一种低净空吊装工装的设计.pdf

772023,61(8）总第7 0 8 期机械制造装备一种低净空吊装工装的设计郑乐见2李继红1.2黄金书1.21.中国科学院高能物理研究所北京1000492.散裂中子源科学中心广东东莞523803摘要：中国散裂中子源是开展多学科前沿研究的大科学装置，伴生质子束实验平台搭建在中国散裂中子源直线加速器末端，安装空间布局紧凑，净空较小，设备上方用于屏蔽辐射的屏蔽体安装困难。针对屏蔽体的安装特点，设计了一种低净空吊装工装。介绍了这一吊装工装的结构，应用计算机软件对这一吊装工装进行有限元分析，确认强度和刚度满足整体吊装要求，确保吊装过程的安全性。这一吊装工装用于伴生质子束实验平台工程实践，验证了结构设计的合理性，解决了低净空吊装安装问题，节省了工程造价，缩短了安装时间。关键词：吊装工装设计中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：10 0 0-49 9 8（2 0 2 3)0 8-0 0 7 7-0 4Abstract:China spallation neutron source is a large scientific device for multidisciplinary frontierresearch,and the associated proton beam experimental platform is built at the end of the linear accelerator ofChina spallation neutron source,with compact installation space layout,small headroom,and difficultinstallation of shield for shielding radiation above the equipment.According to the installation characteristic ofthe shield,a low headroom lifting tooling was designed.The structure of this hoisting tooling was introduced,and the finite element analysis of this hoisting tooling was carried out by computer software to confirm that thestrength and stiffness meet the overall lifting requirements and ensure the safety of the hoisting process.Thishoisting tooling was used in the engineering practice of the associated proton beam experimental platform,which verified the rationality of the structural design,solved the problem of low headroom hoisting andinstallation,saved the engineering cost and shortened the installation time.Keywords:HoistingToolingDesign1设计背景中国散裂中子源是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置，可以为国内外的科学家提供世界一流的中子科学综合实验平台。中国散裂中子源包括高功率强流质子加速器、中子靶站、中子谱仪，以及相应的配套设施等。加速器由8 0 MeV负氢直线加速器、1.6GeV快循环同步加速器及相应的束流输运线组成。伴生质子束实验平台搭建在中国散裂中子源直线加速器末端，用于开展质子辐照应用相关的实验及测试研究，包括电子器件及集成电路的辐照效应研究、半导体材料的辐照损伤效应和改性、加速器装置上结构材料的辐照损伤、质子束的活化分析、质子探测器的标定实验研究等。中国散裂中子源一期工程于2 0 11年11月开工建设，2 0 18 年8 月完成国家验收。伴生质子束实验平台于2 0 2 1年7 月开始现场安装，属于后期改造升级工程。工程安装于早期预留的隧道内，项目的设计受现场安装环境的极大限制，同时还需兼顾工程造价、安装时间等问题2工装设计要求伴生质子束实验平台设备周围用于屏蔽辐射的屏蔽体主要包括三部分：厅外屏蔽体、厅内屏蔽体、电子设备屏蔽墙。厅内屏蔽体顶部高度为2.6 m，顶部屏蔽体外形尺寸长为1.2 m，宽为0.7 5m，高为0.58 m，质量为1.5t。屏蔽体所在隧道的正上方有工字梁轨道，可以用于吊装，考虑采用低净空的手拉葫芦安装在轨道梁上用于吊装，手拉葫芦吊钩离轨道底部为0.5m,轨道下净空为3.3m，可以用于吊装的净空高度为0.2m。为节省经费，该位置处屏蔽体回收利用前期靶782023,61(8总第7 0 8 期机械制造装备站试验用屏蔽体，顶部没有预埋吊点用于吊装，只能采用吊带兜底的方式进行吊装。如果采用常规的吊带直接吊装，为保证吊装安全，吊带夹角应不大于6 0。常规吊装方式如图1所示。该状态下吊装净空为0.6 5m，大于0.2 m，吊装净空高度不够，无法吊装。故需设计一个吊装工装，要求能在0.2 m的低净空情况下吊装屏蔽体，并减少经费的使用，安装方便快捷。起重吊钩吊带60屏蔽体、被吊物宽度八图1常规吊装方式3工装结构设计低净空吊装工装的工作载荷为15kN，主要结构为工字型的钢制框架，配合主吊轴、四个花篮螺栓，以及两根吊带。低净空吊装工装如图2 所示。低净空吊装工装起重吊钩屏蔽体吊带图2低净空吊装工装工装中心与起重吊钩保持在同一平面上，选择两根长度合适的吊带，通过四个花篮螺栓调节被吊屏蔽体的水平。吊装净空取决于吊具本身高度，吊装高度非常小。吊装情形如图3所示。工装主体由两根主吊梁、两根横吊梁焊接而成，主吊梁和横吊梁间焊接三角形加强筋板，提高强度。工装主体如图4所示。为了减小吊装空间，起重吊钩下沉至吊具内部，设计两根背靠背的槽钢作为主吊梁，主吊梁中心开孔设置吊点。主吊梁采用Q345A槽钢，长为30 0 mm，宽为48 mm，高为10 0 mm，吊点处设置加强筋板。设计两根空心方钢作为横吊梁，横吊梁采用100mm100mm的Q345A空心方钢，壁厚为5mm。横起重吊钩、低净空吊装工装屏蔽体吊带被吊物宽度人图3吊装情形吊梁设置四个吊点，并在吊点处设置加强筋板。装配四个花篮螺栓及螺母，选择合适的吊带进行吊装。花篮螺栓可以进行微调，对吊起的设备进行调整水平起吊。经过工装设计，整体的吊装高度约等于吊具本身的高度0.1m，小于可用于吊装的净空高度，满足工装设计要求。图4工装主体4工装受力计算工装的工作载荷F为15kN，主体材料为Q345A型钢，通过焊接而成。主梁长度L为30 0 mm，横吊梁长度方向两个吊点距离为8 0 0 mm。根据工装的具体形式进行受力计算。工装主体由主吊梁和横吊梁组成，分别对主吊梁和横吊梁进行受力计算。主吊梁作为工装的关键部件，其强度直接关系到整个工装的安全性、稳定性，因此需要进行强度校核。该工装主吊梁由两根槽钢构成，每根主吊梁的长度为300 mm。当吊装平衡时，两根主吊梁均匀受力，可将主吊点视为固定端，主吊点两端分别为悬臂梁结构，左右两边为对称结构，受力情况相同，可取主吊梁的一边进行计算。根据GB/T7062016热轧型钢，10 号槽钢的抗弯截面系数Wm为39.7 cm。计算主吊梁的最大应力maxm为：792023,61(8)总第7 0 8 期机械制造装备=M./W.=FL/Wm=14.1MPamaxm式中：M.为主吊梁扭矩。主吊梁的材料选用Q345A，其屈服强度s为345MPa，计算安全因数m为：0m=gs/gmm=24.5因此，在该载荷下主吊梁的强度符合安全要求。主吊梁选用的材料为Q345A，其弹性模量E为206GPa。根据GB/T7062016,10号槽钢的弯曲惯性矩I,为19 8 cm。n。计算主吊梁的最大挠度mxm为：FL3=0.01mmmaxm3EIX最大挠度数值较小，可以判定在该载荷下主吊梁的刚度在安全范围内。工装的主吊梁设计强度和刚度满足使用要求。横吊梁作为工装的主要部件，其跨度比主吊梁长，安全性也非常重要，因此需要进行强度校核。该工装横吊梁包括两根空心方钢，横吊梁采用10 0 mm100mm的Q345A空心方钢，壁厚为5mm，每根横吊梁的长度为8 0 0 mm。当吊装平衡时，两根横吊梁受力相同，取一根进行受力分析。对于单根横吊梁，可将主吊梁与横吊梁焊接的部位视为固定端，焊接点两端分别为悬臂梁结构，左右两边为对称结构，受力情况相同，可取横吊梁的一边进行计算。根据GB/T6728一2 0 17 结构用冷弯空心型钢，该空心方钢的抗弯截面系数W为54.2 cm。计算横吊梁的最大应力maxh为：Omaxh=M,/W,=FL/W,=27.7MPa式中：M为横吊梁扭矩。横吊梁的材料也选用Q345A，其屈服强度s为345MPa，计算安全因数Sh为：Oh=Gs/gmaxh=12.5因此，在该载荷下横吊梁的强度符合安全要求。根据CB/T67282017，该空心方钢的弯曲惯性矩I为2 7 1.1cm*,计算横吊梁的最大挠度wma为：FLWmaxh=0.14 mm3EI,最大挠度数值较小，可以判定横吊梁的刚度在安全范围内。工装的横吊梁设计强度和刚度满足使用要求。5工装有限元受力分析工装的设计主要依靠经验设计及简化计算分析，无法确切知道吊具的薄弱部位，并且不够直观。工装有限元分析采用三维实体建模的思路，以三维实体单元进行网格划分得到有限元模型，利用接触方式建立各结构之间的装配关系后加载计算。笔者利用三维软件INVENTOR2018构建工装的三维模型，进一步校核工装结构强度和刚度的可靠性。对于工装的有限元分析条件，设置主吊轴固定，工装的工作载荷为15kN，四个花篮螺栓处受力均匀分配，载荷为37 50 N，工装材料使用Q345A，模型网格采用系统自动划分。通过软件的仿真计算，得到应力云图和变形云图，根据云图可以直观看到工装各部分的应力、变形情况，包括最大应力和最大变形的位置。工装的有限元分析等效应力云图如图5所示。从图5中可以看到，工装在工作状态下的薄弱部位位于主吊梁与横吊梁的连接处，最大应力值为7 3.45MPa，小于工装材料的许用屈服应力（345MPa）。73.45最大值58.7644.0729.3814.690最小值(MPa)A图5工装有限元分析等效应力云图计算得到安全因数为4.7，因此吊装工装的强度满足要求。工装的有限元分析变形云图如图6 所示。从图6中可以看到，工装的最大变形产生在横吊梁的两端离主吊点最远处，最大变形量为0.2 4mm，最大挠度数值较小，可以判定在安全范围内，满足工装的设计和使用要求。0.2433最大值0.19460.1460.09730.04870最小值(mm)八图6工装有限元分析变形云图6工程实践验证低净空吊装工装已经完成加工制造，并应用于中国散裂中子源伴生质子束实验平台顶部屏蔽体的吊装802023,61(8)总第7 0 8 期机械制造罡）（编辑收稿时间：2 0 2 3-0 4装备安装。伴生质子束实验平台如图7 所示。整个伴生质子束实验平台的安装空间布局紧凑，束线上的主要设备被屏蔽体包围。特别是顶部屏蔽块的安装净空较小，设计的低净空吊装工装解决了这一安装难题。整个吊装过程平稳，屏蔽体顺利安装到位。吊装现场如图8 所示。图7伴生质子束实验平台图8吊装现场7结束语中国散裂中子源伴生质子束实验平台属于后期改造升级工程，工程安装于早期预留的隧道内，安装环境受限，项目的设计及相关设备的安装会牵一发而动全身。对低净空吊装工装的工程实际应用证明，根据中国散裂中子源伴生质子束实验平台屏蔽体的吊装要求及特点所制订的工装设计方案合理可行，满足了低净空吊装的安装需求。设计过程中合理计算并验证了工装的结构参数，尤其是运用INVENTOR软件进行有限元分析，方便、快捷地校核了结构的强度和刚度，保证工装结构设计的合理性和安全性。该工装整体结构简单、紧，操作方便，减少了因吊装高度不够而进行厂房改造或被吊设备重新设计的费用、时间，为工程建设安装带来较好的实用性和经济效益。所设计的工装为低净空吊装安装运用提供了理论依据与实践经验。参考文献1王生，傅世年，屈化民，等.中国散裂中子源强流质子加速器设计、研制及调试运行 J.原子能科学技术，2 0 2 2，56(9):1747-1759.2刘颖一.CSNS伴生质子束线物理设计 D.长春：吉林大学,2 0 2 2.3热轧型钢：GB/T7062016S.4结构用冷弯空心型钢：GB/T67282017S.5董金平，张志强.基于广义模块化理论的大型石化反应器吊装工装有限元分析 J.起重运输机械，2 0 15（5）：8 3-87.A作者简介：郑乐见（19 8 9 一），男，工程师，主要研究方向为加速器精密工艺设备安装。新型无辐射磁粉成像扫描仪面世在一项最新研究中，德国物理学家和医生团队成功开发出一种便携式扫描仪，可以借助新的无辐射成像技术一磁粉成像，可视化人体内的动态过程，如血流情况等。科学家们表示，新型无辐射磁粉成像扫描仪的面世，是迈向无辐射干预的重要第一步。相关研究成果发表于科学报告期刊。磁粉成像是一种基于对磁性纳米颗粒直接可视化的技术。这种纳米颗粒不是在人体内自然产生的，而是必须作为标记物进行给药。研究负责人、朱利叶斯马克西米利安维尔茨堡大学物理研究所的沃尔克贝尔教授对此进行解释，与依赖放射性物质作为标记物的正电子发射断层扫描一样，所开发出的磁粉成像技术具有灵敏快速的优势，不会受到来自组织或骨骼的背景信号的干扰。研究成果论文第一作者、物理学家帕特里克沃格尔解释称，纳米颗粒的磁化强度在外部磁场的帮助下被专门操纵，因此不仅可以检测到这些纳米颗粒的存在，而且可以检测到它们在人体内的空间位置。在最新研究中，贝尔教授等人开发出一款新型无辐射磁粉成像扫描仪，体积小，质量轻，几乎可以携带至任何地方。应用这一新型无辐射磁粉成像扫描仪，在逼真的人体血管模型上进行测量，并拍摄得到第一批图像。研究团队表示，这是迈向无辐射干预的重要第一步，有可能彻底改变这一领域。研究团队正在进一步提升这一扫描仪的性能，以提高图像质量。(科技日报）