大口徑光學(xué)模塊在線(xiàn)拆裝防卡死故障的技術(shù)研究

蘇春洲 高 東 李銀剛 白 斌 譚 寧 趙遠(yuǎn)情

（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽(yáng) 621900）

大型激光裝置是研究高能量密度物理技術(shù)的重要設(shè)備，具有規(guī)模宏大、多學(xué)科交叉、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等突出特點(diǎn)[1]。為了進(jìn)行高能量密度物理技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)外相繼建造了一些大型激光裝置，其中最具代表性的是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）。此外，國(guó)內(nèi)上海光機(jī)所也建造了相關(guān)裝置[2]。

1 研究背景

某大型激光裝置終端光學(xué)組件OM1類(lèi)模塊的在線(xiàn)潔凈、高效率安裝與維護(hù)是終端光學(xué)組件穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的必要條件[3]。隨著激光裝置不斷完成多發(fā)次、高通量的打靶實(shí)驗(yàn)，大口徑光學(xué)元件模塊需要及時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)維護(hù)更換，以保證優(yōu)異的光束質(zhì)量和極高的能量密度[4]。大口徑光學(xué)元件模塊在線(xiàn)更換過(guò)程中，通常采用潔凈轉(zhuǎn)運(yùn)箱和終端光學(xué)組件進(jìn)行對(duì)接[5]。光學(xué)模塊利用兩者軌道連接實(shí)現(xiàn)其在線(xiàn)更換，如圖1所示。原有的終端光學(xué)組件OM1類(lèi)模塊在線(xiàn)潔凈拆裝設(shè)備中的光學(xué)元器件在潔凈箱內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)，由于光學(xué)元器件的質(zhì)量大，作用界面間的摩擦力較大，運(yùn)動(dòng)空間狹小，順暢性差，導(dǎo)致光學(xué)元器件在轉(zhuǎn)移過(guò)程中存在卡死故障。卡死故障與光學(xué)元件的安全緊密相關(guān)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件的破損甚至碎裂[6]，如圖2所示。光學(xué)元件微小的破損或碎裂是終端光學(xué)組件內(nèi)顆粒污染物的主要來(lái)源，而光學(xué)元件嚴(yán)重的破損或碎裂將直接導(dǎo)致元件失效。針對(duì)光學(xué)元件模塊在線(xiàn)維護(hù)過(guò)程中的卡死故障問(wèn)題，需要分析光學(xué)模塊與潔凈箱或終端內(nèi)的軌道之間相互作用，減少光學(xué)模塊與軌道之間的界面作用力，降低光學(xué)模塊在拆裝過(guò)程中出現(xiàn)的卡死故障頻率。

圖1 潔凈轉(zhuǎn)運(yùn)箱軌道與光學(xué)模塊在終端上的拆裝過(guò)程

圖2 光學(xué)元件卡死造成的碎裂現(xiàn)象

2 光學(xué)元件卡死故障分析

光學(xué)元件的脆性大，在受到外力作用且沒(méi)有緩沖的條件下極易損傷。為了增加緩沖效果，可以在光學(xué)模塊與潔凈箱接觸部位增加橡膠墊圈。但是，由于這些具有緩沖效果的墊圈會(huì)增加與光學(xué)元器件間的摩擦力，極易變形，大大增加了光學(xué)元器件出現(xiàn)卡死故障的頻率。當(dāng)前，在某些潔凈轉(zhuǎn)運(yùn)箱中安裝有聚四氟乙烯軌道，以增加光學(xué)模塊插拔的順暢性。然而，經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)相對(duì)較軟的聚四氟乙烯與不銹鋼光學(xué)模塊框體之間也容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)卡滯現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生卡死故障。預(yù)防光學(xué)模塊的卡死故障是實(shí)現(xiàn)靶場(chǎng)安全運(yùn)維的基本保障，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

3 防卡死故障方案設(shè)計(jì)

針對(duì)某大型激光裝置的光學(xué)元件模塊在拆裝過(guò)程中存在的卡死故障問(wèn)題，詳細(xì)分析造成卡死故障的原因，并在此基礎(chǔ)上提出降低卡死故障頻率的“滾輪驅(qū)動(dòng)”方式，通過(guò)選擇合適的滾輪材料和運(yùn)動(dòng)界面的摩擦特性有效調(diào)控措施，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件模塊的有效插拔和拆裝。結(jié)合現(xiàn)役某大型激光裝置終端的光學(xué)模塊拆裝運(yùn)維作業(yè)，對(duì)上述方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以提高現(xiàn)役裝置光學(xué)元件維護(hù)過(guò)程的安全性。項(xiàng)目提出了一種基于“滾輪驅(qū)動(dòng)+界面調(diào)控”光學(xué)模塊拆裝防卡死技術(shù)，解決了光學(xué)模塊在線(xiàn)拆除或安裝過(guò)程中的卡死故障難題，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化仿真、摩擦的計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)途徑優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，可為后續(xù)大型激光裝置光學(xué)模塊的安全維護(hù)提供依據(jù)。

光學(xué)元器件在潔凈箱內(nèi)轉(zhuǎn)移過(guò)程中摩擦力過(guò)大，致使光學(xué)元器件出現(xiàn)卡死故障，且光學(xué)元件要保持潔凈狀態(tài)，不能使用任何固體或者液體潤(rùn)滑劑減少接觸面間的摩擦力，可以采用安裝滾輪的方式實(shí)現(xiàn)接觸副間的直線(xiàn)滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。設(shè)計(jì)中可以調(diào)整界面材料從“軟-硬接觸界面”到“硬-硬接觸界面”，降低接觸面間的摩擦系數(shù)。這種技術(shù)方案可以減少光學(xué)元件軟硬界面接觸的卡滯現(xiàn)象，也可以改變接觸副的設(shè)計(jì)。例如，采用“三明治”結(jié)構(gòu)，接觸面采用“硬-硬接觸界面”，在接觸面與基體接觸間放置緩沖元器件，降低元器件受到的沖擊力。綜合上述解決方案，最終確定“滾輪驅(qū)動(dòng)+界面調(diào)控”的方式可以降低發(fā)生卡死故障的頻率，如圖3所示。

圖3 滾輪驅(qū)動(dòng)的技術(shù)方案

分析大口徑光學(xué)元器件與潔凈箱間作用力過(guò)大、潔凈箱運(yùn)行過(guò)程的沖擊損傷以及轉(zhuǎn)移過(guò)程的碰撞損傷等危險(xiǎn)源項(xiàng)發(fā)生的條件，詳細(xì)分析風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，總結(jié)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制措施。針對(duì)典型的滾輪安裝方式進(jìn)行力學(xué)分析建模，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等相關(guān)分析，得出驅(qū)動(dòng)力隨著光學(xué)元器件重量變化的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究驅(qū)動(dòng)力隨著位移的變化規(guī)律，分析驅(qū)動(dòng)力是否存在大幅度變化現(xiàn)象，并分析在不同驅(qū)動(dòng)力條件下采用有限元分析光學(xué)模塊的變形和應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，采用ANSYS軟件進(jìn)行沖擊分析，研究卡死和非卡死狀態(tài)下光學(xué)元件的形變量分布，結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，在非卡死狀態(tài)下，光學(xué)元件的變形主要集中在與滑輪接觸的四角，最大應(yīng)力為4.44×105Pa，應(yīng)變?yōu)?.67×10-6Pa。從圖5可以看出，在卡死狀態(tài)下，光學(xué)元件的應(yīng)力主要集中在卡死的單邊與滑輪接觸的地方，最大應(yīng)變?yōu)?.57×10-5Pa，且該值會(huì)隨著插拔過(guò)程中用力的增大而增大。

圖4 水平放置下光學(xué)元件應(yīng)力及應(yīng)變分析

圖5 卡死狀態(tài)下光學(xué)元件應(yīng)力及應(yīng)變分析

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程需要保證在大重量光學(xué)模塊的壓力下仍能夠保證光學(xué)模塊良好的直線(xiàn)運(yùn)行效果，減少由于驅(qū)動(dòng)輪和軌道變形導(dǎo)致的光學(xué)元器件的卡死故障問(wèn)題。借助有限元分析手段，分析在不同作用力下驅(qū)動(dòng)輪的變形情況，保證驅(qū)動(dòng)輪的順暢運(yùn)行。由于光學(xué)元件在轉(zhuǎn)移過(guò)程中無(wú)法保證水平與垂直狀態(tài)，采用有限元分析方法分析在不同傾斜角度下光學(xué)模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的作用力、驅(qū)動(dòng)輪變形情況以及所需驅(qū)動(dòng)力大小，保證在不同傾斜角度下驅(qū)動(dòng)輪仍具有良好的運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)合某現(xiàn)役大型裝置的光學(xué)元器件轉(zhuǎn)移潔凈箱對(duì)上述理論進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)理論分析的不同條件進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件在線(xiàn)維護(hù)過(guò)程“零卡死故障率”的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大型激光裝置運(yùn)維過(guò)程中的大口徑光學(xué)模塊在線(xiàn)拆裝存在的卡死故障進(jìn)行分析，提出采用“滾輪驅(qū)動(dòng)+界面調(diào)控”的光學(xué)模塊拆裝防卡死技術(shù)，采用ANSYS軟件進(jìn)行沖擊分析，同時(shí)結(jié)合集束式終端復(fù)雜的拆裝環(huán)境和替換現(xiàn)有的潔凈轉(zhuǎn)運(yùn)箱軌道進(jìn)行測(cè)試，對(duì)項(xiàng)目的技術(shù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，提高了大口徑光學(xué)元件在線(xiàn)維護(hù)的安全性。