備順利安裝的前提。通過對DTL腔體吊裝要求的分析，確定了整體方案，設計了一種可以連續調節吊點位置和水平度的工裝，經過力學計算和有限元分析互相印證，驗證了設計的正確性，并通過工程實際進行檢驗，說明該結構合理可行。工裝使用方便、通用性強，提高了工作效率和安裝質量，同時也節省了工程經費。