反射谱仪的机械设计-Indico.ppt

1、中级职称竞聘报告吴延岩2013.07,主要内容,一、个人简介二、主要工作：反射谱仪的机械设计 2.1 穿墙管的设计 2.2 中子传输系统的设计,2,2.2.1 三种导管的设计和调研2.2.2 和束线设备接口的设计2.3第二shutter的设计2.4 屏蔽体的设计,三、其他工作,3.1 模型的设计和加工3.2 标准零部件的调研和采购3.3 接待并组织导管公司来高能所访问,四、论文和专利的发表情况,一、个人简介,20011.7今 高能所（正式职工）负责多功能反射谱仪的机械设计2009.09 20011.07 东北大学/化工过程机械/(研究生)（保送）主要课程：高等传热学、数值分析、机械振动理论基础

2、及其应用、工程问题的数学模型、计算流体力学及应用等。主要研究方向：涂层的减振性能2005.09 2009.07 东北大学/过程装备与控制工程/(本科)主要课程：工程力学，流体力学，机械工程控制基础,热工基础，机械设计，机电一体化系统设计，公差，过程装备控制，真空技术基础等。,束线前端,前端束线整体布局图,从慢化器开始依次是第一束线开关，穿墙管，三个带宽斩波器，一个第二中子束线开关。设备之间的部分是中子导管 整个导管系统的准直安装精度是0.05mm，导管理论中心束线海拔高度是1.661m。 目前，已经完成了反射谱仪的整体方案评审。,机械设计之穿墙管的设计,穿墙管全图,安装精度：0.05mm。,据

3、调研，目前，穿墙管有两种调节方案，是和准直设备以及导管公司相关的。 方案一：通过屏蔽墙内调节机构对导管插件整体进行调节，这方案会用到内外基准的坐标转移，所以会用到准直设备激光追踪仪。 方案二： 屏蔽墙内的调节机构起到支撑作用，利用前端后的调节螺钉直接对导管进行调节。用到的准直仪器是经纬仪。,穿墙管设计之准直方案一,方法一：采用激光追踪仪，基准转移的方案1，将屏蔽墙内的调节机构放到工件架上。把弯导管插件放到调节机构上。把靶标座固定到调节板上，测出导管中心相对于靶标座的位置坐标，将导管中心的坐标转移到调节板上的靶标座上。2，取下弯导管插件，把屏蔽墙内调节机构放到屏蔽墙里面，调节水平和竖直调节机构，

4、使调节板上的靶标座位于理论位置。3，把弯导管插件放到辅助安装工件架上，调节安装小车上的调节机构，使内外的导轨系统对中。通过滑块和导轨把弯导管插件推到屏蔽墙里面，通过定位销可以实现竖线方向上的定位,穿墙管设计之准直方案二,调节时导管的位置,测量时导管的位置,方法二：利用经纬仪进行调节。1，把屏蔽墙内调节系统直接安装到屏蔽墙里，把辅助安装工件架放到束线位置上并且把弯导管插件安装到上面。2，弯导管前端的束窗法兰和后端的密封帽取下，利用前端和后端的六点定位螺钉进行调节经纬仪进行角度测量，把弯导管插件安装到束线位置。3，完成后，把小车上的弯导管插件安装到推到屏蔽墙里的调节机构上面。进行测量，如果达到安装

5、精度，安装完成，如果没有，把弯导管插件拉出来，进行2步骤。直到达到安装位置精度。一般导管公司会进行2-3次重复操作。,穿墙管设计之综合后方案,穿墙管,我们把屏蔽墙内调节机构和导管的调节都设计了进去。这样，不管采用什么样的设备进行调节，都可以把另外一部分调节作为辅助调节。采用单根导轨定位，另一根导轨起支撑作用。 另外，采用了定位销对沿束线方向进行定位,穿墙管设计之维护,弯导管插件,参考第一中子开关在安装时对弯导管插件进行测量，制作成标准数据，下次更换时直接利用辅助安装工件架把标准件安装到屏蔽墙内即可。不需要进行二次准直,对于穿墙管的设计方案，我们征询了导管公司mirrotron的意见。对方持肯定

6、的意见。,中子传输系统之水泥地台,整个前端束线,水泥平台的下面采用固定水泥浇筑，前端设计成活动屏蔽块，长度4.35m，足够提供穿墙管更换空间。 水泥块预埋钢板厚度50mm，保证一定的平整度。根据斩波器尺寸，宽度960mm。水泥块和支架之间是过渡板，弯导管处过渡板厚度200mm，其他导管150mm，提供导管设计余量。过渡板上后期打螺纹孔对支架进行精确定位。,中子传输系统之水泥地台,前端束线水泥地台,目前该方案设计图纸已经交给相关部门。,水泥地台设计图纸,中子传输系统之屏蔽墙外前端束线,,导管系统从距离慢化器2.38m开始，依次是第一束线开关内导管插件（1.84m直导管），然后是4m的弯导管，4.

7、35m的直导管，4.25m的聚焦导管 目前世界上成熟的导管机构只有两家，mirrotron和swissneutronic我们充分调研了两家导管公司导管的机械机构、准直方案、连接方式等。以此为基础提出我们自己的设计方案。,反射谱仪导管需求表,右图是多功能反射谱仪所需要的导管的技术指标。,第一中子束线开关部分,,这个开关内有我们的第一段直导管。我们需要在明确第一shutte 结构，精度，安装方案等的基础上，和导管公司进行协商。居中协调制定合适的方案。 右图是导管公司给出的插件模型。,导管的基本结构,,导管的基本结构由内向外依次是超镜涂层、玻璃、金属。金属层提供真空环境。玻璃和金属之间有一定的间隙。

8、通常是2mm左右。有的导管公司可以做到0.3mm。 导管的外部是调节支架，根据设备仪器和准直方案的不同，金属层上会有螺钉，起到固定或者调节的作用,中子传输系统之直导管,右图mirrotron导管公司能够提供的两种导管，下面是传统的直导管，真空壳体里是玻璃和超镜，调节机构是壳体上快卸法兰中的螺钉和下面的支架。 右上图是一种叫做三明治结构的新式导管，外面的壳体是真空焊接密封。玻璃和金属壳体的间隙是0.3mm。调节方式采用图中的框型调节支架整体进行调节。 导管之间的连接方法可以是束窗法兰连接或者固定法兰连接。采用经纬仪进行准直安装。,直导管,新式导管,传统导管,中子传输系统之直导管,这个swissn

9、eutronic导管公司可以提供的导管的模型。类似上图。金属密封壳体和玻璃之间的距离是2mm。这个还是传统导管的一种。 壳体的调节是通过框架进行。金属壳体和超镜之间还有调节螺钉进行同轴和固定。他们的连接倾向于两种方式：1，端部束窗法兰 2，波纹管。束窗法兰中心厚度是0.5mm。沿束线方向，玻璃端面距离束窗法兰内侧面是1mm。 这种连接和他们的准直方案是相关联的：他们利用激光追踪仪进行定位。壳体上面有靶标座。,中子传输系统之弯导管,弯导管总长4米，分成两段，一段位于穿墙管内部，一段位于第一、二斩波器之间。导管曲率半径90m，内部尺寸40x60mm，6通道。真空壳体的前后端有调节螺钉，侧面两个，顶

10、面和地面各一个。顶部设有靶标座，外部有框型调节支架。,中子传输系统之弯导管,弯导管,Mirrtron： 该公司的弯导管外面有厚重的屏蔽体，有数吨重。同时也是真空壳体。调节方法是： 1，内部导管进行预准直，然后再外面利用支架调节壳体。 2，在屏蔽快上开调节孔道进行内部导管的调节，然后密封。外面的壳体仍然用支架之类的平移机械机构调节。,关于支架,经过几种支架的设计尝试，我们最终选定这种最简单、调节方式直接的支架。 曾经参与SNS反射谱仪设计的Frank也认同我们的想法。 两家导管公司对我们的支架持认可态度。,中子传输系统之和束线设备的连接方案,第二束线开关内部插件和两侧导管之间有10mm的间隙，这

11、是运动间隙。和上下游导管之间采用焊接波纹管连接，间隙是5mm，这是吊装间隙。另外，导管可以选择加束窗或者不加束窗。,（一） 和第二shutrter的连接方案,（二）和斩波器的连接方案之束窗连接,,束窗法兰采用铝材制作，采用中间凹陷的台阶结构，中心厚度小于0.5mm。在该设计方案中，斩波器和导管都分别采用束窗密封。斩波器两侧束窗的距离是50mm，而导管端面和束窗的距离是1.5mm，这样斩波器两侧中子导管端面之间的距离是53mm。优点： 导管和斩波器分别密封，准直、安装和维护都不会相互干涉。缺点：会增加中子损失。,斩波器连接方案之固定法兰连接,导管的端部和斩波器的壳体采用固定法兰的形式连接，橡胶圈

12、密封。壳体内部的玻璃和超镜进入斩波器的壳体。可以选择使斩波器和导管真空连通或者不连通 优点：这样可以大大减少斩波器两侧的导管端面之间的距离。仅有23mm，减少中子损失。缺点：会对导管的准直安装和维护产生影响。但是目前swissneutronic不认可这种连接方案。Mirrotron是认可的。,最终斩波器连接方案之波纹管连接,24,经过和两个导管公司的多次协商和确认，以及斩波器组的讨论，我们最终决定和斩波器的连接采用波纹管的方案。 优点： 两个导管公司都认可，而且导管深入斩波器壳体内部，相邻导管之间的间隙只有23mm。最大限度的减少了中子的损失。斩波器和导管独立准直，互不干涉。 缺点： 相对于另

13、外两种方案，焊接波纹管的价格稍高,导管维护,,首先，导管损坏的几率比较低。如果损坏需要更换时，1，第一中子开关处，直接更换整个插件。2，穿墙管处，更换整个弯导管插件。3，对于后面的导管部分，需要从第二shuttre开始拆卸，一直到损坏的导管位置。,中子传输系统进展,26,和导管公司技术沟通和协商,确定导管的基本模型和连接方案等,签订合同,导管公司细化方案，给出相关文档和图纸,联合设计，确定最终方案和加工图纸,产品加工,已经完成： 1，和两家导管公司进行技术上的协商和沟通。确定了前端束线三种导管的基本模型以及和束线设备的连接方案。 2，明确了整个导管的采购流程。编写了中子传输系统的技术标书。 3

14、，取得两家导管公司的整体报价，并且对报价单中的技术部分进行了沟通 和协商下面的任务： 进入竞争性谈判的采购程序，签订合同，联合设计。,机械设计之第二中子束线开关,,基本参数 位置：距离慢化器12m处，离直射中子线最近距离127mm，电机位于直视线的另一侧。 转台转动精度：0.002。 切换形式：分为开和关两种状态，90往复运动 时间; 20s。 工作环境： 1pa 以编码器为核心控制系统，机械限位开关为辅助控制系统，并配有机械挡块防止转动过位。整个设备独立抽真空，独立设置控制系统。,第二shutter的工作内容,,已经完成的工作 1，完成了模型的详细设计并且对零部件和整体的结构做了很多的改进

15、2，完成了初步的工程出图。 3，对标准的零部件进行了充分的调研。 4，对整个shutter的承载部件进行了的模拟计算。 5，编写了第二shutter 的详细设计说明书。 下一步工作： 完成评审，进行招标采购,第二shutter设计过程,反射谱仪,第一版本,第二版本,第三版本,最终版本,第四版本,第二shutter基本组成,反射谱仪,第二中子束线开关,第二中子束线开关主要包括底部支撑及调节机构，顶盖系统，壳体系统及其附件，控制系统、旋转圆台等。 此外，第二中子束线开关中还存在大量采购的标准件，像真空电极法兰、机械限位开关、磁流体系统、huber系统等。,第二shutter设计之调节系统,,底部的

16、竖直和水平调节机构，配合壳体顶部的靶标座把设备准直到束线的精度。 内部插件的前后端有六点定位螺钉，使壳体和内部导管同轴化。 螺钉的调节精度可以达到0.02mm（参考导管公司）,第二shutter设计之控制系统,,“关”工位有两个限位开关，并且有先后触发顺序。由于机械开关的干涉问题，对限位开关的型号多次选型， 机械挡板设在限位开关保护行程之内，防止转动过位保护限位开关。 编码器系统从最初集成在huber转台内部，后来经过多次讨论，放置到顶部对转台进行直接测量。增加精度和可靠性。,第二shutter设计之转轴和连接圆盘的连接,33,难点：1，转重复定位精度高。2.圆台转动过程中的跳动，会损害hub

17、er转台的精度。 解决方案：1）梅花形连接，间隙配合。问题：由于惯性，又造成转台重复运动无法定位的可能。 2） 加入联轴器，克服转动中的跳动损害。轴和圆盘键连接，过盈配合。 联轴器的方案和huber公司的技术人员讨论过，对方持认可态度。,第二shutter计算之部件的应力应变分析计算,,对第二束线开关中的拆卸支撑板，调节板，壳体，机械挡板等进行了应力，应变和位移的分析计算。 模拟计算结果满足机械强度需求,第二shutter设计之准直和安装,准直设计难题：1，中间的超镜不能碰触。2，用目前的仪器中间的插件部分很难测量进而调节，3，导管进入束线开关壳体中 解决方案：采用高加工精度的凸台和凹台相配合

18、方法辅助安装。 1，两侧导管以凸台面为基准，同轴化。 2，中间壳体凹面和导管插件同轴化。 3，利用高精度凸凹台配合进行装配，利用底部调节系统和顶部靶标座安装到位。,屏蔽体的设计,,机械设计之屏蔽体初步设计,屏蔽体剖面图,屏蔽体设计做到了： 1，底部的水泥块在12度的空间以内，不会超出12度得空间。2，底部水泥块固定在大厅地面上。上面的碳钢和水泥块之间采用钢钎连接和固定。3，由于空间有限，需要利用两侧有限的空间，承载顶部高度为1.9m1.3m的屏蔽快大小。两侧水泥块太小不足以承重时，利用前后端的屏蔽块进行承重。4，12度空间以外的部分全部堆积活动屏蔽块。 下面的任务： 水泥块之间连接方式的细化。

19、2,设备线路布局的设计,其他工作之模型设计和加工,在杭州大和热磁电子加工的模型，其中中间的部分模拟第二shutter 的壳体，内部有导管模拟件。 主要是验证机械加工精度代替准直精度的准直安装方式。三个部分分别调节准直同轴化。 利用台阶组装，避免了直接对中间导管插件的准直。,部分加工图纸,这是凸台，凹台和导管的加工图纸。 这里只有凸台法兰和凹台法兰，但中间部分是组装完成后再加工出法兰面的，这样才能保证精度。,检测结果,,分别检测了，两端导管：法兰凸台面和壳体的垂直度，中间部分： 两个凹法兰内侧底面的平行度。2，两个凹法兰的同轴度。 加工和组装的结果比较理想。,第二阶段是对该模型进行准直测量,准直

20、测试,41,和师兄韩庆夫一起进行了初步的准直测试。 由于设备不全而没有完成。目前师兄正在和准直组协商仪器的问题。,其他工作之电动平移台,反射谱仪,服务于高精度四刀狭缝(1微米)的验收。 必要性：（1）测试编码器的交换命令。（2）绝对式光栅尺的信号反馈。（3）检测用的程序的编写。 而所用的编码器系统，读数头和尺子是分离的。电动平移台就是实现读数头和光栅尺的契合。 目的：模拟slit中的一维运动。辅助进行slit的验收测试。,安装和测试,反射谱仪,平移台,整个系统,安装过程,测试过程,设备调研之散射室内吊车,44,法兰克福提供了单臂桥式和单臂悬挂式两种设计方案。报价是9万左右。科尼公司提供了单臂桥

21、式。由于加入了防潮系统和第二制动系统。报价是21万。国内卫华集团的报价是7万,设备调研之真空电极法兰-MPF,美国MPF公司的产品，内外采用航空插头。19针型设计。价格6500.设计在CF35的法兰上。铜密封垫刀口密封。顶盖上开CF35法兰配合。,设备调研之真空电极法兰-赛琅泰克,赛琅泰克为德国公司，该产品真空侧和空气侧都采用航空插头的连接方式。 只需要在顶盖上开一个CF50的标准法兰即可配合。 型号为18608-01-CF 价格 5000,设备调研之磁流体,杭州大和热磁电子有限公司的产品。不需要冷却水嘴。可以满足我们的要求。 价格8750,株洲伟大科技有限公司的产品。国内公司，专门做磁流体密

22、封。 右边是提供的方案。报价是3200（便宜很多。质量不明确）。 初步决定采用杭州大和热磁电子的产品。,杭州大和,株洲伟大科技,设备调研之波纹管,右图是安泽焊接波纹管有限公司给出的设计方案。波纹管拉伸5MM,压缩28MM,是单片焊接,41个波,波纹管漏率小于5*10 -9pa/Ls ,可满足超高真空环境使用,全部材料是316L,寿命大于10万次.其价格4500元(含运费和税). 如果不采用波纹管的连接方式，则需要连接处使用中子束窗。,其他工作之接待Mirrotron来访,,Mirrotron导管公司两次来高能所访问。 （一）分别组织了反射谱仪和高通粉末和导管人员的商讨会 （二） 组织参观王平老

23、师的实验室和会议报告。 （三） 负责全程的接待问题,其他工作之采购和会议,参加13年12月在东莞举行的散裂用户会议。负责huber控制器的采购工作，目前设备已经到位。,50,四、论文和专利发表情况,工作期间： 专利： 中子束线开关及准直安装方法。（目前在实质审核阶段）研究生期间发表论文：WU Yan-yan DU Guang-yu SUN Bin BA De-chun. Research on Damping Characteristics of TiZrN Composite Coating Cantilever by Numerical Simulation MethodJ. Vacuum Technolog and Surface Engineering.2011,Thanks for your attention！,