Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проектирование и изготовление основных структурных элементов:стальных пластин ядерного абсорбера 10
1.1 Введение 10
1.2 Проектирование и изготовление стальных пластин ядерных абсорберов: мастерные и спейсерные пластины 11
1.3 Разработка и применение программ контроля качества 20
1.4 Выводы 21
Глава 2. Проектирование и создание субмодулей и модулей 22
2.1 Введение 22
2.2 Разработка технологии и создание технологического участка для прецизионных сборочных работ по изготовлению субмодулей 28
2.3 Разработка методов контроля качества и их применение в процессе создания субмодулей 29
2.4 Разработка концепции технологии и технологического участка для прецизионных сборочных работ по изготовлению модулей 32
2.5 Разработка и применение методов контроля качества создаваемых модулей 36
2.6 Проектирование и изготовление такелажного оборудования: траверсы для манипуляций с субмодулями и модулями 38
2.7 Проектирование и изготовление транспортных устройств для безопасной перевозки модулей автотранспортом из ОИЯИ в ЦЕРН 44
2.8 Выводы 47
Глава 3. Создание методики контролируемой сборки адронного таил калориметра и ее апробация при монтаже калориметра на поверхности и в подземном экспериментальном павильоне Большого Адронного Коллайдера 48
3.1 Введение 48
3.2 Разработка принципиальной схемы технологии контролируемой сборки барреля адронного тайл-калориметра 52
3.3 Расчет геометрических размеров и толщины шиммирующих прокладок между модулями на внешнем и внутреннем радиусах 54
3.4 Предварительная сборка на поверхности первого барреля; анализ геометрии собранного барреля и выработка стратегии шиммирования 64
3.5 Предварительная сборка на поверхности второго (центрального) барреля; анализ геометрии собранного барреля и выработка стратегии шиммирования 81
3.6 Окончательная полномасштабная сборка баррелей под землей 91
3.7 Выводы 102
Выводы к диссертации 102
Благодарности 104
Литература 106
- Проектирование и изготовление стальных пластин ядерных абсорберов: мастерные и спейсерные пластины
- Разработка технологии и создание технологического участка для прецизионных сборочных работ по изготовлению субмодулей
- Проектирование и изготовление такелажного оборудования: траверсы для манипуляций с субмодулями и модулями
- Расчет геометрических размеров и толщины шиммирующих прокладок между модулями на внешнем и внутреннем радиусах
Введение к работе
В современной физике элементарных частиц первостепенное внимание отводится экспериментам нового поколения в ТэВ-ном диапазоне энергий на сооруженном в Европейском Центре Ядерных Исследований Большом Адронном Коллайдере (LHC).
Как известно, принципиально важную часть экспериментальных установок при высоких энергиях неизменно составляют калориметры. Проектные требования к калориметру определены исследовательской программой на коллайдере, предусматривающей решение наиболее актуальных проблем современной теории элементарных частиц в опытах по физике тяжелых кварков, поиску бозонов Хиггса и в других опытах с целью обнаружения новых явлений за пределами Стандартной модели. С помощью калориметров измеряют величину энергии и определяют направление частиц и струй, рожденных в первичном акте взаимодействия. Эти данные необходимы для восстановления процесса столкновения, идентификации вторичных частиц и определения кинематических параметров продуктов взаимодействия.
В монографии Р.Вигманса «Калориметрия» приведены весьма полные сведения об опыте сооружения калориметров и достигнутых с их помощью фундаментальных результатов в современных экспериментах по физике высоких энергий. Монография дает также анализ перспектив использования калориметров в планируемых экспериментах в ТэВ-ной области на Большом Адронном Коллайдере с помощью установок ATLAS (рис.1) и CMS .
Проектирование и изготовление стальных пластин ядерных абсорберов: мастерные и спейсерные пластины
Для производства мастерных и спеисерных пластин для прототипа метрового субмодуля на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) была заказана специальная партия горячекатанной стали марки "сталь 10" толщиной 5 мм для мастерных плит и толщиной 4 мм для спеисерных пластин. Для этих толщин при стандартной ширине листа 1.5 м ГОСТ 19903-74 определяет допуск на толщину + 0.3 н- -0.4 мм. Между тем по проекту субмодуля допуск на толщину листа должен был быть на порядок (!) жестче и составлять ± 0.05мм для мастерных плит и ±0.1 мм для спейсерных пластин. В итоге изготовление 5 тонн листовой стали нужной толщины приобрело характер технико-экономической проблемы: неоправданно большие цены и непредсказуемые трудозатраты. Однако проведенное нами на заводе НЛМК детальное техническое исследование процесса проката и анализ заводских методов и средств контроля толщины листа убедили руководство НЛМК в принципиальной технической возможности прокатного комплекса НЛМК изготовить листы с минимальными только положительными отклонениями от номинала. В итоге ОИЯИ получил листы только с положительными допусками +0 - +0.14 мм для 5-мм листов и +0.01 + +0.10 мм для 4-мм листов. Эти допуска были близки к требуемым и при этом были почти на порядок точнее, чем определяет ГОСТ 19903-74. Ввиду малости партии мастерных плит (120 штук) и спейсерных пластин (500 штук) их производство было решено осуществлять механической обработкой. Учитывая крайне жёсткие сроки, изготовление спейсерных пластин было поручен Отделу Опытного Экспериментального
Производства ЛЯП, а изготовление мастерных пластин - Опытному Производству ОИЯИ. Заготовки для пластин были нарублены на гильотине с припуском +3 мм для спейсерных пластин и +6 мм для мастерных пластин. Для достижения проектной толщины изготовляемого прототипа субмодуля предложено (В.М.Романов) нестандартное решение: толщины заготовок для спейсерных пластин были уменьшены методом химического травления на Савеловском механическом заводе. При изготовлении спейсерных пластин требуемые точности удалось достичь по следующей схеме: сначала сверлили высокоточные отверстия, а затем, используя их как базы, пластины обрабатывали по контуру строганием оснований пакета пластин и фрезерованием боковых сторон пластин поодиночке. Требуемые высокие точности при изготовлении мастерных пластин достигнуты по схеме: сначала таюке сверлили высокоточные отверстия, а затем, используя 3 из них, как базы, пластины обрабатывали по контуру фрезерованием по 4 пластины в пакете. Разработанная технология производства оказалась адекватной жёстким требованиям по точности: каждая из мастерных и спейсерных пластин прошла метрологический контроль на соответствие требуемым допускам. В мае 1994 года пластины прошли антикоррозионную обработку и были отправлены в ЦЕРН для сборки дубненского прототипа метрового субмодуля. При этом нами были достигнуты проектные размеры по всем контролируемым геометрическим (линейным и угловым) параметрам прототипа. Это позволило перейти к этапу подготовки к контролируемому массовому промышленному производству пластин абсорберов в полном объеме для сооружения субмодулей в Дубне, Пизе, Праге, Протвино с доставкой в ОИЯИ для сборки модулей. Учитывая масштаб производства было решено в начале собрать прототип модуля, т.н. «модуль-0»[7",2]. Мастерные пластины были переданы нам из Аргоннской Национальной Лаборатории (АЛЛ, США), а спейсерные пластины для нулевого модуля были изготовлены методом лазерного края в С-Петербурге на Кировских заводах1-13 \ В мае 1996 модуль-0 был отправлен в ЦЕРН. Его размеры строго соответствовали требованиям проекта. Это положило начало массовому производству модулей в ОИЯИ. Выявленные нами в Дубне проблемы при механической обработке листов из горячекатанной стали для метрового прототипа или их лазерном крое для модуля-0 привели к заключению: для массового производства -600000 шт. мастерных и спейсерных пластин необходимо использовать полосы шириной 420мм, длиной 1620мм и производственным допуском на толщину листа ± 0.03 мм из холоднокатанной стали чешского производства марки CSN 11347 (аналог российской стали марки сталь 10). Наиболее эффективной технологией массового промышленного производства пластин признана штамповка. В 1997 году ОИЯИ начал поиски предприятий, способных в короткий срок изготовить -300000 шт. мастерных и спейсерных пластин для центральной части адронного калориметра.
Основными критериями отбора потенциальных производителей были опыт работы в этой области, стоимость, географическое положение (минимизация транспортных затрат), наличие железнодорожных подъездных путей, а также страна-изготовитель. Поскольку вся сталь изготавливалась в Праге, а после изготовления мастерных и спейсерных пластин их нужно было отправить равными частями в 4 адреса (Дубна, Прага, Пиза, Протвино), то поиск предприятий вёлся на территории от Москвы до Праги. После анализа возможностей всех потенциальных производителей нами было принято решение заказать изготовление пробной партии спейсеров (разных типов) на Заводе Тяжелого машиностроения (ЗТС, г.Дубница над Вагом, Словакия) и на Минском Тракторном Заводе (МТЗ, г.Минск, Белоруссия). Для производства мастерных пластин необходимо было спроектировать и изготовить штамп для вырубки мастерной пластины из одного листа холоднокатаной стали толщиной 5 мм и размерами в плане 420x1620, мм . Общая длина реза при этом составляет более 4000мм, а точность расположения 24-х отверстий 011,4+ 5 мм составит ± 50мкм. Решение этой технической задачи далеко не под силу каждому предприятию. С целью экономии времени на поиск соответствующего предприятия и средств на проектирование и изготовление штампа для производства мастерных пластин по нашей просьбе коллеги из АЛЛ (г. Аргонн, США) предоставили во временное пользование готовый штамп, который они
Разработка технологии и создание технологического участка для прецизионных сборочных работ по изготовлению субмодулей
В конце декабря 1998 года в Опытном производстве (ОП) ОИЯИ по проекту автора была создана специальная технологическая линия для сборки субмодулей и в ОИЯИ началось их массовое производство. В ОП ОИЯИ в соответствии с технологией производства субмодулей были размещены ванны для мойки пластин, станок для шерохования поверхностей мастерных и спеисерных пластин и снятия заусенец, столы для нанесения клея на пластины, приспособление для склейки субмодулей, стол для приварки угловых пластин на субмодуле, вертикальная ванна для покраски субмодулей окунанием, зоны сушки и хранения субмодулей (рис. 14). Результаты контроля линейных и угловых размеров готовых субмодулей и существенные сведения по технологии производства занесены в паспорта качества. Толщина субмодуля (величина НІ) измерялась в 20 точках по периметру и центральной оси симметрии; она является основной геометрической характеристикой субмодулей, т.к. показывает равномерность распределения сцинтилляционных пластин по длине модуля и влияет на правильность и возможность сборки модуля. На толщину субмодуля влияют толщины склеиваемых пластин и количество нанесенного клея. Все остальные геометрические характеристики субмодулей задаются размерами мастерных плит и обеспечиваются технологией; например, перпендикулярность боковых поверхностей субмодуля к его основанию достигается за счет базирования шпоночных пазов мастерных плит на кронштейнах приспособления. Толщина субмодулей также обеспечивается технологией. Однако оказалось, что первые субмодули, склеенные в различных институтах по одной технологии, на 1-2 мм не достигли номинальной толщины при допуске 0-0.2 мм. Мастерные и спейсерные пластины, поступившие от производителей на ТАТРЕ и МТЗ, оказались настолько плоскими, что их суммарная толщина вместе с клеем была меньше высоты калиброванных колонн приспособления для склейки субмодулей. Исходя из этого факта, и после выборочной проверки толщин и плоскостности остальных пластин, было решено уменьшить номинальную толщину субмодулей с 293.2 мм до 291.7 мм. При этом модуль получил в итоге дополнительных 2 периода (+0.7%), что выгодно с точки зрения физики. Одновременно были утверждены предложенные нами новые допуски на толщину субмодуля в пределах +0.3 + -1.5 мм и конструкторский зазор 0.4 мм между субмодулями в модуле. Измерения толщины субмодулей осуществлялась специально приобретенным цифровым рейсмусом. Точность измерения рейсмусом составляла 20 микрон. Неплоскостность поверочной плиты составила 70 микрон при точности измерений 20 микрон. Распределение максимальных величин Hj-Hnom для 308-ми субмодулей, собранных в ОИЯИ, показано на рис. 15. Большинство из 308 субмодулей, изготовленных в ОИЯИ в период декабрь 1998 - июль 2001 г.г., соответствовало допускам.
Таким образом, благодаря корректировке допусков и соблюдению технологии сборки, мотивированному выбору измерительного оборудования и достаточному уровню неплоскостности поверочной плиты было обеспечено весьма высокое стабильное качество сборки субмодулей. Важность этого достижения заключается в том, что впоследствии, при сборке модулей: a) Оказалось возможным устанавливать субмодули на балку не селективно, а произвольно; b) распределение субмодулей по длине модуля было равномерным; не было случаев с чрезмерно большим зазором между соседними субмодулями; c) исключена возможность того, что 19 субмодулей не помещаются на балке. Технология сборки субмодулей, разработанная автором с участием В.М.Романова, позволила собирать субмодули с высоким качеством, что иллюстрирует распределение максимальных величин Hi-Hnom для субмодулей, собранных в ОИЯИ (рис.15). ОП ОИЯИ изготовило 243 стандартных (291.7 мм высотой) и 65 специальных (341.2 мм высотой) субмодулей в период декабрь 1998 — июль 2001 года. Абсолютное большинство всех субмодулей, изготовленных в ОИЯИ, соответствовали допускам. Даже первые (хронологически) 7 стандартных субмодулей, несколько не соответствующих первоначальному размеру (293.2 мм), также были использованы в производстве модулей. Под инженерно-технологическим руководством автора 8 июля 1999 года в ОИЯИ началась сборка модуля №1, первого из 65-ти, для барреля адронного калориметра установки АТЛАС. В отличие от модуля-0, сборка первого и последующих модулей велась на специально подготовленном и оборудованном технологическом участке в корпусе №5 ЛЯП ОИЯИ бригадой ОП ОИЯИ (рис. 16).
Проектирование и изготовление такелажного оборудования: траверсы для манипуляций с субмодулями и модулями
При изготовлении субмодулей и модулей возникла необходимость в проектировании и создании специального такелажного оборудования для манипуляций с ними. После склейки субмодуля в специальном приспособлении (рис. 12) и приварки по его углам стрипов (пластин для жесткости) субмодуль надо было извлечь из приспособления. Для этих целей изготовлены простые пластины с проушинами (рис. 19). Эти пластины крепились к стрипам субмодуля по 4-ем углам и были использованы как для извлечения 900-кг субмодуля из приспособления для склейки, так и при переносе субмодуля в горизонтальном положении внутри цеха сборки. Этими же пластинами пользовались и при выемке субмодуля из транспортировочной тары (75 % от всего количества субмодулей для сборки 65-ти модулей мы получали от наших коллег из Протвино, Пизы и Праги). Следующей разработкой автора была траверса для подъема субмодуля в горизонтальном положении и поворота субмодуля относительно его продольной оси. Эта операция была необходима во время сушки субмодуля после его покраски. Для перевода субмодуля из горизонтального (транспортного) положения в вертикальное (сборочное), по предложению автора, использовалась специально изготовленная прямоугольная пластина с 4-мя отверстиями по углам и проушиной посередине. С помощью этой же пластины осуществлялся монтаж субмодуля на балку модуля. Для манипуляций с модулями первоначально была спроектирована и изготовлена специальная траверса для подъема модуля со стапеля сборки в вертикальном положении и перевода его с помощью кантовочного приспособления в горизонтальное (рис. 20). Эта траверса использовалась только в ОИЯИ при сборке 66-ти модулей и лишь однажды в ЦЕРНе при разгрузке модуля-0 и установке на испытательный стол в экспериментальном зале. Для подъема модуля в горизонтальном положении с помощью этой траверсы требовался еще набор (7 штук) специально изготовленных угловых кронштейнов (рис. 21).
Применение всего этого ансамбля занимало много времени с привлечением специально обученных и подготовленных для этой технологической операции людей. В дальнейшем, при массовой работе с модулями в ЦЕРНе автором были разработаны приспособления для транспортировки модулей в горизонтальном положении (см. гл. 2.7), позволяющие поднимать модуль в горизонтальном положении при погрузке-разгрузке, и траверса для подъема модуля в вертикальном положении (рис. 22). Для перевода модуля из горизонтального положения в вертикальное использовали стандартный промышленный кантовочный блок (рис. 23). Первоначально (с августа 1999 года в течение примерно года), когда модулей в ЦЕРНе было не так много (-50 штук из общего числа 195), для подъема модуля в вертикальном положении использовали 3-х метровую траверсу, изготовленную по нашим чертежам в Словакии. Траверса проектировалась с учетом возможности одновременного подъема трех 20-ти тонных модулей. (Существовала концепция, что для экономии времени впоследствии мы будем опускать в шахту для сборки баррелей по 3 модуля вместе. Позже от этой идеи отказались по ряду объективных причин, а повседневное использование существующей траверсы было трудным делом). Траверса имела тяжелые ( 50 кг) соединительные элементы, которые надо было поднимать под модулем на высоту до 1.5 м и монтаж-демонтаж траверсы требовал двух-трех техников, что не всегда было возможным. С конца 1999 года в ЦЕРН стали регулярно поступать модули уже из трех институтов и в середине 2000 года стала назревать проблема со складскими помещениями для модулей: корпус 185, выделенный для этих целей был практически заполнен (рис. 24). Использование 3-метровой траверсы при разгрузке 6-метровых модулей не позволяло ставить модули плотно друг к другу: необходим был безопасный зазор между модулями 0.8 метра для работы техника при отсоединении траверсы от модуля.
Расчет геометрических размеров и толщины шиммирующих прокладок между модулями на внешнем и внутреннем радиусах
Напомним, что модуль адронного калориметра содержит несущую балку и установленные на нее 19 субмодулей для модулей центрального барреля и 10 субмодулей для модулей дополнительных баррелей. Понятно, что боковая поверхность модуля будет не идеально плоской, а будет представлять некую поверхность сложной формы, образованную в основном боковыми поверхностями субмодулей, и неплоскостность которой ограничена производственным допуском 0.6 мм на длине 5600 мм (или 2800 мм для дополнительных модулей). Для успешной сборки баррелей изначально были определены минимально допустимые конструкторские зазоры между модулями, исходя из условия, что боковые поверхности соседних модулей в сборке не должны касаться друг друга во избежания повреждения световых волокон, находящихся вблизи этих поверхностей. Напомним, что на величину неплоскостности боковой поверхности модуля влияют точность изготовления компонентов модуля и их взаимное, допускаемое технологией, расположение друг относительно друга. А именно: Несимметричность положения шпоночных пазов на мастерных пластинах, полученных при штамповке, ± 0,05мм. " Несимметричность положения базовых кронштейнов на приспособлении для склейки субмодулей ± 0,05мм. ? Неопределенность положения мастерных пластин в базовых кронштейнах вследствие разницы в размерах ширины шпоночного паза мастерных пластин и ширины кронштейна ±0,1 мм. ? Непрямолинейность несущей балки модуля (girder) 0.2мм на 5.6м. ? Неопределенное (в поперечном направлении) положение субмодуля на балке ±0,1 мм.
Неперпендикулярное (в поперечном направлении) положение субмодуля на балке ±0,1мм. Таким образом, при требуемой высокой точности изготовления отдельных компонентов модуля и сборки субмодулей и модулей, общая неплоскостнось боковой поверхности модуля может составить величину 0,05+0,05+0,1+0,2+0,1+0,1=0,6 (мм). Исходя из этого, конструкторский зазор для внутреннего радиуса составил [0.6 мм (максимальная неплоскостность боковой поверхности модуля) + 0.1 мм (толщина защитной бумаги)] х 2 (количество соприка-саемых поверхностей) + 0.1 мм (добавка на неточность измерения) =1.5 мм. На внешнем радиусе номинальная величина зазора между модулями была назначена по технологическим соображениям и составила величину 1.9 мм. В ходе производства модулей проводились неоднократные измерения неплоскостности боковых поверхностей модуля на расстоянии 50 мм от верхней поверхности модуля (условно назовем это внутренним радиусом барреля) и непрямолинейности нижней плиты несущей балки модуля (внешний радиус барреля). Окончательные данные измерений, полученные после приварки передней плиты, вводились в компьютерную программу КШ[22] для расчета геометрических размеров модулей, которые (размеры) затем заносились в технический паспорт на модуль. Алгоритм програмы был разработан в период создания модулей в Дубне для обработки и анализа данных лазерной измерительной системы, используемой как в процессе сборки модулей, так и в контрольных измерениях готового модуля [22]. Входными данными программы КП1 являются относительные показания микрометрического винта позиционера, устанавливаемого на поверхности модуля в точке измерения (точность 3 микрона, диапазон измерения 4 мм), показания штангенциркуля (точность 30 микрон, диапазон 450 мм), используемого для измерения габаритов крайних пластин модуля и контрольных промеров несущей балки модуля. Входные данные трансформируются (линейные смещения и повороты), и сравниваются с заданными номинальными значениями. Результат -таблица абсолютных значений отклонений габаритов модуля в точках промера от номинала, а также данные анализа деформаций модуля как целого (величина максимального отклонения от номинала связанного с изгибом «твистом» модуля). С помощью программы КШ была создана база данных контролируемых геометрических размеров всех модулей центрального барреля, сделанных в Дубне. После незначительной доработки программы были обработаны данные контрольных измерений всех модулей и создана база данных контролируемых геометрических размеров модулей, сделанных в Аргонской Национальной Лаборатории (АНЛ, США). Основными достигнутыми результатами благодаря созданию и применению программы КШ являются: 1) Оперативное использование базы данных в процессе создания модулей, позволившее минимизировать временные затраты на паспортизацию готовых модулей. 2) Реализация выборочного контроля модулей после транспортировки в ЦЕРН. 3) Создание базы данных контролируемых геометрических размеров всех модулей центрального барреля, сделанных в Дубне и всех модулей, сделанных в АНЛ; база данных необходима для подготовки модулей к сборке баррелей.
Программный контроль эволюции формы баррелей достигнут тем, что между модулями на внутреннем и внешнем радиусах в середине каждого субмодуля устанавливались шиммы расчетных толщин. Шиммы также передавали весовую нагрузку от модуля к модулю и предотвращали повреждения световых волокон, находящихся вблизи боковых поверхностей модулей. В ходе производства модулей создана база данных по неплоскостности боковых поверхностей модуля на нижней плиты несущей балки модуля (внешний радиус барреля). На основании этой базы данных с помощью разработанной нами программы рассчитаны реально необходимые толщины шимм по каждому субмодулю на внутреннем и внешнем радиусе для каждой пары соседних модулей. Реальные зазоры между модулями отличаются от номинальных за счет неплоскостности боковых поверхностей модулей. Для расчета толщины необходимых шимм на внутреннем и внешнем радиусах собираемых баррелей нами была разработана соответствующая компьютерная программа КП2[23]. Алгоритм программы (рис.35) разработан в период подготовки предварительной сборки на поверхности первого барреля.
