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先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究

李春华 王梓豪 周宁闯 董岚 王小龙 屈化民

李春华, 王梓豪, 周宁闯, 等. 先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
引用本文: 李春华, 王梓豪, 周宁闯, 等. 先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
Li Chunhua, Wang Zihao, Zhou Ningchuang, et al. Magnet support plinths of advanced light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
Citation: Li Chunhua, Wang Zihao, Zhou Ningchuang, et al. Magnet support plinths of advanced light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201

先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
基金项目: 国家重点研发计划支持项目(2016YFA0402004)
详细信息
    作者简介:

    李春华(1978—),女,博士,从事加速器精密机械及机械稳定性研究;lichunhua@ihep.ac.cn

    通讯作者:

    王梓豪(1989—),男,博士,从事加速器精密机械及机械稳定性研究;wangzihao@ihep.ac.cn

  • 中图分类号: TL503

Magnet support plinths of advanced light source

  • 摘要: 基座作为磁铁支架的基础,其制作工艺以及与地面连接固定方式的不同将影响磁铁与支架的稳定性。基于先进光源对磁铁支撑系统稳定性的极高要求,开展了基座安装浇筑实验,选取工程上常用的几种混凝土施工工艺,制作统一外形尺寸的实验件,通过锤击法逐一测试其固有频率,评估其稳定性,得到二次灌浆可有效提高稳定性、环氧基灌浆料获得的稳定性优于水泥基灌浆料等结论。基于固有频率测试结果,以HEPS支撑系统为例分析了不同的基座安装方式对系统模态的影响。
  • 图  1  测试系统构成

    Figure  1.  Test system composition

    图  2  基座安装截面示意图

    Figure  2.  Schematic section of the plinth installed

    图  3  基座实验件的布置

    Figure  3.  Layout of the experimental plinths

    图  4  基座仿真模态

    Figure  4.  Modal simulation of the plinths

    图  5  基座激振点与测振点分布

    Figure  5.  Layout of the hammer points and sensor points on the plinth

    图  6  固有频率测试结果

    Figure  6.  Test result of natural frequency

    图  7  阻尼比测试结果

    Figure  7.  Test result of damping ratio

    图  8  支撑系统样机模型

    Figure  8.  Support system prototype model

    图  9  支撑系统样机模型振型图

    Figure  9.  Vibration diagram of support system prototype model

    图  10  支撑系统固有频率变化趋势

    Figure  10.  Trend of natural frequencies of support systems

    表  1  基座对支撑系统稳定性的影响

    Table  1.   Effect of the plinth on the stability of the support system

    descriptionf1 of plinth/HzEquivalent E /MPaf1 of system/Hz
    no grouting1026540
    Concrete pouring23135062
    CGM grouting30970067
    EGM grouting420150070
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-16
  • 修回日期:  2020-09-02
  • 网络出版日期:  2020-11-17

先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
    基金项目:  国家重点研发计划支持项目(2016YFA0402004)
    作者简介:

    李春华(1978—),女,博士,从事加速器精密机械及机械稳定性研究;lichunhua@ihep.ac.cn

    通讯作者: 王梓豪(1989—),男,博士,从事加速器精密机械及机械稳定性研究;wangzihao@ihep.ac.cn
  • 中图分类号: TL503

摘要: 基座作为磁铁支架的基础,其制作工艺以及与地面连接固定方式的不同将影响磁铁与支架的稳定性。基于先进光源对磁铁支撑系统稳定性的极高要求,开展了基座安装浇筑实验,选取工程上常用的几种混凝土施工工艺,制作统一外形尺寸的实验件,通过锤击法逐一测试其固有频率,评估其稳定性,得到二次灌浆可有效提高稳定性、环氧基灌浆料获得的稳定性优于水泥基灌浆料等结论。基于固有频率测试结果,以HEPS支撑系统为例分析了不同的基座安装方式对系统模态的影响。

English Abstract

李春华, 王梓豪, 周宁闯, 等. 先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
引用本文: 李春华, 王梓豪, 周宁闯, 等. 先进光源磁铁支撑基座稳定性的实验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
Li Chunhua, Wang Zihao, Zhou Ningchuang, et al. Magnet support plinths of advanced light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
Citation: Li Chunhua, Wang Zihao, Zhou Ningchuang, et al. Magnet support plinths of advanced light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200201
  • 衍射极限光源是同步辐射光源发展的一个重要方向,具有高能量、极低发射度等的特点[1]。极低的发射度对磁铁支撑的稳定性提出了越来越高的要求,基座作为磁铁与支架的安装基础,其稳定性对整个支撑系统来说极为关键。近年来,混凝土结构的基座因其多方面的优势受到越来越多的关注。相比于钢材的框架结构,混凝土是实体结构,稳定性更好而成本更低。与地面之间的连接通常采用二次浇筑或灌浆的方式,使结合面能够实现无缝紧密连接,获得更好的连接刚度。瑞典MAX IV、美国APS-U、巴西Sirius等新建或在建光源均采用了不同形式的混凝土基座[2-5]

    混凝土在土木工程施工中应用极为广泛,如建筑、桥梁、路基等,其设计、施工工艺以及质量检测虽然都有相对成熟的规范可以遵循[6-9],但磁铁支撑基座为混凝土的跨领域应用,其特殊性在于对设备稳定性的超常规要求,不同施工工艺可能对设备安装后的稳定性具有非常显著的影响,然而实际操作实施中却缺乏经验数据的支持。为此,本文设计了基座安装浇筑实验,选取工程上常用的几种混凝土施工工艺制作实验件,测试其稳定性,以明确不同基座制作工艺及其固定安装方式所获得的性能优劣,为工程上确定基座设计安装方案提供参考。

    • 支撑系统对磁铁振动的影响主要体现在对地面振动的传递与放大,提高稳定性的关键在于提高其结构刚度[10-11]。根据单自由度系统运动方程可知,系统的刚度$ K $与固有频率$ \omega $满足关系式(1),对于质量M基本确定的基座来说,刚度越高,则其固有频率越高,因此可以通过测量基座的固有频率来评估其稳定性,而固有频率可以通过模态测试与分析获得。

      $$\omega = \sqrt {K/M} $$ (1)

      线性系统的运动方程可以由多个相互耦合的微分方程表示,模态分析过程是通过坐标变换,将系统运动方程进行解耦的过程,通过分析系统频响函数,进而识别出包括固有频率在内的系统模态参数。模态测试过程是一种测量结构输入、输出信号来获取系统频响函数的过程。基座实验中,模态测试的激励方式采用力锤激励,能够方便、快捷地实现宽频激励;待测结构响应信号的获取,采用IEPE压电加速度计,其优点为结构小巧、安装方便、测量频带宽;数据采集过程选用SIRIUS高密度型动态采集模块,单台拥有16个通道,每通道拥有独立的24位$ {\rm{\Sigma }}-{\rm{\Delta }} $型ADC以及最高200 KHz的采样频率。基于上述仪器,可搭建模态测试系统,如图1所示,将加速度计与被测对象进行固定,以测量输出信号;力锤激励提供输入信号;用电缆线将力锤和加速度计分别与信号采集仪相连接,同时采集输入、输出信号;信号采集仪通过USB线与计算机相连接,进行数据存储与参数识别工作。

      图  1  测试系统构成

      Figure 1.  Test system composition

    • 基座试验件分为A、B两组,分别安装在北京怀柔HEPS光源场地的两块实验地基上进行测试,以验证测试结果的重复性。地基尺寸24000 mm×16000 mm,厚度800~1000 mm,相对于基座来说尺寸和重量足够大,对基座稳定性测试结果的影响可以忽略。为了与支架的安装相匹配,基座截面设计为凹槽型,如图2所示,基座宽1200 mm,高500 mm,总长度为3300 mm。混凝土基座上表面需预埋钢板,用于后续支架的安装。

      图  2  基座安装截面示意图

      Figure 2.  Schematic section of the plinth installed

      通常来说,混凝土基座的制作有两种较为常用的施工工艺,第一是在位浇筑工艺,即在规定的浇筑位置支模板,基座结构一次整体浇筑成型,施工时需要在基座浇筑位置预留钢筋或后植筋,保证层间连接强度;二是混凝土预制件工艺,采用锚栓固定二次灌浆填充缝隙的方式来获得底板与地面间的紧密接触以及均匀传递荷载的要求。除了混凝土件,铸铁件在大批量应用时也是造价相对低廉的一种结构,作为对比,本实验增加了2组铸铁实验件,用以考察金属基座与混凝土基座的性能对比,实验重点考虑以下工况的测试

      (1)以在位浇筑为基准成型工艺,对比不同植筋方式对稳定性的影响;

      (2)以混凝土基座为基准实验件,对比在位浇筑件与预制件二次灌浆的性能表现;

      (3)以二次灌浆为基准施工方式,对比混凝土预制件与铸铁件、水泥基(CGM)灌浆料与环氧基(EGM)灌浆料的性能表现。

      (4)以铸铁基座为基准实验件,对比有无二次灌浆的性能差异并测试内部灌砂对稳定性的影响。

      基于上述考虑,共设计6种不同的基座实验件,其尺寸一致,结构以及与地面的连接方式如下。

      工况1。预植筋在位浇筑:地基浇筑时预留外露钢筋。现场组装钢筋笼与模具并浇筑成型,基座上表面预埋40 mm钢板,安装时调平,高差小于±1 mm;钢板、钢筋笼以及预埋钢筋通过焊接连接;在位浇筑前对地面进行打毛处理,不得有碎渣、浮灰等以免影响结合强度;采用C60高强度微膨胀混凝土浇筑成型。

      工况2。后植筋在位浇筑:地基浇筑后地面进行化学植筋。其余工艺同工况1。

      工况3。铸件无灌浆:地基浇筑时预埋钢板,并与基础钢筋进行锚固焊接,钢板厚度不小于40 mm。基座为铸铁结构,通过螺栓连接固定到预埋钢板上。

      工况4。混凝土预制件+EGM二次灌浆:基座为混凝土预制件,上表面预埋40 mm钢板作为设备安装面;地面打毛处理,方法同工况1。安装时将基座调高至与地面间隙约50 mm并调平上表面,高差小于±1 mm,然后用膨胀螺栓锁紧固定,避免水化热产生的位置跑动;用高强度无收缩EGM灌浆料将预制件与地面的间隙进行灌浆填充。

      工况5。铸件+全灌浆:基座为铸铁结构,固定安装方式同工况4,最后采用CGM无收缩灌浆料填充与地面间的缝隙以及基座内腔。

      混凝土预制件+CGM二次灌浆:基座为预制混凝土预制件,固定安装方式同工况4,最后采用CGM无收缩灌浆料与地面进行灌浆连接。

      混凝土浇筑施工应严格按照操作规范进行,浇筑过程中应充分振捣,避免夹杂空气,浇筑完成后需进行全面养护,使水化反应充分,达到预期的强度;同时控制内外温差在25 ℃以内,避免产生裂缝;养护28 d后进行各项测试[12]

      六种工况实验件的位置分布如图3所示。

      图  3  基座实验件的布置

      Figure 3.  Layout of the experimental plinths

    • 为了对基座的振动特性有个初步了解,首先对基座的模态进行了仿真计算,定义垂向为基座高度方向,横向为宽度方向,纵向为长度方向;边界条件为底面全约束,相比于实际情况,简化了基座与地面间的连接状态,仿真结果偏于理想,固有频率数值会偏高,但各阶振型及其出现顺序对测试结果的分析具有参考意义。仿真结果显示,铸铁基座和混凝土基座的最低阶振型均为绕底面的横向摆动,说明在底面约束良好的情况下,该基座结构的横向为最不稳定的方向。

      图  4  基座仿真模态

      Figure 4.  Modal simulation of the plinths

    • 基座的浇筑固定效果对模态测试结果有很大的影响,而浇筑效果与施工工艺紧密相关。因此对施工后的试验件进行了肉眼观察,发现部分试验件存在一些缺陷,主要包括以下三类问题:(1)在位浇筑件的上安装板与混凝土之间存在较明显缝隙,分析原因为,浇筑过程中出现不同程度的涨模现象,混凝土塌落导致上板与混凝土脱离;(2)混凝土预制件的上板局部与混凝土产生不同程度的脱离,原因为,基座凹槽部位的模具设计不够合理,脱模困难,强行取出导致局部破坏;(3)灌浆施工质量不稳定,部分基座底面和灌浆层之间局部出现缝隙。

    • 采用锤击法对实验件逐一进行了三方向的模态测试,为了激发出全部模态,每个方向均选取2个以上的激振点,并涵盖混凝土部分和安装钢板部分,典型的激励点和传感器监测点分布如图5所示。其中,点1~点3为垂向激振点,分别敲击了两侧钢板以及混凝土基体部分;点4和点5为横向激振点,点6和点7为纵向激振点,同样分别选取了钢板和混凝土基体上各一点进行敲击。传感器测点在基座三个方向均各布置3~4组,以充分体现各个方向的振型。

      图  5  基座激振点与测振点分布

      Figure 5.  Layout of the hammer points and sensor points on the plinth

      测试结果见图6图7所示。图6为固有频率测试结果,图7为阻尼比的测试结果。总体来看,两个测试地基上相同工况的实验件测试结果具有一定的重复性。施工缺陷对模态性能有一定的影响,例如垂向模态为最低频率的基座(1A、4A、4B、6A、6B),均为上板出现空鼓,未与下方混凝土贴合紧密所致,而施工效果较好的基座其最低阶固有频率均为横向,与仿真分析结果一致。不同工况的结果呈现出一定的规律性,主要包括:(1)预植筋在位浇筑(1A、1B)和后植筋在位浇筑(2A)的振动特性无明显区别(基于此,实验中未再开展2B的施工);(2)在位浇筑基座(1A、1B、2A)的横向固有频率普遍低于预制件二次灌浆结构(4A、4B、6A、6B)。问题应出现在上板与下方混凝土之间的粘接效果上。相对而言,预制件在浇筑时,基座为上板在下的倒置状态,能够较大程度上避免夹气、漏浆等问题导致的混凝土与上板间结合不紧密的情况;(3)铸件无灌浆结构(3A、3B、3Bp)的固有频率远低于灌浆的工况(5A、5B),原因是基座底面与地面预埋板存在平整度差异,实际接触面存在较多缝隙;(4)铸件二次灌浆结构(5A、5B)三个方向的固有频率均有比较好的表现,整体上优于同种安装方式的混凝土件(6A、6B),说明铸铁基座整体性比较好,金属与混凝土间的结合较为牢固;(5)EGM二次灌浆实验件(4A、4B)的横向固有频率高于CGM灌浆料实验件(6A,6B);(6)灌砂(3Bp)显著地提高了原有系统(3B)的阻尼,但对固有频率影响不大。

      图  6  固有频率测试结果

      Figure 6.  Test result of natural frequency

      图  7  阻尼比测试结果

      Figure 7.  Test result of damping ratio

    • 以HEPS储存环预准直单元磁铁支撑系统样机为例,结合上述稳定性实验结论,分析了不同的基座安装方式对系统模态的影响。HEPS磁铁支撑系统样机模型如图8所示,由磁铁配重、支架本体、调节系统和基座组成,采用六点支撑的方式,支架本体和磁铁配重的总重量约7500 kg。设计要求整个系统的最低阶固有频率好于54 Hz[13]。该系统是一个多自由度系统,决定其稳定性的因素包含多个环节,为了分析基座的影响,其余部分的刚度需要进行合理的等效。其中垂向调节机构是影响较大的环节,采用动态刚度测试的方法,可较准确地得到其对应载荷下的刚度值,在模态分析中以刚度矩阵的方式建模,其余部分用实体模型进行仿真。基座及其与地面连接部分的刚度可采用等效弹性模量的方式进行仿真。

      图  8  支撑系统样机模型

      Figure 8.  Support system prototype model

      根据上文实验结果,忽略施工质量带来的影响,对比每种工况测得的横向固有频率,可提取出具有代表性的四种施工工艺,分别是在位浇筑、无灌浆、CGM灌浆以及EGM灌浆。根据每种工艺测得的固有频率最大值估算出对应基座的等效弹性模量,并以此作为支撑系统模态仿真的依据。按照上述方法,整个支撑单元模态仿真结果见表1。支撑系统的最低阶模态振型如图9所示。

      表 1  基座对支撑系统稳定性的影响

      Table 1.  Effect of the plinth on the stability of the support system

      descriptionf1 of plinth/HzEquivalent E /MPaf1 of system/Hz
      no grouting1026540
      Concrete pouring23135062
      CGM grouting30970067
      EGM grouting420150070

      图  9  支撑系统样机模型振型图

      Figure 9.  Vibration diagram of support system prototype model

      根据表1结果可以得到系统的固有频率随基座固有频率变化的趋势,如图10所示。可以看出,随着基座固有频率的提高,支撑系统的整体固有频率随之提高。其中,在无灌浆的情况下,支撑系统的最低阶固有频率为40 Hz,将无法达到HEPS的设计要求;灌浆的情况均能满足支撑系统稳定性设计要求,考虑到仿真的误差,设计应预留足够的余量,CGM/EGM二次灌浆工艺将是更为可靠的选择;如考虑获得更好的性能,可选择EGM二次灌浆工艺。从图10中还可以看出,系统固有频率提升的速度逐渐减小,说明提高基座的刚度对整个系统稳定性的贡献存在一个限度。根据刚度理论,串联系统的最低阶固有频率取决于刚度最薄弱环节,当基座刚度达到某一限定值时,其对整体固有频率的贡献将不再明显,说明此时系统除基座以外部分的刚度起主导作用。对于HEPS支撑系统样机来说,浇筑与不浇筑的影响最大,不同浇筑工艺的影响次之。随着基座以外部分刚度的增加,改善浇筑工艺的收益还会逐渐增大。

      图  10  支撑系统固有频率变化趋势

      Figure 10.  Trend of natural frequencies of support systems

    • 本文基于先进光源对磁铁支撑结构的稳定性需求,针对6种不同的工况,采用锤击法对基座实验件逐一进行了模态测试,两个测试平台上相同施工工艺的试验件测试结果有一定的重复性。对比各类实验工况的测试数据可以得到以下结论:(1)二次灌浆可有效提高基座的稳定性,其中EGM灌浆料的性能优于CGM灌浆料;(2)混凝土预制件二次灌浆安装的施工方式相比在位浇筑更易获得较好的施工质量,从而获得更好的稳定性。(3)灌砂能够有效的提高结构阻尼,因此对于振动较大的设备,可采用该方案来抑制振幅;(3)基座采用铸件填充混凝土结构,配合EGM二次灌浆安装,有望获得最优的稳定性。

      各类实验件在制作与施工中的出现的各种缺陷及其测试结果说明:(1)混凝土件的施工质量对结构的稳定性有显著影响,而施工人员基于常规混凝土的操作经验往往重视不足,导致施工效果不能达到预期目标,需特别注意;(2)受现场支模条件的限制,结构较复杂的工件进行在位浇筑时容易出现涨模现象,导致上板贴合不好,影响稳定性;(3)铸件无灌浆结构的模态性能受固定界面的平整度影响极大,而在现场施工中获得的预埋板平面度无法达到机加工的精度,因此难以获得更好的稳定性。

      文中以HEPS储存环预准直单元磁铁支撑系统样机模型为例,运用基座稳定性实验结论,对比了不同基座安装方式对系统模态的影响,并给出了同类装置基座安装工艺选择的参考意见。

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