某高溫超導磁體夾緊裝配工藝方案分析及優化

蘇智博，蔡富剛，海永富，陶希家，叢 雯，薛文博

（長春中車軌道車輛有限公司，長春 130062）

0 引言

磁懸浮列車克服了傳統列車車輪與車軌的摩擦和機械噪聲等問題[1]，是軌道交通領域重要的發展方向。磁懸浮列車從懸浮原理上主要分為電動懸浮、電磁懸浮和混合電磁懸浮[2]3 種類型。其中，電動懸浮又分為超導電動懸浮和永磁電動懸浮[3]，其原理為磁體在運動過程中，空間中會產生時變磁場，進而在導體內部產生感應渦流，從而發生電磁作用，而產生電磁力[4]。其中，超導電動懸浮因具有懸浮間隙大、不需要主動控制和高浮阻比等優點，成為了高速或超高速場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 年在山梨試驗線上創造了603 km∕h 的載人最高行駛速度世界紀錄[6]。美國在1966 年由POWELL J R 和DANBY G實現了用超導磁體實現懸浮[7]。

圖1 高溫超導電動懸浮全要素實驗系統

我國在近年也開展了關于磁懸浮技術的研究，2019 年某股份公司成功下線了采用常導電磁懸浮原理的600 km∕h 高速磁懸浮樣車[8]。2014 年西南交通大學將高溫超導磁懸浮與真空管道概念相結合，研制出了新一代的高溫超導磁懸浮試驗平臺“Super-Maglev”[9]。2023年3 月31 日，某股份公司對外發布了其自主研制的國內首套高溫超導電動懸浮全要素試驗系統并進行了首次懸浮展示[10]，標志著我國在高溫超導電動懸浮領域取得了重大突破。圖1所示為懸浮試驗展示過程。磁懸浮列車主要包括三大系統：懸浮系統、驅動系統和導向系統[11]。對于高溫超導電動懸浮系統，高溫超導磁體是其關鍵，其導冷部位的裝配質量更是重中之重。磁懸浮列車的裝配工藝不同于傳統軌道列車，赫宏聯等[12]對批量生產中低速磁懸浮車輛的裝配工藝做了詳細的分析和優化，提高了生產效率。聶麗麗等[13]深入分析了磁懸浮鋁合金車體焊接技術，解決了薄板和薄壁焊接問題。本文以某高溫超導磁體為例，介紹超導磁體的結構和內部的導冷路徑，分析導冷組件夾緊裝配過程中涉及到的工藝細節，并利用有限元軟件驗證導冷組件之間的夾緊關系對導冷能力的影響；提出一種新型裝配輔助液壓夾緊裝置，提高超導磁體的裝配質量和裝配效率。

1 高溫超導磁體的基本結構

高溫超導磁體如圖2 所示，其內部結構主要包括：超導線圈組件、導冷組件、制冷機、內杜瓦等部分[14]。其中，超導線圈組件、導冷組件和內杜瓦是高溫超導磁體的主要導冷結構。涉及到夾緊裝配的主要是超導線圈組件和導冷組件之間，內杜瓦與導冷組件之間。

常見金屬導熱系數如表1 所示，導熱系數的意義為材料的導熱系數越高，材料的導熱能力越好。對于高溫超導磁體而言，良好的導熱能力能夠加速高溫超導磁體的降溫，使得高溫超導磁體更加穩定地進入超導狀態。

圖2 高溫超導磁體

表1 常見金屬導熱系數

綜合材料本身的導熱性、成本和機加工性能，最終確定導冷組件使用的材料為鋁，同時為提高超導線圈組件的導冷能力，超導線圈組件上預制一定面積的銅結構從而與導冷組件之間形成金屬面接觸。超導線圈組件通常需要在30～40 K的溫度下才能夠維持超導狀態，需要由制冷機提供冷源。磁體內部冷量傳遞關系如圖3所示，冷源通過制冷機產生，通過導冷轉接件傳遞至導冷組件進而傳遞到超導線圈組件和內杜瓦中[15]。

高溫超導磁體需要工作于運行在“三斷”狀態下，即斷電、斷制冷、斷真空[16]。磁體內部設置有冷源存放裝置，該裝置也通過金屬面接觸傳遞冷量，在全斷電的情況下，超導磁體由于外界冷源的切斷勢必會升溫，此時內置的冷源將承擔起磁體降溫的功能，內部具備良好的導冷能力是高溫超導磁體實現全脫機運行的重要指標。

圖3 高溫超導磁體內部冷量傳遞示意

2 導冷組件夾緊裝配過程分析

導冷組件和超導線圈組件，導冷組件與內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才能夠保證傳遞冷量滿足設計值。圖4 所示為內杜瓦、導冷組件、超導線圈組件之間的接觸關系。

在裝配過程中，應先安裝導冷組件和內杜瓦，需要將二者緊密貼合在一起，其中導冷組件材質為鋁，內腔體的材質為鋁合金，二者之間使用螺栓進行連接。導冷組件與超導線圈組件之間也使用螺栓進行連接，因為鋁材質較軟且導冷組件尺寸較大，所以在安裝上述3組件的過程中極易出現貼合不嚴，造成高溫超導磁體導冷效果無法達到預期。為改善這種情況，提出了針對性的裝配工藝。

2.1 導冷組件與內杜瓦的裝配工藝過程

導冷組件與內杜瓦的工藝主要為以下6 個步驟：（1）清理各組件表面，確保無污點、污漬、切屑等雜物；（2）將導冷組件與內杜瓦進行預組裝，確定各安裝孔位開孔正確，確認各安裝螺栓能夠正常通過無干涉；（3）以導冷組件中部為起始點，放入安裝螺栓并進行組裝（螺栓不需要完全擰緊）；（4）使用如圖5 所示的F 形卡子將導冷組件與內杜瓦夾緊，確保二者之間無縫隙；（5）以導冷組件中部為起點，對螺栓進行最終緊固，確保無松動，并利用扭矩扳手施加預定扭矩；（6）使用塞尺對導冷組件和內杜瓦之間的縫隙進行檢查，確保二者之間能夠緊密貼合，若發現并未完全貼合，使用F 形卡子進行二次夾緊，確保滿足設計要求。

圖4 導冷組件與超導線圈組件的接觸關系

圖5 F形卡子

2.2 導冷組件與超導線圈組件的裝配工藝過程

導冷組件與超導線圈組件的裝配工藝主要為以下6個步驟：（1）清理各組件，確保各組件上無污點、污漬、切屑等雜物；（2）預組裝超導線圈組件與導冷組件，確定各安裝孔位開口正確，安裝螺栓能夠正常通過無干涉，超導線圈組件能夠正確放置于設計位置；（3）使用安裝螺栓對超導線圈組件進行組裝（螺栓不需要完全擰緊）；（4）使用如圖5 所示的F 形卡子，將超導線圈組件和導冷組件進行夾緊，消除二者之間的縫隙；（5）對螺栓進行最終緊固，確保無松動，并利用扭矩扳手施加預定扭矩；（6）使用塞尺檢查導冷組件和超導線圈組件之間的縫隙，確保二者之間緊密貼合若發現并未完全貼合，使用F 形卡子進行二次夾緊，確保滿足設計要求。

圖6 所示為裝配后的導冷組件與超導線圈組件，可以看出各組件之間緊密貼合，無明顯可見縫隙。

3 導冷組件夾緊裝配過程優化

3.1 導冷組件夾緊狀態影響導冷能力的有限元驗證

為驗證導冷組件與超導線圈組件之間裝配間隙對導冷能力的影響，建立簡化的有限元模型，模擬裝配體處于完全夾緊和未完全夾緊的狀態，對比二者之間的導冷能力差異。

根據實際結構將模型簡化為導冷轉接件、導冷組件和超導線圈組件3部分；建立2個相同尺寸規格的模型。在高溫超導磁體中導冷都是借助金屬之間的面接觸，如果出現未夾緊的狀態則會直接影響兩組件之間的金屬接觸面積。所以通過改變超導線圈組件與導冷組件的接觸面積的大小，來模擬二者在未完全夾緊的狀態。圖7所示為所建立的有限元模型，其中圖示標注紅圈位置為模擬的未夾緊狀態，以實際模型中各組件的分布情況為依據，確定各組件的分布位置。

圖6 裝配完成的導冷組件與超導線圈組件

圖7 導冷能力驗證模型

將二者設定為同樣的有限元計算邊界條件，對導冷轉接件施加30 K 的溫度源，模擬制冷機產生的冷量傳遞，其中導冷轉接件和超導線圈組件的材料設置為銅，導冷組件設置為鋁，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導冷能力的影響。

圖8 所示為計算后的有限元結果。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，說明未夾緊狀態的降溫能力顯著低于夾緊狀態。從圖示選取的兩個對比點，夾緊狀態下選取點處溫度分別是36.3、36.8 K，未夾緊模型選取的同區域點處溫度分別是37.4、37.2 K，發現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致的接觸狀態對組件的導冷能力具有一定影響。

本次有限元模擬的只是一個瞬態溫度，現實中磁體降溫是一個連續的過程，需要從室溫降至40 K 左右，通常需要1～2 d 的時間，若磁體的導冷能力不佳則會大大延長磁體的降溫時間。在高溫超導磁體勵磁的過程中，超導線圈也會散發一定的熱量，這部分熱量也需要導冷組件傳遞冷量進行抵消，若超導磁體的降溫能力不佳，也會導致超導磁體勵磁進度緩慢，影響整體生產進度。

3.2 導冷組件夾緊裝配工藝優化

高溫超導磁體在試驗階段共生產了5套[16]，在前2套生產結束后，對磁體的裝配工藝過程進行了深入的總結和分析。

在前期階段的裝配中大量使用了F形卡子進行夾緊，這種F形卡子雖然能夠使得兩組件之間實現緊密的結合，但存在許多弊端：（1）無法實現全平面的同步夾緊，有可能導致某些邊角區域未實現緊密的貼合，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 形卡子質量較大，反復搬運造成了時間和體力上的浪費，單次作業需求人員至少為兩人。

為解決需要反復使用F 形卡子進行夾緊裝配質量和效率的問題，設計一種如圖9 所示的裝配輔助液壓夾緊裝置[17]來提高高溫超導磁體生產中的夾緊裝配作業生產效率和裝配質量。

該裝置通過一個手動的液壓機構提供壓緊力。機構分為上板和下板，其中上板為固定結構，可以根據實際情況調節夾緊區域的高度，下板為集成的手動液壓裝置，通過液壓施加夾緊力，保證了夾緊力的一致性，上板和下板可根據夾緊區域大小的需求靈活進行調節，以保證對大面積區域進行夾緊的可行性。在大型零件的夾緊裝配中，可以批量使用該裝置進行組合作業，以保證全區域夾緊的一致性。

該裝置在實際應用中可以根據壓緊零件的大小靈活換裝不同的上下板，可以根據壓緊部件的形狀定制同形狀的上下板，從而保證對整個平面進行同步夾緊，避免分段夾緊出現遺漏。

利用該裝置將原裝配工藝中的F 形卡子進行替換優化，能夠極大地提高部件之間的貼合度，節省搬運所造成的人員體力浪費，提高了生產效率和生產質量，為后續的標準化作業優化提供了技術支持。

4 結束語

本文介紹了高溫超導磁體的導冷結構和導冷路徑，對導冷組件的裝配工藝方案進行了總結，利用有限元仿真模擬了導冷組件處于夾緊狀態和未夾緊狀態對導冷能力的影響。根據裝配過程中產生的問題，提出了一種新型裝配輔助液壓夾緊裝置。該裝置的應用能夠有效地降低高溫超導磁體裝配過程中對于操作人員體力的浪費，減少大型工具反復搬運造成的時間上的浪費，提高高溫超導磁體的裝配質量和生產效率，為后續高溫超導電動懸浮工程化樣車磁體的生產積累了相關技術。

圖9 一種裝配輔助液壓夾緊裝置示意[17]