反射譜儀的機械設計-indico

1、中級職稱競聘報告吳延巖2013.07,主要內容,一、個人簡介二、主要工作：反射譜儀的機械設計 2.1 穿墻管的設計 2.2 中子傳輸系統(tǒng)的設計,2,2.2.1 三種導管的設計和調研2.2.2 和束線設備接口的設計2.3第二shutter的設計2.4 屏蔽體的設計,三、其他工作,3.1 模型的設計和加工3.2 標準零部件的調研和采購3.3 接待并組織導管公司來高能所訪問

2、,四、論文和專利的發(fā)表情況,一、個人簡介,20011.7——今 高能所（正式職工）負責多功能反射譜儀的機械設計2009.09 – 20011.07 東北大學/化工過程機械/(研究生)（保送）主要課程：高等傳熱學、數值分析、機械振動理論基礎及其應用、工程問題的數學模型、計算流體力學及應用等。主要研究方向：涂層的減振性能2005.09 – 2009.07 東北大學/過程裝備與控制工程/(

3、本科)主要課程：工程力學，流體力學，機械工程控制基礎,熱工基礎，機械設計，機電一體化系統(tǒng)設計，公差，過程裝備控制，真空技術基礎等。,束線前端,前端束線整體布局圖,從慢化器開始依次是第一束線開關，穿墻管，三個帶寬斬波器，一個第二中子束線開關。設備之間的部分是中子導管 整個導管系統(tǒng)的準直安裝精度是0.05mm，導管理論中心束線海拔高度是1.661m。 目前，已經完成了反射譜儀的整體方案評審。,機械設計之穿墻管的

4、設計,穿墻管全圖,安裝精度：0.05mm。,據調研，目前，穿墻管有兩種調節(jié)方案，是和準直設備以及導管公司相關的。 方案一：通過屏蔽墻內調節(jié)機構對導管插件整體進行調節(jié)，這方案會用到內外基準的坐標轉移，所以會用到準直設備激光追蹤儀。 方案二： 屏蔽墻內的調節(jié)機構起到支撐作用，利用前端后的調節(jié)螺釘直接對導管進行調節(jié)。用到的準直儀器是經緯儀。,穿墻管設計之準直方案一,方法一：采用激光追蹤儀，基準轉移的方案1，將屏蔽墻內的調節(jié)機構放到

5、工件架上。把彎導管插件放到調節(jié)機構上。把靶標座固定到調節(jié)板上，測出導管中心相對于靶標座的位置坐標，將導管中心的坐標轉移到調節(jié)板上的靶標座上。2，取下彎導管插件，把屏蔽墻內調節(jié)機構放到屏蔽墻里面，調節(jié)水平和豎直調節(jié)機構，使調節(jié)板上的靶標座位于理論位置。3，把彎導管插件放到輔助安裝工件架上，調節(jié)安裝小車上的調節(jié)機構，使內外的導軌系統(tǒng)對中。通過滑塊和導軌把彎導管插件推到屏蔽墻里面，通過定位銷可以實現豎線方向上的定位,穿墻管設計之準直方案二

6、,調節(jié)時導管的位置,測量時導管的位置,方法二：利用經緯儀進行調節(jié)。1，把屏蔽墻內調節(jié)系統(tǒng)直接安裝到屏蔽墻里，把輔助安裝工件架放到束線位置上并且把彎導管插件安裝到上面。2，彎導管前端的束窗法蘭和后端的密封帽取下，利用前端和后端的六點定位螺釘進行調節(jié)經緯儀進行角度測量，把彎導管插件安裝到束線位置。3，完成后，把小車上的彎導管插件安裝到推到屏蔽墻里的調節(jié)機構上面。進行測量，如果達到安裝精度，安裝完成，如果沒有，把彎導管插件拉出來，進行2

7、步驟。直到達到安裝位置精度。一般導管公司會進行2-3次重復操作。,穿墻管設計之綜合后方案,穿墻管,我們把屏蔽墻內調節(jié)機構和導管的調節(jié)都設計了進去。這樣，不管采用什么樣的設備進行調節(jié)，都可以把另外一部分調節(jié)作為輔助調節(jié)。采用單根導軌定位，另一根導軌起支撐作用。 另外，采用了定位銷對沿束線方向進行定位,穿墻管設計之維護,彎導管插件,參考第一中子開關在安裝時對彎導管插件進行測量，制作成標準數據，下次更換時直接利用輔助安裝工件架把標準件安

8、裝到屏蔽墻內即可。不需要進行二次準直,對于穿墻管的設計方案，我們征詢了導管公司mirrotron的意見。對方持肯定的意見。,中子傳輸系統(tǒng)之水泥地臺,整個前端束線,水泥平臺的下面采用固定水泥澆筑，前端設計成活動屏蔽塊，長度4.35m，足夠提供穿墻管更換空間。 水泥塊預埋鋼板厚度50mm，保證一定的平整度。根據斬波器尺寸，寬度960mm。水泥塊和支架之間是過渡板，彎導管處過渡板厚度200mm，其他導管150mm，提供導管設計余量。

9、過渡板上后期打螺紋孔對支架進行精確定位。,中子傳輸系統(tǒng)之水泥地臺,前端束線水泥地臺,目前該方案設計圖紙已經交給相關部門。,水泥地臺設計圖紙,中子傳輸系統(tǒng)之屏蔽墻外前端束線,www.themegallery.com,導管系統(tǒng)從距離慢化器2.38m開始，依次是第一束線開關內導管插件（1.84m直導管），然后是4m的彎導管，4.35m的直導管，4.25m的聚焦導管 目前世界上成熟的導管機構只有兩家，mirrotron和swissneu

10、tronic我們充分調研了兩家導管公司導管的機械機構、準直方案、連接方式等。以此為基礎提出我們自己的設計方案。,反射譜儀導管需求表,右圖是多功能反射譜儀所需要的導管的技術指標。,第一中子束線開關部分,www.themegallery.com,這個開關內有我們的第一段直導管。我們需要在明確第一shutte 結構，精度，安裝方案等的基礎上，和導管公司進行協(xié)商。居中協(xié)調制定合適的方案。 右圖是導管公司給出的插件模型。,導管的基本結構,

11、www.themegallery.com,導管的基本結構由內向外依次是超鏡涂層、玻璃、金屬。金屬層提供真空環(huán)境。玻璃和金屬之間有一定的間隙。通常是2mm左右。有的導管公司可以做到0.3mm。 導管的外部是調節(jié)支架，根據設備儀器和準直方案的不同，金屬層上會有螺釘，起到固定或者調節(jié)的作用,中子傳輸系統(tǒng)之直導管,右圖mirrotron導管公司能夠提供的兩種導管，下面是傳統(tǒng)的直導管，真空殼體里是玻璃和超鏡，調節(jié)機構是殼體上快卸法蘭中的螺

12、釘和下面的支架。 右上圖是一種叫做三明治結構的新式導管，外面的殼體是真空焊接密封。玻璃和金屬殼體的間隙是0.3mm。調節(jié)方式采用圖中的框型調節(jié)支架整體進行調節(jié)。 導管之間的連接方法可以是束窗法蘭連接或者固定法蘭連接。采用經緯儀進行準直安裝。,直導管,新式導管,傳統(tǒng)導管,中子傳輸系統(tǒng)之直導管,這個swissneutronic導管公司可以提供的導管的模型。類似上圖。金屬密封殼體和玻璃之間的距離是2mm。這個還是傳統(tǒng)導管的

13、一種。 殼體的調節(jié)是通過框架進行。金屬殼體和超鏡之間還有調節(jié)螺釘進行同軸和固定。他們的連接傾向于兩種方式：1，端部束窗法蘭 2，波紋管。束窗法蘭中心厚度是0.5mm。沿束線方向，玻璃端面距離束窗法蘭內側面是1mm。 這種連接和他們的準直方案是相關聯(lián)的：他們利用激光追蹤儀進行定位。殼體上面有靶標座。,中子傳輸系統(tǒng)之彎導管,,彎導管總長4米，分成兩段，一段位于穿墻管內部，一段位于第一、二斬波器之間。導管曲率半徑90m，

14、內部尺寸40x60mm，6通道。真空殼體的前后端有調節(jié)螺釘，側面兩個，頂面和地面各一個。頂部設有靶標座，外部有框型調節(jié)支架。,中子傳輸系統(tǒng)之彎導管,彎導管,Mirrtron： 該公司的彎導管外面有厚重的屏蔽體，有數噸重。同時也是真空殼體。調節(jié)方法是： 1，內部導管進行預準直，然后再外面利用支架調節(jié)殼體。 2，在屏蔽快上開調節(jié)孔道進行內部導管的調節(jié)，然后密封。外面的殼體仍然用支架之類的平移機械機構調節(jié)。,關

15、于支架,經過幾種支架的設計嘗試，我們最終選定這種最簡單、調節(jié)方式直接的支架。 曾經參與SNS反射譜儀設計的Frank也認同我們的想法。 兩家導管公司對我們的支架持認可態(tài)度。,中子傳輸系統(tǒng)之和束線設備的連接方案,第二束線開關內部插件和兩側導管之間有10mm的間隙，這是運動間隙。和上下游導管之間采用焊接波紋管連接，間隙是5mm，這是吊裝間隙。另外，導管可以選擇加束窗或者不加束窗。,（一） 和第二shutrter的連接方案,（二）

16、和斬波器的連接方案之束窗連接,www.themegallery.com,束窗法蘭采用鋁材制作，采用中間凹陷的臺階結構，中心厚度小于0.5mm。在該設計方案中，斬波器和導管都分別采用束窗密封。斬波器兩側束窗的距離是50mm，而導管端面和束窗的距離是1.5mm，這樣斬波器兩側中子導管端面之間的距離是53mm。優(yōu)點： 導管和斬波器分別密封，準直、安裝和維護都不會相互干涉。缺點：會增加中子損失。,斬波器連接方案之固定法蘭連接,導管的端部和斬波

17、器的殼體采用固定法蘭的形式連接，橡膠圈密封。殼體內部的玻璃和超鏡進入斬波器的殼體?？梢赃x擇使斬波器和導管真空連通或者不連通 優(yōu)點：這樣可以大大減少斬波器兩側的導管端面之間的距離。僅有23mm，減少中子損失。缺點：會對導管的準直安裝和維護產生影響。但是目前swissneutronic不認可這種連接方案。Mirrotron是認可的。,最終斬波器連接方案之波紋管連接,24,經過和兩個導管公司的多次協(xié)商和確認，以及斬波器組的討論，我們最終

18、決定和斬波器的連接采用波紋管的方案。 優(yōu)點： 兩個導管公司都認可，而且導管深入斬波器殼體內部，相鄰導管之間的間隙只有23mm。最大限度的減少了中子的損失。斬波器和導管獨立準直，互不干涉。 缺點： 相對于另外兩種方案，焊接波紋管的價格稍高,導管維護,www.themegallery.com,首先，導管損壞的幾率比較低。如果損壞需要更換時，1，第一中子開關處，直接更換整個插件。2，穿墻管處，更換整個彎導管插件。3，對于后面

19、的導管部分，需要從第二shuttre開始拆卸，一直到損壞的導管位置。,中子傳輸系統(tǒng)進展,26,和導管公司技術溝通和協(xié)商,,確定導管的基本模型和連接方案等,,簽訂合同,,導管公司細化方案，給出相關文檔和圖紙,,聯(lián)合設計，確定最終方案和加工圖紙,,產品加工,已經完成： 1，和兩家導管公司進行技術上的協(xié)商和溝通。確定了前端束線三種導管的基本模型以及和束線設備的連接方案。 2，明確了整個導管的采購流程。編寫了中子傳輸系統(tǒng)的技術標書

20、。 3，取得兩家導管公司的整體報價，并且對報價單中的技術部分進行了溝通 和協(xié)商下面的任務： 進入競爭性談判的采購程序，簽訂合同，聯(lián)合設計。,機械設計之第二中子束線開關,www.themegallery.com,基本參數 位置：距離慢化器12m處，離直射中子線最近距離127mm，電機位于直視線的另一側。 轉臺轉動精度：0.002°。 切換形式：分為開和關兩種狀態(tài)，90

21、6;往復運動 時間; 20s。 工作環(huán)境： 1pa 以編碼器為核心控制系統(tǒng)，機械限位開關為輔助控制系統(tǒng)，并配有機械擋塊防止轉動過位。整個設備獨立抽真空，獨立設置控制系統(tǒng)。,第二shutter的工作內容,www.themegallery.com,已經完成的工作 1，完成了模型的詳細設計并且對零部件和整體的結構做了很多的改進 2，完成了初步的工程出圖。 3，對標準的零部件進行了充分的調研。 4，對

22、整個shutter的承載部件進行了的模擬計算。 5，編寫了第二shutter 的詳細設計說明書。 下一步工作： 完成評審，進行招標采購,第二shutter設計過程,反射譜儀,第一版本,第二版本,第三版本,,,,最終版本,,第四版本,第二shutter基本組成,反射譜儀,第二中子束線開關,第二中子束線開關主要包括底部支撐及調節(jié)機構，頂蓋系統(tǒng)，殼體系統(tǒng)及其附件，控制系統(tǒng)、旋轉圓臺等。 此外，第二中子束線開關中還存在大量采

23、購的標準件，像真空電極法蘭、機械限位開關、磁流體系統(tǒng)、huber系統(tǒng)等。,第二shutter設計之調節(jié)系統(tǒng),www.themegallery.com,底部的豎直和水平調節(jié)機構，配合殼體頂部的靶標座把設備準直到束線的精度。 內部插件的前后端有六點定位螺釘，使殼體和內部導管同軸化。 螺釘的調節(jié)精度可以達到0.02mm（參考導管公司）,第二shutter設計之控制系統(tǒng),www.themegallery.com,“關”工位有兩個

24、限位開關，并且有先后觸發(fā)順序。由于機械開關的干涉問題，對限位開關的型號多次選型， 機械擋板設在限位開關保護行程之內，防止轉動過位保護限位開關。 編碼器系統(tǒng)從最初集成在huber轉臺內部，后來經過多次討論，放置到頂部對轉臺進行直接測量。增加精度和可靠性。,第二shutter設計之轉軸和連接圓盤的連接,33,難點：1，轉重復定位精度高。2.圓臺轉動過程中的跳動，會損害huber轉臺的精度。 解決方案：1）梅花形連接

25、，間隙配合。問題：由于慣性，又造成轉臺重復運動無法定位的可能。 2） 加入聯(lián)軸器，克服轉動中的跳動損害。軸和圓盤鍵連接，過盈配合。 聯(lián)軸器的方案和huber公司的技術人員討論過，對方持認可態(tài)度。,第二shutter計算之部件的應力應變分析計算,www.themegallery.com,對第二束線開關中的拆卸支撐板，調節(jié)板，殼體，機械擋板等進行了應力，應變和位移的分析計算。 模擬計算結果滿足機

26、械強度需求,第二shutter設計之準直和安裝,準直設計難題：1，中間的超鏡不能碰觸。2，用目前的儀器中間的插件部分很難測量進而調節(jié)，3，導管進入束線開關殼體中 解決方案：采用高加工精度的凸臺和凹臺相配合方法輔助安裝。 1，兩側導管以凸臺面為基準，同軸化。 2，中間殼體凹面和導管插件同軸化。 3，利用高精度凸凹臺配合進行裝配，利用底部調節(jié)系統(tǒng)和頂部靶標座安裝到位。,屏蔽體的設計,www.themegallery.co

27、m,機械設計之屏蔽體初步設計,屏蔽體剖面圖,屏蔽體設計做到了： 1，底部的水泥塊在12度的空間以內，不會超出12度得空間。2，底部水泥塊固定在大廳地面上。上面的碳鋼和水泥塊之間采用鋼釬連接和固定。3，由于空間有限，需要利用兩側有限的空間，承載頂部高度為1.9m—1.3m的屏蔽快大小。兩側水泥塊太小不足以承重時，利用前后端的屏蔽塊進行承重。4，12度空間以外的部分全部堆積活動屏蔽塊。 下面的任務： 水泥塊之

28、間連接方式的細化。2,設備線路布局的設計,其他工作之模型設計和加工,在杭州大和熱磁電子加工的模型，其中中間的部分模擬第二shutter 的殼體，內部有導管模擬件。 主要是驗證機械加工精度代替準直精度的準直安裝方式。三個部分分別調節(jié)準直同軸化。 利用臺階組裝，避免了直接對中間導管插件的準直。,部分加工圖紙,這是凸臺，凹臺和導管的加工圖紙。 這里只有凸臺法蘭和凹臺法蘭，但中間部分是組裝完成后再加工出法蘭面的，這樣才能保

29、證精度。,檢測結果,www.themegallery.com,分別檢測了，兩端導管：法蘭凸臺面和殼體的垂直度，中間部分： 兩個凹法蘭內側底面的平行度。2，兩個凹法蘭的同軸度。 加工和組裝的結果比較理想。,第二階段是對該模型進行準直測量,準直測試,41,和師兄韓慶夫一起進行了初步的準直測試。 由于設備不全而沒有完成。目前師兄正在和準直組協(xié)商儀器的問題。,其他工作之電動平移臺,反射譜儀,服務于高精度四刀狹縫(1微米)

30、的驗收。 必要性：（1）測試編碼器的交換命令。（2）絕對式光柵尺的信號反饋。（3）檢測用的程序的編寫。 而所用的編碼器系統(tǒng)，讀數頭和尺子是分離的。電動平移臺就是實現讀數頭和光柵尺的契合。 目的：模擬slit中的一維運動。輔助進行slit的驗收測試。,安裝和測試,反射譜儀,平移臺,整個系統(tǒng),安裝過程,測試過程,設備調研之散射室內吊車,44,法蘭克福提供了單臂橋式和單臂懸掛式兩種設計方案。報價是9萬左右?？颇峁咎?/p>

31、供了單臂橋式。由于加入了防潮系統(tǒng)和第二制動系統(tǒng)。報價是21萬。國內衛(wèi)華集團的報價是7萬,設備調研之真空電極法蘭-MPF,美國MPF公司的產品，內外采用航空插頭。19針型設計。價格6500.設計在CF35的法蘭上。銅密封墊刀口密封。頂蓋上開CF35法蘭配合。,設備調研之真空電極法蘭-賽瑯泰克,賽瑯泰克為德國公司，該產品真空側和空氣側都采用航空插頭的連接方式。 只需要在頂蓋上開一個CF50的標準法蘭即可配合。 型號為18608-01

32、-CF 價格 5000,設備調研之磁流體,杭州大和熱磁電子有限公司的產品。不需要冷卻水嘴?？梢詽M足我們的要求。 價格8750,株洲偉大科技有限公司的產品。國內公司，專門做磁流體密封。 右邊是提供的方案。報價是3200（便宜很多。質量不明確）。 初步決定采用杭州大和熱磁電子的產品。,杭州大和,株洲偉大科技,設備調研之波紋管,右圖是安澤焊接波紋管有限公司給出的設計方案。波紋管拉伸5MM,壓縮28MM,是單片焊接,4

33、1個波,波紋管漏率小于5*10 -9pa/Ls ,可滿足超高真空環(huán)境使用,全部材料是316L,壽命大于10萬次.其價格4500元(含運費和稅). 如果不采用波紋管的連接方式，則需要連接處使用中子束窗。,其他工作之接待Mirrotron來訪,www.themegallery.com,Mirrotron導管公司兩次來高能所訪問。 （一）分別組織了反射譜儀和高通粉末和導管人員的商討會 （二） 組織參觀王平老師的實驗室

34、和會議報告。 （三） 負責全程的接待問題,其他工作之采購和會議,參加13年12月在東莞舉行的散裂用戶會議。負責huber控制器的采購工作，目前設備已經到位。,50,四、論文和專利發(fā)表情況,工作期間： 專利： 中子束線開關及準直安裝方法。（目前在實質審核階段）研究生期間發(fā)表論文：WU Yan-yan DU Guang-yu SUN Bin BA De-chun. Research on Damping Char