ITER真空絕熱冷質(zhì)支撐性能測試平臺設(shè)計(jì)與研究

張 旭，劉素梅，丁開忠，陸 坤

（1. 蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽蕪湖，241006；2. 中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥，230031）

ITER工程是一項(xiàng)涉及多國家、多組織的國際性大項(xiàng)目，旨在建立一種可控的自持熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，以持續(xù)且高效地產(chǎn)生清潔的新能源來造福人類［1-3］。ITER中由承擔(dān)超導(dǎo)磁體電力運(yùn)輸?shù)某瑢?dǎo)電纜和冷卻管道系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)等組成的Feeder饋線系統(tǒng)是保障整個(gè)熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是真空超導(dǎo)磁體線圈終端以及外部各機(jī)械結(jié)構(gòu)和信號接口的連接紐帶，該系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)被包容管道（containment duct，CD）包裹。真空絕熱冷質(zhì)支撐位于最外層低溫過渡管道（cryostat feed through，CFT）和包容管道之間，用于支撐、固定包容管道及其內(nèi)部的Feeder饋線系統(tǒng)，它對Feeder饋線系統(tǒng)在超低溫、高真空、強(qiáng)磁場條件下所受的各種復(fù)雜載荷起傳遞和緩沖作用。冷質(zhì)支撐的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。鑒于冷質(zhì)支撐在ITER中具有重要作用，ITER工程質(zhì)量總部要求在冷質(zhì)支撐完成制造后，必須通過相應(yīng)的測試平臺進(jìn)行系統(tǒng)性的性能測試，驗(yàn)證其相關(guān)功能指標(biāo)能否達(dá)到工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 冷質(zhì)支撐的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成Fig. 1 Mechanical structure of CMS

1 冷質(zhì)支撐工況載荷分析

Feeder饋線系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與低溫過渡管道、包容管道、冷質(zhì)支撐之間的連接關(guān)系如圖2所示。包容管道內(nèi)部為Feeder饋線系統(tǒng)及附屬零部件構(gòu)成的復(fù)雜管路［4］，冷質(zhì)支撐頂部與包容管道焊接，底部通過燕尾槽導(dǎo)軌與低溫過渡管道連接。實(shí)際工況下，低溫過渡管道內(nèi)部是低溫、真空環(huán)境，所以其內(nèi)部的冷質(zhì)支撐也處于低溫、真空環(huán)境之中。

圖2 Feeder 饋線系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與低溫過渡管道、包容管道、冷質(zhì)支撐之間的連接關(guān)系Fig. 2 Internal structure of Feeder feeder system and its connection with CFT, CD and CMS

一方面，由于饋線系統(tǒng)內(nèi)部管道的熱脹冷縮、振動等，使得冷質(zhì)支撐產(chǎn)生軸向位移，導(dǎo)致它在承載情況下沿燕尾槽導(dǎo)軌滑動［5］。另一方面，存在3種方向、大小均不同的載荷作用于冷質(zhì)支撐：1）包容管道及饋線系統(tǒng)內(nèi)部零部件的總重力，為50 kN；2）饋線系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，因其內(nèi)部管道熱脹冷縮而產(chǎn)生的軸向及側(cè)向載荷，各為20 kN；3）超導(dǎo)電纜在安培力作用下產(chǎn)生的彎矩，為20 kN·m。鑒于此，冷質(zhì)支撐樣件必須在此工況載荷下進(jìn)行性能測試，且測試通過以后才能投產(chǎn)使用［6］，換言之，冷質(zhì)支撐樣件的性能測試平臺必須能夠模擬上述3種載荷以滿足測試要求。

2 冷質(zhì)支撐性能測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜上所述，冷質(zhì)支撐性能測試平臺的設(shè)計(jì)以摩擦性能測試和機(jī)械強(qiáng)度測試為切入點(diǎn)，先針對不同的測試平臺進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，后期再對不同測試平臺進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)［7］。

2.1 摩擦性能測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摩擦性能測試規(guī)程的制定主要依據(jù)美國的通用摩擦測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1894-14［8］，旨在測量相對滑動物體間的力學(xué)特性。對于冷質(zhì)支撐，主要是測量其底部滑塊和燕尾槽導(dǎo)軌之間的最大靜摩擦力和動摩擦力。ASTM D1894-14中5種摩擦測試方案均采用拖動物體運(yùn)動的方式進(jìn)行摩擦測試，各方案的不同之處在于拖動方式：直接拖動和間接拖動，如圖3所示。由于場地和測試設(shè)備等諸多條件的限制，本文選用圖3（b）或圖3（e）所示的摩擦測試方案來對冷質(zhì)支撐進(jìn)行摩擦性能測試，相較于其他方案，這2種方案的優(yōu)點(diǎn)在于簡化了拖動測試對象所需的動力源，省去了部分復(fù)雜的動力傳輸裝置，減少了因測試系統(tǒng)不穩(wěn)定帶來的不利影響，減小了測試場地，便于測試平臺的組裝和拆解。

圖3 ASTM D1894-14中的5種摩擦測試方案Fig. 3 Five friction test schemes in ASTM D1894-14

為確保測試環(huán)境和實(shí)際工況一致，摩擦性能測試中使用的燕尾槽導(dǎo)軌和冷質(zhì)支撐底座在加工制造和使用性能上與實(shí)際相同。冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺中，液壓伺服裝置（美國MTS公司生產(chǎn)）固定在支撐墻體上，由控制終端精確控制其運(yùn)動，利用鋼絲繩將液壓伺服裝置接合端和包容管道模型連接。為了獲取鋼絲繩的實(shí)時(shí)拉力［9-12］，在鋼絲繩靠近包容管道模型端安裝力傳感器。測試用導(dǎo)軌為316L不銹鋼材質(zhì)，導(dǎo)軌表面需要經(jīng)過拋光處理，并且在測試時(shí)噴涂二硫化鉬試劑以減小摩擦系數(shù)。測試前，按照最終安裝標(biāo)準(zhǔn)將包容管道模型和冷質(zhì)支撐模型進(jìn)行焊接連接，包容管道模型上方安裝測試配重以模擬實(shí)際載荷，構(gòu)成完整的冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺。為了減小測試結(jié)果的誤差，在安裝冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺時(shí)，確保尺寸公差和配合公差嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)要求。

在測試過程中，力傳感器的選用需滿足精度要求和最大測量范圍，因此，通過滑動摩擦力計(jì)算公式估算冷質(zhì)支撐與導(dǎo)軌之間的最大靜摩擦力：

式中：μs為冷質(zhì)支撐和導(dǎo)軌間的最大靜摩擦系數(shù)，查詢相關(guān)手冊，取μs=0.5；G 為摩擦性能測試時(shí)冷質(zhì)支撐、包容管道模型及測試配重的重量之和（1 t），估算時(shí)取G≈10 000 N。

由公式（1）計(jì)算得到冷質(zhì)支撐和導(dǎo)軌之間的最大靜摩擦力為5 000 N，因此選用量程為8 000 N的拉力傳感器為測量終端，全程記錄測試數(shù)據(jù)并保存，且測試時(shí)需合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率以保證獲取的為最大靜摩擦力值。冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺實(shí)物圖如圖5所示。

2.2 機(jī)械強(qiáng)度測試平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工況下，冷質(zhì)支撐的受力情況比較復(fù)雜：1）豎直方向受到大小為50 kN的外界載荷；2）水平面內(nèi)受到相互垂直的、大小為20 kN 的一對側(cè)向載荷；3）Feeder饋線系統(tǒng)中的超導(dǎo)電纜在安培力作用下產(chǎn)生的20 kN ·m的彎矩。實(shí)際工況下冷質(zhì)支撐的受力情況如圖6所示。

圖4 冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of CMS friction performance test platform

基于冷質(zhì)支撐的受載工況，初步設(shè)計(jì)冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺，其概念設(shè)計(jì)圖如圖7所示。在該測試平臺中，彎矩梁通過螺栓與包容管道模型上平面緊固連接，彎矩梁的兩端通過液壓千斤頂施加等大、反向的力，用以模擬彎矩載荷［13］；包容管道模型的軸線和垂直于軸線的方向上各設(shè)置1臺液壓千斤頂，用于施加側(cè)面載荷；安裝在頂部的液壓千斤頂用于提供豎直方向的外界載荷［14-15］。另需指出的是：1）所有液壓千斤頂均需配置具有足夠大剛度和強(qiáng)度的支撐結(jié)構(gòu)；2）該測試平臺安裝時(shí)需滿足ITER工程安裝要求，以保證測試結(jié)果的有效性；3）冷質(zhì)支撐所受外界載荷是通過包容管道間接施加到冷質(zhì)支撐上的，因此在測試平臺上設(shè)計(jì)了包容管道模型，高度還原了冷質(zhì)支撐實(shí)際工況下的受載情況，充分保證冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試的真實(shí)性。

圖5 冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺實(shí)物圖Fig. 5 CMS friction performance test platform physical map

圖6 實(shí)際工況下冷質(zhì)支撐的受力分析Fig. 6 Force analysis of CMS under actual working condition

圖7 冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺概念設(shè)計(jì)圖Fig. 7 Conceptual design diagram of CMS mechanical strength test platform

在冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺中，為保證測試順利進(jìn)行，需確保彎矩梁具備足夠大的強(qiáng)度和剛度，否則會影響測試結(jié)果［16］，因此，需要進(jìn)一步針對彎矩梁進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。依據(jù)彎矩梁在整個(gè)測試平臺中的位置和工況，結(jié)合圖7對彎矩梁進(jìn)行受力分析，具體如圖8所示，圖中：F1為冷質(zhì)支撐對彎矩梁的反作用力；F′1為模擬豎直載荷而施加的力；F4、F5為利用液壓千斤頂模擬冷質(zhì)支撐受到的彎矩而施加的力。由圖8可以知：對比彎矩梁上的最大彎曲應(yīng)力與梁材料的屈服應(yīng)力，即可得出相應(yīng)彎矩梁的選型標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)彎矩梁的受力分析，由穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)靜力學(xué)方程得出彎矩梁上承受的最大彎矩為：

式中：L為彎矩梁的長度。

將具體數(shù)據(jù)代入式（2），求得：

MCMS= 20 kN · m

圖8 彎矩梁受力分析Fig. 8 Force analysis of moment beam

彎矩梁承受的主要載荷是彎矩，需進(jìn)一步驗(yàn)證彎矩梁危險(xiǎn)截面處的最大彎曲應(yīng)力是否在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。材料力學(xué)中彎曲應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：σmax為屈服應(yīng)力極限值；Mmax為彎矩梁材料所承受的最大彎矩；W 為彎矩梁橫截面的抗彎截面系數(shù)；Iz為彎矩梁橫截面的慣性矩；ymax為彎矩梁橫截面輪廓邊緣距中性軸（z軸）的最大距離。

圖9 改進(jìn)后的冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺和冷質(zhì)支撐性能一體化測試平臺示意圖Fig. 9 Diagram of improved CMS friction performance test platform and CMS performance integrated test platform

聯(lián)立式（3）和（4）可得：

冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺中彎矩梁材料選用工字鋼，根據(jù)表1（GB/T 706—2016）查找熱軋工字鋼的幾何參數(shù)［17］，得到10號工字鋼的幾何參數(shù)如下：慣性矩Ix=245 cm4，抗彎截面模數(shù)Wx=49 cm3。由此確定10號工字鋼為彎矩梁的最佳材料，結(jié)合其相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出10號工字鋼彎矩梁危險(xiǎn)截面處的最大彎曲應(yīng)力為204 MPa，而Q235材質(zhì)的10號工字鋼的屈服應(yīng)力為235 MPa，說明10 號工字鋼彎矩梁受到的最大彎曲應(yīng)力小于所選材料的屈服應(yīng)力值。因此，選擇10號工字鋼作為冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺中彎矩梁材料，可滿足機(jī)械強(qiáng)度測試要求。

表1 GB/T 706—2016 中熱軋型工字鋼幾何參數(shù)（節(jié)選）Table 1 Geometric parameters of hot rolled I-beam in GB/T 706-2016 (excerpt)

此外，冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺中液壓千斤頂?shù)倪x型也很重要，但只需通過簡單的推理和計(jì)算即可確定其量程，因此不再贅述。彎矩梁兩端液壓千斤頂?shù)淖畲箜斄?0 kN，包容管道模型水平面上的液壓千斤頂?shù)淖畲箜斄?0 kN；測試平臺中提供豎直方向50 kN載荷的設(shè)備為美國MTS公司的液壓伺服裝置，該設(shè)備具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；測試平臺中所有載荷施加設(shè)備的標(biāo)定誤差值均小于±2%，滿足測試要求。

2.3 測試平臺一體化設(shè)計(jì)

由于摩擦性能測試平臺相對來說比較簡單，而機(jī)械強(qiáng)度測試平臺因受到場地限制，必須增設(shè)底座以安裝固定冷質(zhì)支撐?？紤]到摩擦性能測試平臺中的導(dǎo)軌稍作改進(jìn)后可用來固定冷質(zhì)支撐，對摩擦性能測試平臺進(jìn)行改進(jìn)，并對摩擦性能測試平臺和機(jī)械強(qiáng)度測試平臺進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺和冷質(zhì)支撐性能一體化測試平臺如圖9所示。冷質(zhì)支撐性能一體化測試平臺能夠同時(shí)滿足2 項(xiàng)測試工作的要求，減少了不必要的平臺建設(shè)內(nèi)容，減小了測試場地，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益［18］。

改進(jìn)后的冷質(zhì)支撐摩擦性能測試平臺相較于改進(jìn)前增設(shè)了三角支座，支座上安裝的液壓千斤頂在摩擦性能測試時(shí)可以配合MTS液壓伺服裝置往復(fù)拉動冷質(zhì)支撐，解決了原先在每次重復(fù)測試時(shí)需要人力拖動冷質(zhì)支撐來復(fù)位而可能因操作不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備損壞的問題。在摩擦性能測試完成后，安裝立柱和支撐梁，并將三角支座和液壓千斤頂移至側(cè)面，裝上施加豎直方向載荷和彎矩的液壓千斤頂后即可進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度測試［19-20］，而測試平臺底座、導(dǎo)軌底座、冷質(zhì)支撐及包容管道模型都不需要重復(fù)定位安裝，這可為整個(gè)測試項(xiàng)目節(jié)省較多的人力和時(shí)間。

3 結(jié) 論

根據(jù)真空絕熱冷質(zhì)支撐的國際驗(yàn)收要求，針對性地對正常工況載荷下冷質(zhì)支撐的摩擦性能測試平臺和機(jī)械強(qiáng)度測試平臺進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。鑒于摩擦性能測試必須符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)，在遵循測試基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)場地和測試條件，基于通用摩擦測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1894-14對冷質(zhì)支撐摩擦測試平臺進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對平臺中部分結(jié)構(gòu)和工裝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，以保證測試的可行性和科學(xué)性；冷質(zhì)支撐機(jī)械強(qiáng)度測試平臺設(shè)計(jì)因冷質(zhì)支撐的載荷多樣性而略顯復(fù)雜，除了對測試平臺工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)、選用進(jìn)行了深入闡述外，還著重分析了測試平臺的重要部件——彎矩梁的受力情況和選型問題，提出采用10號工字鋼作為彎矩梁的材料。最后，對摩擦性能測試平臺和機(jī)械強(qiáng)度測試平臺進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，一體化測試平臺大大提高了冷質(zhì)支撐性能測試的質(zhì)量和效率，這對于整個(gè)ITER 項(xiàng)目而言有較大的工程價(jià)值。