組合碟簧式核級(jí)閥門電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的研究

湯占峰，許一民，邱 文，徐聲云

（揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠，江蘇揚(yáng)州 225003）

組合碟簧式核級(jí)閥門電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的研究

湯占峰，許一民，邱 文，徐聲云

（揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠，江蘇揚(yáng)州 225003）

簡(jiǎn)述組合碟簧式核級(jí)閥門電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的工作原理。對(duì)轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的主要件進(jìn)行了受力分析，推導(dǎo)出組合碟簧設(shè)計(jì)的理論計(jì)算公式。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)碟簧的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析，分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)構(gòu)吻合。理論計(jì)算和有限元分析方法都對(duì)今后設(shè)計(jì)適用于核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)有一定的參考價(jià)值。

核級(jí)閥門電動(dòng)裝置；轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)；組合碟簧

0 引言

閥門電動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩是各類閥門設(shè)計(jì)和選型的重要技術(shù)指標(biāo)，它是通過(guò)的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行控制的。目前技術(shù)比較成熟的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)有兩類，即采用特殊力感應(yīng)元件的機(jī)械式和采用測(cè)力傳感器或變頻技術(shù)的電子式。對(duì)于需承受熱老化、輻照老化、地震和核事故工況的核級(jí)閥門電動(dòng)裝置而言，組合碟簧式轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)成為最佳選擇。

核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩的精度主要取決于其轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的控制精度，它主要由組合碟簧參數(shù)設(shè)計(jì)的精確性決定，研究組合碟簧的受力與變形的關(guān)系對(duì)提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的控制精度有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。設(shè)計(jì)組合碟簧式轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)是碟簧配置參數(shù)的選取。為此，結(jié)合轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)其主要零部件進(jìn)行系統(tǒng)地分析和研究。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

組合碟簧式轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)主要包含組合碟簧、引出機(jī)構(gòu)和控制開(kāi)關(guān)組件三部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

核級(jí)閥門電動(dòng)裝置工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩推動(dòng)閥門運(yùn)行。蝸輪對(duì)蝸桿反作用力壓迫組合碟簧并使之產(chǎn)生變形，同時(shí)蝸桿竄動(dòng)[1]，帶動(dòng)安裝于蝸桿左端引出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)閥門電動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到閥門的關(guān)閉力或開(kāi)啟力時(shí)，控制開(kāi)關(guān)組件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，控制系統(tǒng)立即切斷電機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)閥門電動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩與閥門開(kāi)、關(guān)閥所需驅(qū)動(dòng)力的匹配。

圖1 轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 理論計(jì)算

2.1 碟簧實(shí)際負(fù)載計(jì)算

當(dāng)力矩開(kāi)關(guān)動(dòng)作的瞬間，閥門電動(dòng)裝置各主要零件的受力如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)主要零部件受力圖

根據(jù)上述受力分析，由平面力學(xué)知識(shí)容易得出：

Fa——蝸桿軸向力（由核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)輸出轉(zhuǎn)矩、蝸輪節(jié)圓直徑求出），N；

μ1、 μ2——左端軸承與蝸桿軸間的摩擦系數(shù)；

L1、L2——蝸桿軸兩端的支撐臂，mm。

根據(jù)蝸輪蝸桿副嚙合理論，可得軸截面反力FN為：

由于蝸桿左、右端的支撐處的摩擦系數(shù)近似相等（即μ1=μ2，用同一符號(hào)μ表示），并式（1）、

（2）得出組合碟簧實(shí)際負(fù)載力：

2.2 碟簧的受力與變形關(guān)系

核級(jí)閥門電動(dòng)裝置選用的碟簧一般為無(wú)支撐面碟簧，根據(jù)GB1972-2005，單片碟簧的實(shí)際負(fù)載與其變形量的關(guān)系式為：

式（4）中：

K1=1，對(duì)于無(wú)支撐面碟簧，計(jì)算系數(shù)；

C=D/d，直徑比；

E——彈性模量，N/mm；

μ——泊松比；

D——碟簧外徑，mm；

t——碟簧厚度，mm；

H0——碟簧自由高度，mm；

h0=H0-t，碟簧壓平變形量，mm；

f——單片碟簧的變形量，mm。

3 利用ANSYS軟件分析

利用ANSYS有限元軟件對(duì)碟簧進(jìn)行分析是一種便捷實(shí)用的方法?，F(xiàn)以我廠2HA3.2核級(jí)閥門電動(dòng)裝置組合碟簧的計(jì)算為例，介紹分析方法。

3.1 分析過(guò)程

為簡(jiǎn)化計(jì)算，抽取單片碟簧進(jìn)行分析。該型號(hào)產(chǎn)品的碟簧的參數(shù)和最大負(fù)載如表1。

表1 碟簧參數(shù)

建立有限元模型：為避免分析結(jié)果發(fā)散[2]，首先將單位制改為MPA。分析類型選擇大變形結(jié)構(gòu)靜力學(xué)類別[3]，單元類型為Solid Brick 8node 45單元，材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。根據(jù)圖3中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ點(diǎn)的坐標(biāo)建立碟簧的軸截面，然后擠出單片碟簧的實(shí)體模型。

網(wǎng)格劃分：將線ⅠⅡ劃分為4等份，線ⅠⅣ劃分為8等份，點(diǎn)Ⅰ所在的1/4圓弧劃分為20等份，采用體映射網(wǎng)格劃分的方法生成網(wǎng)格。生成的有限元模型如圖4，共生成2 560個(gè)單元，3 600個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 單片碟簧軸截面圖

圖4 碟簧mesh后的有限元模型

施加邊界條件：轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)工作時(shí)，組合碟簧只承受軸向力，單片碟簧只在上下兩端圓弧受到約束。因此對(duì)有限元模型的Ⅲ點(diǎn)所在的圓弧施加約束UY，模型的四個(gè)軸截面施加面約束。

施加載荷和分析：根據(jù)受力分析，只需對(duì)碟簧上端施加軸向力。利用選擇工具菜單選擇模型中Ⅰ點(diǎn)所在圓弧上的節(jié)點(diǎn)（共80個(gè)），對(duì)沒(méi)個(gè)節(jié)點(diǎn)施加載荷67.38 N（5390.5/80）。運(yùn)行有限元solve程序，利用后處理模塊查看計(jì)算結(jié)果（如圖5、圖6）。

圖5 碟簧受載時(shí)的應(yīng)力分布圖

3.2 結(jié)果分析

圖5為整個(gè)模型的應(yīng)力分布圖，應(yīng)力的最大點(diǎn)在Ⅰ點(diǎn)所在的圓弧（1 656 MPa）。圖6為碟簧軸截面的軸向應(yīng)變分布圖，各重要節(jié)點(diǎn)軸向應(yīng)變?nèi)绫?所示。

圖6 碟簧受載時(shí)軸向應(yīng)變分布圖

表2 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變

由上表可知，點(diǎn)Ⅰ的軸向應(yīng)變?yōu)?.549 mm，即單片碟簧的變形 f，代入式（4），計(jì)算得出碟簧負(fù)載為5 377.1 N，證明理論計(jì)算有限元計(jì)算結(jié)果非常接近。

4 結(jié)語(yǔ)

基于組合碟簧的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)已成功用于我廠2HA3系列核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐證明，按上述方法設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)性能穩(wěn)定、控制精度高，產(chǎn)品的轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差在±5%以內(nèi)，完全滿足NB/T20010.11-2010規(guī)定的轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差小于±7%要求。

此外，文章推導(dǎo)出組合碟簧的負(fù)載與變形的理論計(jì)算公式，并利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)碟簧的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行模擬分析，證明兩種方法的一致性，為設(shè)計(jì)適用于核事故工況的閥門電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)提供了方法。

［1］項(xiàng)宏琛.閥門電動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)［J］.流體工程，1988（06）：35-37.

［2］張智裕，周北岳，周勇.蝶形彈簧特性隨機(jī)有限元分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（02）：7-9.

［3］鄭麗娟，安子軍，付宇明，等.碟簧載荷的理論分析與數(shù)值模擬研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2002（06）：12-13.

Research on Nuclear Grade Valve Actuator's Torque Control Mechanism with Combined Disc Spring

TANG Zhan-feng，XU Yi-min，QIU Wen，XU Sheng-yun
（Yangzhou Electric Power Equipment Manufacture Factory，Yangzhou225003，China）

The paper introduces working principle of nuclear grade valve actuator’s torque control mechanism with combined disc spring. It analyses the mian parts of torque control mechanism detailedly，and also deduces the theoretic computational formula for designing the combined disc spring.Then it analyses the stess and transmogrification of the disc spring using the ANSYS.The method with finite element analysis and theoretic calculation can be introduced to the future design of disk spring that can be the same with the torque control mechanism of nuclear grade valve actuator.derivate

nuclear grade valve actuator；torque control mechanism；combined disc spring

TH134

：A

：1009－9492(2014)11－0113－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.030

湯占峰，男，1980年生，湖北黃岡人，碩士研究生，工程師。研究領(lǐng)域：熱工自動(dòng)化、閥門電動(dòng)裝置。已發(fā)表論文6篇。

(編輯：王智圣)

2014－06－05