大口径光学模块在线拆装防卡死故障的技术研究

2023-01-06苏春洲李银刚赵远情

现代制造技术与装备 2022年11期

苏春洲高东李银刚白斌谭宁赵远情

（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳 621900）

大型激光装置是研究高能量密度物理技术的重要设备，具有规模宏大、多学科交叉、结构复杂等突出特点[1]。为了进行高能量密度物理技术研究，国内外相继建造了一些大型激光装置，其中最具代表性的是美国的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）。此外，国内上海光机所也建造了相关装置[2]。

1 研究背景

某大型激光装置终端光学组件OM1类模块的在线洁净、高效率安装与维护是终端光学组件稳定、可靠运行的必要条件[3]。随着激光装置不断完成多发次、高通量的打靶实验，大口径光学元件模块需要及时进行在线维护更换，以保证优异的光束质量和极高的能量密度[4]。大口径光学元件模块在线更换过程中，通常采用洁净转运箱和终端光学组件进行对接[5]。光学模块利用两者轨道连接实现其在线更换，如图1所示。原有的终端光学组件OM1类模块在线洁净拆装设备中的光学元器件在洁净箱内部转移时，由于光学元器件的质量大，作用界面间的摩擦力较大，运动空间狭小，顺畅性差，导致光学元器件在转移过程中存在卡死故障。卡死故障与光学元件的安全紧密相关，严重时会导致光学元件的破损甚至碎裂[6]，如图2所示。光学元件微小的破损或碎裂是终端光学组件内颗粒污染物的主要来源，而光学元件严重的破损或碎裂将直接导致元件失效。针对光学元件模块在线维护过程中的卡死故障问题，需要分析光学模块与洁净箱或终端内的轨道之间相互作用，减少光学模块与轨道之间的界面作用力，降低光学模块在拆装过程中出现的卡死故障频率。

图1 洁净转运箱轨道与光学模块在终端上的拆装过程

图2 光学元件卡死造成的碎裂现象

2 光学元件卡死故障分析

光学元件的脆性大，在受到外力作用且没有缓冲的条件下极易损伤。为了增加缓冲效果，可以在光学模块与洁净箱接触部位增加橡胶垫圈。但是，由于这些具有缓冲效果的垫圈会增加与光学元器件间的摩擦力，极易变形，大大增加了光学元器件出现卡死故障的频率。当前，在某些洁净转运箱中安装有聚四氟乙烯轨道，以增加光学模块插拔的顺畅性。然而，经过多次运行发现，材质相对较软的聚四氟乙烯与不锈钢光学模块框体之间也容易产生运动卡滞现象，严重时会产生卡死故障。预防光学模块的卡死故障是实现靶场安全运维的基本保障，具有重要的理论和实践意义。

3 防卡死故障方案设计

针对某大型激光装置的光学元件模块在拆装过程中存在的卡死故障问题，详细分析造成卡死故障的原因，并在此基础上提出降低卡死故障频率的“滚轮驱动”方式，通过选择合适的滚轮材料和运动界面的摩擦特性有效调控措施，从而实现光学元件模块的有效插拔和拆装。结合现役某大型激光装置终端的光学模块拆装运维作业，对上述方案进行实验验证，以提高现役装置光学元件维护过程的安全性。项目提出了一种基于“滚轮驱动+界面调控”光学模块拆装防卡死技术，解决了光学模块在线拆除或安装过程中的卡死故障难题，通过运动的数字化仿真、摩擦的计算机模拟等技术途径优化设计参数，可为后续大型激光装置光学模块的安全维护提供依据。

光学元器件在洁净箱内转移过程中摩擦力过大，致使光学元器件出现卡死故障，且光学元件要保持洁净状态，不能使用任何固体或者液体润滑剂减少接触面间的摩擦力，可以采用安装滚轮的方式实现接触副间的直线滑动摩擦为滚动摩擦。设计中可以调整界面材料从“软-硬接触界面”到“硬-硬接触界面”，降低接触面间的摩擦系数。这种技术方案可以减少光学元件软硬界面接触的卡滞现象，也可以改变接触副的设计。例如，采用“三明治”结构，接触面采用“硬-硬接触界面”，在接触面与基体接触间放置缓冲元器件，降低元器件受到的冲击力。综合上述解决方案，最终确定“滚轮驱动+界面调控”的方式可以降低发生卡死故障的频率，如图3所示。

图3 滚轮驱动的技术方案

分析大口径光学元器件与洁净箱间作用力过大、洁净箱运行过程的冲击损伤以及转移过程的碰撞损伤等危险源项发生的条件，详细分析风险等级，总结相关风险控制措施。针对典型的滚轮安装方式进行力学分析建模，通过运动学和动力学等相关分析，得出驱动力随着光学元器件重量变化的数学关系。研究驱动力随着位移的变化规律，分析驱动力是否存在大幅度变化现象，并分析在不同驱动力条件下采用有限元分析光学模块的变形和应力状态。同时，采用ANSYS软件进行冲击分析，研究卡死和非卡死状态下光学元件的形变量分布，结果如图4和图5所示。从图4可以看出，在非卡死状态下，光学元件的变形主要集中在与滑轮接触的四角，最大应力为4.44×105Pa，应变为6.67×10-6Pa。从图5可以看出，在卡死状态下，光学元件的应力主要集中在卡死的单边与滑轮接触的地方，最大应变为6.57×10-5Pa，且该值会随着插拔过程中用力的增大而增大。

图4 水平放置下光学元件应力及应变分析

图5 卡死状态下光学元件应力及应变分析

驱动设计过程需要保证在大重量光学模块的压力下仍能够保证光学模块良好的直线运行效果，减少由于驱动轮和轨道变形导致的光学元器件的卡死故障问题。借助有限元分析手段，分析在不同作用力下驱动轮的变形情况，保证驱动轮的顺畅运行。由于光学元件在转移过程中无法保证水平与垂直状态，采用有限元分析方法分析在不同倾斜角度下光学模块对驱动轮的作用力、驱动轮变形情况以及所需驱动力大小，保证在不同倾斜角度下驱动轮仍具有良好的运动特性。结合某现役大型装置的光学元器件转移洁净箱对上述理论进行具体的实验验证，对理论分析的不同条件进行对应的实验分析，实现了光学元件在线维护过程“零卡死故障率”的目标。