大口徑光學模塊在線拆裝防卡死故障的技術研究

蘇春洲 高 東 李銀剛 白 斌 譚 寧 趙遠情

（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900）

大型激光裝置是研究高能量密度物理技術的重要設備，具有規模宏大、多學科交叉、結構復雜等突出特點[1]。為了進行高能量密度物理技術研究，國內外相繼建造了一些大型激光裝置，其中最具代表性的是美國的國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）。此外，國內上海光機所也建造了相關裝置[2]。

1 研究背景

某大型激光裝置終端光學組件OM1類模塊的在線潔凈、高效率安裝與維護是終端光學組件穩定、可靠運行的必要條件[3]。隨著激光裝置不斷完成多發次、高通量的打靶實驗，大口徑光學元件模塊需要及時進行在線維護更換，以保證優異的光束質量和極高的能量密度[4]。大口徑光學元件模塊在線更換過程中，通常采用潔凈轉運箱和終端光學組件進行對接[5]。光學模塊利用兩者軌道連接實現其在線更換，如圖1所示。原有的終端光學組件OM1類模塊在線潔凈拆裝設備中的光學元器件在潔凈箱內部轉移時，由于光學元器件的質量大，作用界面間的摩擦力較大，運動空間狹小，順暢性差，導致光學元器件在轉移過程中存在卡死故障。卡死故障與光學元件的安全緊密相關，嚴重時會導致光學元件的破損甚至碎裂[6]，如圖2所示。光學元件微小的破損或碎裂是終端光學組件內顆粒污染物的主要來源，而光學元件嚴重的破損或碎裂將直接導致元件失效。針對光學元件模塊在線維護過程中的卡死故障問題，需要分析光學模塊與潔凈箱或終端內的軌道之間相互作用，減少光學模塊與軌道之間的界面作用力，降低光學模塊在拆裝過程中出現的卡死故障頻率。

圖1 潔凈轉運箱軌道與光學模塊在終端上的拆裝過程

圖2 光學元件卡死造成的碎裂現象

2 光學元件卡死故障分析

光學元件的脆性大，在受到外力作用且沒有緩沖的條件下極易損傷。為了增加緩沖效果，可以在光學模塊與潔凈箱接觸部位增加橡膠墊圈。但是，由于這些具有緩沖效果的墊圈會增加與光學元器件間的摩擦力，極易變形，大大增加了光學元器件出現卡死故障的頻率。當前，在某些潔凈轉運箱中安裝有聚四氟乙烯軌道，以增加光學模塊插拔的順暢性。然而，經過多次運行發現，材質相對較軟的聚四氟乙烯與不銹鋼光學模塊框體之間也容易產生運動卡滯現象，嚴重時會產生卡死故障。預防光學模塊的卡死故障是實現靶場安全運維的基本保障，具有重要的理論和實踐意義。

3 防卡死故障方案設計

針對某大型激光裝置的光學元件模塊在拆裝過程中存在的卡死故障問題，詳細分析造成卡死故障的原因，并在此基礎上提出降低卡死故障頻率的“滾輪驅動”方式，通過選擇合適的滾輪材料和運動界面的摩擦特性有效調控措施，從而實現光學元件模塊的有效插拔和拆裝。結合現役某大型激光裝置終端的光學模塊拆裝運維作業，對上述方案進行實驗驗證，以提高現役裝置光學元件維護過程的安全性。項目提出了一種基于“滾輪驅動+界面調控”光學模塊拆裝防卡死技術，解決了光學模塊在線拆除或安裝過程中的卡死故障難題，通過運動的數字化仿真、摩擦的計算機模擬等技術途徑優化設計參數，可為后續大型激光裝置光學模塊的安全維護提供依據。

光學元器件在潔凈箱內轉移過程中摩擦力過大，致使光學元器件出現卡死故障，且光學元件要保持潔凈狀態，不能使用任何固體或者液體潤滑劑減少接觸面間的摩擦力，可以采用安裝滾輪的方式實現接觸副間的直線滑動摩擦為滾動摩擦。設計中可以調整界面材料從“軟-硬接觸界面”到“硬-硬接觸界面”，降低接觸面間的摩擦系數。這種技術方案可以減少光學元件軟硬界面接觸的卡滯現象，也可以改變接觸副的設計。例如，采用“三明治”結構，接觸面采用“硬-硬接觸界面”，在接觸面與基體接觸間放置緩沖元器件，降低元器件受到的沖擊力。綜合上述解決方案，最終確定“滾輪驅動+界面調控”的方式可以降低發生卡死故障的頻率，如圖3所示。

圖3 滾輪驅動的技術方案

分析大口徑光學元器件與潔凈箱間作用力過大、潔凈箱運行過程的沖擊損傷以及轉移過程的碰撞損傷等危險源項發生的條件，詳細分析風險等級，總結相關風險控制措施。針對典型的滾輪安裝方式進行力學分析建模，通過運動學和動力學等相關分析，得出驅動力隨著光學元器件重量變化的數學關系。研究驅動力隨著位移的變化規律，分析驅動力是否存在大幅度變化現象，并分析在不同驅動力條件下采用有限元分析光學模塊的變形和應力狀態。同時，采用ANSYS軟件進行沖擊分析，研究卡死和非卡死狀態下光學元件的形變量分布，結果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，在非卡死狀態下，光學元件的變形主要集中在與滑輪接觸的四角，最大應力為4.44×105Pa，應變為6.67×10-6Pa。從圖5可以看出，在卡死狀態下，光學元件的應力主要集中在卡死的單邊與滑輪接觸的地方，最大應變為6.57×10-5Pa，且該值會隨著插拔過程中用力的增大而增大。

圖4 水平放置下光學元件應力及應變分析

圖5 卡死狀態下光學元件應力及應變分析

驅動設計過程需要保證在大重量光學模塊的壓力下仍能夠保證光學模塊良好的直線運行效果，減少由于驅動輪和軌道變形導致的光學元器件的卡死故障問題。借助有限元分析手段，分析在不同作用力下驅動輪的變形情況，保證驅動輪的順暢運行。由于光學元件在轉移過程中無法保證水平與垂直狀態，采用有限元分析方法分析在不同傾斜角度下光學模塊對驅動輪的作用力、驅動輪變形情況以及所需驅動力大小，保證在不同傾斜角度下驅動輪仍具有良好的運動特性。結合某現役大型裝置的光學元器件轉移潔凈箱對上述理論進行具體的實驗驗證，對理論分析的不同條件進行對應的實驗分析，實現了光學元件在線維護過程“零卡死故障率”的目標。

4 結語

針對大型激光裝置運維過程中的大口徑光學模塊在線拆裝存在的卡死故障進行分析，提出采用“滾輪驅動+界面調控”的光學模塊拆裝防卡死技術，采用ANSYS軟件進行沖擊分析，同時結合集束式終端復雜的拆裝環境和替換現有的潔凈轉運箱軌道進行測試，對項目的技術方案進行驗證，提高了大口徑光學元件在線維護的安全性。