某高溫超導(dǎo)磁體夾緊裝配工藝方案分析及優(yōu)化

蘇智博，蔡富剛，海永富，陶希家，叢 雯，薛文博

（長(zhǎng)春中車軌道車輛有限公司，長(zhǎng)春 130062）

0 引言

磁懸浮列車克服了傳統(tǒng)列車車輪與車軌的摩擦和機(jī)械噪聲等問(wèn)題[1]，是軌道交通領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。磁懸浮列車從懸浮原理上主要分為電動(dòng)懸浮、電磁懸浮和混合電磁懸浮[2]3 種類型。其中，電動(dòng)懸浮又分為超導(dǎo)電動(dòng)懸浮和永磁電動(dòng)懸浮[3]，其原理為磁體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，空間中會(huì)產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，進(jìn)而在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)渦流，從而發(fā)生電磁作用，而產(chǎn)生電磁力[4]。其中，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮因具有懸浮間隙大、不需要主動(dòng)控制和高浮阻比等優(yōu)點(diǎn)，成為了高速或超高速場(chǎng)合的潛在候選方案之一[5]。

日本在2012 年研制出了L0 型磁懸浮列車，并于2015 年在山梨試驗(yàn)線上創(chuàng)造了603 km∕h 的載人最高行駛速度世界紀(jì)錄[6]。美國(guó)在1966 年由POWELL J R 和DANBY G實(shí)現(xiàn)了用超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)懸浮[7]。

圖1 高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮全要素實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

我國(guó)在近年也開(kāi)展了關(guān)于磁懸浮技術(shù)的研究，2019 年某股份公司成功下線了采用常導(dǎo)電磁懸浮原理的600 km∕h 高速磁懸浮樣車[8]。2014 年西南交通大學(xué)將高溫超導(dǎo)磁懸浮與真空管道概念相結(jié)合，研制出了新一代的高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)平臺(tái)“Super-Maglev”[9]。2023年3 月31 日，某股份公司對(duì)外發(fā)布了其自主研制的國(guó)內(nèi)首套高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮全要素試驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了首次懸浮展示[10]，標(biāo)志著我國(guó)在高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮領(lǐng)域取得了重大突破。圖1所示為懸浮試驗(yàn)展示過(guò)程。磁懸浮列車主要包括三大系統(tǒng)：懸浮系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)[11]。對(duì)于高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮系統(tǒng)，高溫超導(dǎo)磁體是其關(guān)鍵，其導(dǎo)冷部位的裝配質(zhì)量更是重中之重。磁懸浮列車的裝配工藝不同于傳統(tǒng)軌道列車，赫宏聯(lián)等[12]對(duì)批量生產(chǎn)中低速磁懸浮車輛的裝配工藝做了詳細(xì)的分析和優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率。聶麗麗等[13]深入分析了磁懸浮鋁合金車體焊接技術(shù)，解決了薄板和薄壁焊接問(wèn)題。本文以某高溫超導(dǎo)磁體為例，介紹超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的導(dǎo)冷路徑，分析導(dǎo)冷組件夾緊裝配過(guò)程中涉及到的工藝細(xì)節(jié)，并利用有限元軟件驗(yàn)證導(dǎo)冷組件之間的夾緊關(guān)系對(duì)導(dǎo)冷能力的影響；提出一種新型裝配輔助液壓夾緊裝置，提高超導(dǎo)磁體的裝配質(zhì)量和裝配效率。

1 高溫超導(dǎo)磁體的基本結(jié)構(gòu)

高溫超導(dǎo)磁體如圖2 所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：超導(dǎo)線圈組件、導(dǎo)冷組件、制冷機(jī)、內(nèi)杜瓦等部分[14]。其中，超導(dǎo)線圈組件、導(dǎo)冷組件和內(nèi)杜瓦是高溫超導(dǎo)磁體的主要導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)。涉及到夾緊裝配的主要是超導(dǎo)線圈組件和導(dǎo)冷組件之間，內(nèi)杜瓦與導(dǎo)冷組件之間。

常見(jiàn)金屬導(dǎo)熱系數(shù)如表1 所示，導(dǎo)熱系數(shù)的意義為材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，材料的導(dǎo)熱能力越好。對(duì)于高溫超導(dǎo)磁體而言，良好的導(dǎo)熱能力能夠加速高溫超導(dǎo)磁體的降溫，使得高溫超導(dǎo)磁體更加穩(wěn)定地進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。

圖2 高溫超導(dǎo)磁體

表1 常見(jiàn)金屬導(dǎo)熱系數(shù)

綜合材料本身的導(dǎo)熱性、成本和機(jī)加工性能，最終確定導(dǎo)冷組件使用的材料為鋁，同時(shí)為提高超導(dǎo)線圈組件的導(dǎo)冷能力，超導(dǎo)線圈組件上預(yù)制一定面積的銅結(jié)構(gòu)從而與導(dǎo)冷組件之間形成金屬面接觸。超導(dǎo)線圈組件通常需要在30～40 K的溫度下才能夠維持超導(dǎo)狀態(tài)，需要由制冷機(jī)提供冷源。磁體內(nèi)部冷量傳遞關(guān)系如圖3所示，冷源通過(guò)制冷機(jī)產(chǎn)生，通過(guò)導(dǎo)冷轉(zhuǎn)接件傳遞至導(dǎo)冷組件進(jìn)而傳遞到超導(dǎo)線圈組件和內(nèi)杜瓦中[15]。

高溫超導(dǎo)磁體需要工作于運(yùn)行在“三斷”狀態(tài)下，即斷電、斷制冷、斷真空[16]。磁體內(nèi)部設(shè)置有冷源存放裝置，該裝置也通過(guò)金屬面接觸傳遞冷量，在全斷電的情況下，超導(dǎo)磁體由于外界冷源的切斷勢(shì)必會(huì)升溫，此時(shí)內(nèi)置的冷源將承擔(dān)起磁體降溫的功能，內(nèi)部具備良好的導(dǎo)冷能力是高溫超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)全脫機(jī)運(yùn)行的重要指標(biāo)。

圖3 高溫超導(dǎo)磁體內(nèi)部冷量傳遞示意

2 導(dǎo)冷組件夾緊裝配過(guò)程分析

導(dǎo)冷組件和超導(dǎo)線圈組件，導(dǎo)冷組件與內(nèi)杜瓦之間采用均金屬面接觸，只有在二者的接觸面完全貼合時(shí)才能夠保證傳遞冷量滿足設(shè)計(jì)值。圖4 所示為內(nèi)杜瓦、導(dǎo)冷組件、超導(dǎo)線圈組件之間的接觸關(guān)系。

在裝配過(guò)程中，應(yīng)先安裝導(dǎo)冷組件和內(nèi)杜瓦，需要將二者緊密貼合在一起，其中導(dǎo)冷組件材質(zhì)為鋁，內(nèi)腔體的材質(zhì)為鋁合金，二者之間使用螺栓進(jìn)行連接。導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件之間也使用螺栓進(jìn)行連接，因?yàn)殇X材質(zhì)較軟且導(dǎo)冷組件尺寸較大，所以在安裝上述3組件的過(guò)程中極易出現(xiàn)貼合不嚴(yán)，造成高溫超導(dǎo)磁體導(dǎo)冷效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期。為改善這種情況，提出了針對(duì)性的裝配工藝。

2.1 導(dǎo)冷組件與內(nèi)杜瓦的裝配工藝過(guò)程

導(dǎo)冷組件與內(nèi)杜瓦的工藝主要為以下6 個(gè)步驟：（1）清理各組件表面，確保無(wú)污點(diǎn)、污漬、切屑等雜物；（2）將導(dǎo)冷組件與內(nèi)杜瓦進(jìn)行預(yù)組裝，確定各安裝孔位開(kāi)孔正確，確認(rèn)各安裝螺栓能夠正常通過(guò)無(wú)干涉；（3）以導(dǎo)冷組件中部為起始點(diǎn)，放入安裝螺栓并進(jìn)行組裝（螺栓不需要完全擰緊）；（4）使用如圖5 所示的F 形卡子將導(dǎo)冷組件與內(nèi)杜瓦夾緊，確保二者之間無(wú)縫隙；（5）以導(dǎo)冷組件中部為起點(diǎn)，對(duì)螺栓進(jìn)行最終緊固，確保無(wú)松動(dòng)，并利用扭矩扳手施加預(yù)定扭矩；（6）使用塞尺對(duì)導(dǎo)冷組件和內(nèi)杜瓦之間的縫隙進(jìn)行檢查，確保二者之間能夠緊密貼合，若發(fā)現(xiàn)并未完全貼合，使用F 形卡子進(jìn)行二次夾緊，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件的接觸關(guān)系

圖5 F形卡子

2.2 導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件的裝配工藝過(guò)程

導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件的裝配工藝主要為以下6個(gè)步驟：（1）清理各組件，確保各組件上無(wú)污點(diǎn)、污漬、切屑等雜物；（2）預(yù)組裝超導(dǎo)線圈組件與導(dǎo)冷組件，確定各安裝孔位開(kāi)口正確，安裝螺栓能夠正常通過(guò)無(wú)干涉，超導(dǎo)線圈組件能夠正確放置于設(shè)計(jì)位置；（3）使用安裝螺栓對(duì)超導(dǎo)線圈組件進(jìn)行組裝（螺栓不需要完全擰緊）；（4）使用如圖5 所示的F 形卡子，將超導(dǎo)線圈組件和導(dǎo)冷組件進(jìn)行夾緊，消除二者之間的縫隙；（5）對(duì)螺栓進(jìn)行最終緊固，確保無(wú)松動(dòng)，并利用扭矩扳手施加預(yù)定扭矩；（6）使用塞尺檢查導(dǎo)冷組件和超導(dǎo)線圈組件之間的縫隙，確保二者之間緊密貼合若發(fā)現(xiàn)并未完全貼合，使用F 形卡子進(jìn)行二次夾緊，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 所示為裝配后的導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件，可以看出各組件之間緊密貼合，無(wú)明顯可見(jiàn)縫隙。

3 導(dǎo)冷組件夾緊裝配過(guò)程優(yōu)化

3.1 導(dǎo)冷組件夾緊狀態(tài)影響導(dǎo)冷能力的有限元驗(yàn)證

為驗(yàn)證導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件之間裝配間隙對(duì)導(dǎo)冷能力的影響，建立簡(jiǎn)化的有限元模型，模擬裝配體處于完全夾緊和未完全夾緊的狀態(tài)，對(duì)比二者之間的導(dǎo)冷能力差異。

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)將模型簡(jiǎn)化為導(dǎo)冷轉(zhuǎn)接件、導(dǎo)冷組件和超導(dǎo)線圈組件3部分；建立2個(gè)相同尺寸規(guī)格的模型。在高溫超導(dǎo)磁體中導(dǎo)冷都是借助金屬之間的面接觸，如果出現(xiàn)未夾緊的狀態(tài)則會(huì)直接影響兩組件之間的金屬接觸面積。所以通過(guò)改變超導(dǎo)線圈組件與導(dǎo)冷組件的接觸面積的大小，來(lái)模擬二者在未完全夾緊的狀態(tài)。圖7所示為所建立的有限元模型，其中圖示標(biāo)注紅圈位置為模擬的未夾緊狀態(tài)，以實(shí)際模型中各組件的分布情況為依據(jù)，確定各組件的分布位置。

圖6 裝配完成的導(dǎo)冷組件與超導(dǎo)線圈組件

圖7 導(dǎo)冷能力驗(yàn)證模型

將二者設(shè)定為同樣的有限元計(jì)算邊界條件，對(duì)導(dǎo)冷轉(zhuǎn)接件施加30 K 的溫度源，模擬制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量傳遞，其中導(dǎo)冷轉(zhuǎn)接件和超導(dǎo)線圈組件的材料設(shè)置為銅，導(dǎo)冷組件設(shè)置為鋁，所有組件使用接合的接觸方式，暫不考慮材料本身的熱阻對(duì)導(dǎo)冷能力的影響。

圖8 所示為計(jì)算后的有限元結(jié)果。由圖可知，在同樣的邊界條件，完全夾緊、未完全夾緊的模型最高溫度分別為37、37.4 K，說(shuō)明未夾緊狀態(tài)的降溫能力顯著低于夾緊狀態(tài)。從圖示選取的兩個(gè)對(duì)比點(diǎn)，夾緊狀態(tài)下選取點(diǎn)處溫度分別是36.3、36.8 K，未夾緊模型選取的同區(qū)域點(diǎn)處溫度分別是37.4、37.2 K，發(fā)現(xiàn)未夾緊模型的溫度均高于夾緊模型的溫度，則可證明兩組件之間是否夾緊導(dǎo)致的接觸狀態(tài)對(duì)組件的導(dǎo)冷能力具有一定影響。

本次有限元模擬的只是一個(gè)瞬態(tài)溫度，現(xiàn)實(shí)中磁體降溫是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，需要從室溫降至40 K 左右，通常需要1～2 d 的時(shí)間，若磁體的導(dǎo)冷能力不佳則會(huì)大大延長(zhǎng)磁體的降溫時(shí)間。在高溫超導(dǎo)磁體勵(lì)磁的過(guò)程中，超導(dǎo)線圈也會(huì)散發(fā)一定的熱量，這部分熱量也需要導(dǎo)冷組件傳遞冷量進(jìn)行抵消，若超導(dǎo)磁體的降溫能力不佳，也會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)磁體勵(lì)磁進(jìn)度緩慢，影響整體生產(chǎn)進(jìn)度。

3.2 導(dǎo)冷組件夾緊裝配工藝優(yōu)化

高溫超導(dǎo)磁體在試驗(yàn)階段共生產(chǎn)了5套[16]，在前2套生產(chǎn)結(jié)束后，對(duì)磁體的裝配工藝過(guò)程進(jìn)行了深入的總結(jié)和分析。

在前期階段的裝配中大量使用了F形卡子進(jìn)行夾緊，這種F形卡子雖然能夠使得兩組件之間實(shí)現(xiàn)緊密的結(jié)合，但存在許多弊端：（1）無(wú)法實(shí)現(xiàn)全平面的同步夾緊，有可能導(dǎo)致某些邊角區(qū)域未實(shí)現(xiàn)緊密的貼合，從而影響冷量的傳遞；（2）夾緊操作中需要的力量較大，人工操作比較消耗體力，夾緊力也局限于人工的力量；（3）F 形卡子質(zhì)量較大，反復(fù)搬運(yùn)造成了時(shí)間和體力上的浪費(fèi)，單次作業(yè)需求人員至少為兩人。

為解決需要反復(fù)使用F 形卡子進(jìn)行夾緊裝配質(zhì)量和效率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種如圖9 所示的裝配輔助液壓夾緊裝置[17]來(lái)提高高溫超導(dǎo)磁體生產(chǎn)中的夾緊裝配作業(yè)生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量。

該裝置通過(guò)一個(gè)手動(dòng)的液壓機(jī)構(gòu)提供壓緊力。機(jī)構(gòu)分為上板和下板，其中上板為固定結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)夾緊區(qū)域的高度，下板為集成的手動(dòng)液壓裝置，通過(guò)液壓施加夾緊力，保證了夾緊力的一致性，上板和下板可根據(jù)夾緊區(qū)域大小的需求靈活進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行夾緊的可行性。在大型零件的夾緊裝配中，可以批量使用該裝置進(jìn)行組合作業(yè)，以保證全區(qū)域夾緊的一致性。

該裝置在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)壓緊零件的大小靈活換裝不同的上下板，可以根據(jù)壓緊部件的形狀定制同形狀的上下板，從而保證對(duì)整個(gè)平面進(jìn)行同步夾緊，避免分段夾緊出現(xiàn)遺漏。

利用該裝置將原裝配工藝中的F 形卡子進(jìn)行替換優(yōu)化，能夠極大地提高部件之間的貼合度，節(jié)省搬運(yùn)所造成的人員體力浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，為后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了高溫超導(dǎo)磁體的導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷路徑，對(duì)導(dǎo)冷組件的裝配工藝方案進(jìn)行了總結(jié)，利用有限元仿真模擬了導(dǎo)冷組件處于夾緊狀態(tài)和未夾緊狀態(tài)對(duì)導(dǎo)冷能力的影響。根據(jù)裝配過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，提出了一種新型裝配輔助液壓夾緊裝置。該裝置的應(yīng)用能夠有效地降低高溫超導(dǎo)磁體裝配過(guò)程中對(duì)于操作人員體力的浪費(fèi)，減少大型工具反復(fù)搬運(yùn)造成的時(shí)間上的浪費(fèi)，提高高溫超導(dǎo)磁體的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為后續(xù)高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮工程化樣車磁體的生產(chǎn)積累了相關(guān)技術(shù)。

圖9 一種裝配輔助液壓夾緊裝置示意[17]