反應(yīng)堆整體螺栓拉伸機(jī)用調(diào)水平裝置研究與設(shè)計(jì)

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(中科華核電技術(shù)研究院有限公司 工程改造中心， 廣東 深圳　518124)

引言

調(diào)水平裝置的設(shè)計(jì)解決了大型設(shè)備吊裝過程中水平度不易調(diào)整的問題，既保證了吊裝過程中液壓裝置的密封性，又實(shí)現(xiàn)了通過控制液壓油的流量來實(shí)現(xiàn)調(diào)整水平度，且可以在不吊重物的時(shí)候利用重力輕松復(fù)位。

1　調(diào)水平裝置的實(shí)際應(yīng)用工況

調(diào)水平裝置用于反應(yīng)堆整體螺栓拉伸機(jī)在安全殼內(nèi)吊裝及吊裝過程調(diào)節(jié)拉伸機(jī)水平度。三套調(diào)水平裝置均布于整體螺栓拉伸機(jī)外圓周，調(diào)水平裝置與安全殼內(nèi)頂蓋吊具配合使用實(shí)現(xiàn)拉伸機(jī)在安全殼內(nèi)的吊裝，吊具上三根吊索分別與三個調(diào)水平裝置上花蘭螺絲的上端的吊鉤連接，活塞桿連接在花蘭螺絲的下端，調(diào)水平裝置下端通過銷軸與拉伸機(jī)支承環(huán)的吊耳連接。在吊裝過程中通過對三個調(diào)水平液壓缸活塞伸出長度進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)拉伸機(jī)水平度的調(diào)整。

調(diào)水平裝置主要功能有：

(1) 與支承環(huán)連接，作為吊具與支承環(huán)之間過渡連接件，一起參與拉伸機(jī)的吊裝；

(2) 由三組調(diào)水平液壓缸組成，呈120°分布在支承環(huán)上，并可單獨(dú)操作每個調(diào)水平液壓缸活塞伸出長度；

(3) 調(diào)水平裝置有一定的調(diào)節(jié)量用于拉伸機(jī)的水平調(diào)節(jié)，在調(diào)平過程中實(shí)現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。

調(diào)水平裝置的應(yīng)用工況有以下三個：

(1) 在安全殼內(nèi)拉伸機(jī)從實(shí)驗(yàn)貯存裝置上提升拉伸機(jī)約100 mm高度后停止起吊，此時(shí)檢查拉伸機(jī)水平度并進(jìn)行調(diào)節(jié)；

(2) 拉伸機(jī)就位于壓力容器頂蓋前，距離法蘭面還有20 mm時(shí)停止下落檢查拉伸機(jī)水平度并進(jìn)行調(diào)節(jié)；

(3) 拉伸機(jī)吊離大概法蘭離頂蓋約100 mm時(shí)，停止吊裝檢查拉伸機(jī)水平度并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2　調(diào)水平裝置設(shè)計(jì)

2.1　主要參數(shù)

單個調(diào)水平裝置最大承載重量：20 t；

活塞面積：4396 mm2；

液壓缸活塞桿最大行程：70 mm(即調(diào)水平裝置的調(diào)整范圍為0～70 mm)；

液壓缸外徑：150 mm；

設(shè)計(jì)壓力：45.5 MPa；

單次點(diǎn)動下落調(diào)整精度：≤0.5 mm；

除易損件外，調(diào)水平裝置主要部件的設(shè)計(jì)壽命為40年。

2.2　水平度測量

兩個傾角傳感器監(jiān)測拉伸機(jī)的水平度，安裝于拉伸機(jī)支承環(huán)上表面相互垂直的位置。水平度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)娇刂剖直涂梢暬O(jiān)測屏幕上。水平度的偏離通過圖表的形式顯示出來，如圖1X-Y軸圖表，圖表是由LED燈組成，LED的圖表可顯示拉伸機(jī)在X軸Y軸方向的水平度，最大偏差可顯示±100 mm(±100 mm指的是拉伸機(jī)最大圓周邊緣與水平面的傾斜量)。中間的LED位置表示0 mm偏離值，即拉伸機(jī)沒有傾斜。當(dāng)閃亮的LED向某一個方向移動時(shí)，說明拉伸機(jī)向這個方向傾斜。

圖1　X-Y軸圖表

2.3　調(diào)水平工作原理

單臺調(diào)水平裝置的原理如圖2所示，由液壓缸、電磁閥、阻尼器及緩沖裝置等組成。上端與吊具相連，下端與拉伸機(jī)吊耳相連。當(dāng)調(diào)水平裝置接通電源并吊起拉伸機(jī)時(shí)，控制盒上可顯示目前螺栓拉伸機(jī)X軸、Y軸的水平情況。如水平度不滿足要求，根據(jù)控制盒上水平度的指示按相應(yīng)的調(diào)水平按鈕，向指定的調(diào)水平裝置上的液壓電磁閥發(fā)出指令，改變電磁閥閥芯的工作位置，使液壓缸上下腔流道保持暢通狀態(tài)，液壓缸內(nèi)的液壓油從上部腔體流至下部腔體，則使得活塞桿在液壓缸中相對位置上移，從而降低拉伸機(jī)在該位置的高度，按鈕按一次只能發(fā)出一個短時(shí)間通斷指令，長按只能算按一次。如不對電磁閥發(fā)出操作指令即斷電狀態(tài)下，電磁閥中的流道保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。由于受到調(diào)水平裝置精度的限制，可能對不同位置上的調(diào)水平裝置多次重復(fù)上述操作的調(diào)整，最終使拉伸機(jī)在安全殼內(nèi)吊裝過程中保持相對水平，其整體水平度需小于0.5 mm/m。 阻尼器可調(diào)節(jié)液壓油的流量，緩沖裝置可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)油防止液壓缸下腔出現(xiàn)負(fù)壓。

圖2　調(diào)水平裝置工作原理

2.4　調(diào)水平裝置調(diào)零

控制盒上還有一個調(diào)零按鈕，在調(diào)水平裝置第一次使用之前借助水平尺將調(diào)水平裝置傾角儀清零，給調(diào)水平裝置一個調(diào)平基準(zhǔn)。當(dāng)螺栓拉伸機(jī)第一次就位于反應(yīng)堆頂蓋上，以反應(yīng)堆頂蓋上表面為基準(zhǔn)，按調(diào)零按鈕，使螺栓拉伸機(jī)上的傾角傳感器清零，以反應(yīng)堆頂蓋上表面為相對水平面。

3　調(diào)水平裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

調(diào)水平裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

(1) 調(diào)水平裝置主要包括3個調(diào)水平液壓缸和2個垂直分布傾角傳感器；

(2) 2個傾角傳感器呈90°分布安裝在支承環(huán)上方；

(3) 通過調(diào)節(jié)花蘭螺絲可進(jìn)行水平度的粗調(diào)；

(4) MSTM水平度的精度調(diào)整通過改變水平液壓缸內(nèi)活塞的位置來實(shí)現(xiàn)；

(5) 復(fù)位：無法自動下降或復(fù)位，須將MSTM重新放回試驗(yàn)貯存裝置，通過復(fù)位按鈕使液壓缸上下腔流道暢通，依靠自重復(fù)。

調(diào)水平裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，由吊耳、花籃螺絲、活塞桿、液壓缸體、彈簧、電磁閥、電磁閥座、下部缸體、銷軸等組成。電磁閥接通后液壓油由上腔流到下腔，活塞桿向上移動，調(diào)整拉伸機(jī)在此位置的高度。液壓缸內(nèi)彈簧可在復(fù)位時(shí)為設(shè)備提供復(fù)位動力。

圖3　調(diào)水平裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

4　電磁閥座的特殊設(shè)計(jì)

電磁閥座采用鋁合金制成，用于安裝電磁閥，是上下油腔的液壓油流通的油道，并設(shè)計(jì)有截流閥芯(即阻尼器)及補(bǔ)油彈簧結(jié)構(gòu)。電磁閥座油道剖面圖見圖4。

圖4　電磁閥座剖面圖

補(bǔ)油彈簧未注油及注油時(shí)的狀態(tài)見圖5、圖6。補(bǔ)油彈簧具有如下功能：

(1) 調(diào)平油缸安裝到位后由于承受重達(dá)20 t的重力，油缸有桿腔壓力上升至約45.5 MPa,而無桿腔壓力為0或者為負(fù)壓。彈簧活塞裝置可以起到消除無桿腔負(fù)壓的作用；

(2) 除上面原因造成無桿腔負(fù)壓需要補(bǔ)油外，滲漏、發(fā)熱等原因也會造成液壓油損失需要補(bǔ)油，這要求油缸每次正常工作前注油工藝達(dá)到使小活塞左移至彈簧完全壓縮；

(3) 出現(xiàn)上述情況時(shí)，小活塞自動右移達(dá)到補(bǔ)油消除負(fù)壓的目的。

圖5　補(bǔ)油彈簧未注油狀態(tài)

圖6　補(bǔ)油彈簧注油狀態(tài)

5　液壓缸體強(qiáng)度校核

圖7　液壓缸體剖面圖

缸內(nèi)表面周向應(yīng)力：

其中,p為油缸工作液體壓強(qiáng)。

軸向應(yīng)力：

內(nèi)壁壓應(yīng)力：

σ3=-p

按照第三強(qiáng)度理論，合成應(yīng)力：

所以σmax=75.4 MPa。

活塞桿采用材料30Cr2Ni2Mo鋼調(diào)質(zhì)，σs=900 MPa,σb=1100 MPa。

許用應(yīng)力[σ]=min{0.33σb環(huán)境，0.33σb工作，0.67σs環(huán)境，0.67σs工作}=363 MPa，σ<[σ]，因此液壓缸體結(jié)構(gòu)安全。

6　彈簧強(qiáng)度校核

6.1　彈簧參數(shù)

彈簧中徑D=61 mm，彈絲直徑d=6 mm；有效圈數(shù)n=9，總?cè)?shù)n1=11；自由高度H0=192.5 mm；最小工作載荷狀態(tài)高度142 mm，最大工作載荷狀態(tài)高度Hn=72 mm，壓并高度Hb=57 mm。

彈簧材料60Si2MnA；

工作狀態(tài)：常溫；

工作類別Ⅲ類(受循環(huán)次數(shù)為1×103以下)；

彈簧抗拉強(qiáng)度極限σb=1570 MPa；

彈簧材料的切變模量G=79000 MPa；

彈簧的許用應(yīng)力τp=0.45σb=706.5 MPa；

彈簧材料工作極限應(yīng)力τj=1.12τp=791.2 MPa

彈簧材料工作極限載荷pj≥pn；

彈簧材料的最大載荷：

pn=(H0-Hn)p′=754.3 N

6.2　疲勞強(qiáng)度校核

安全系數(shù):

其中：τo為在彈簧脈動循環(huán)載荷下的剪切疲勞強(qiáng)度；Sp為許用安全系數(shù)；τmax為最大工作載荷時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力。

其中，

τo=0.5τb=785 MPa

式中，K為圓柱螺旋彈簧計(jì)算系數(shù)，取K=1.142；p1為最小工作載荷即p1=p′×(H0-H1)= 313 N。

所以：

τmax=619.5 MPa

τmin=256.8 MPa

S=1.57

由于設(shè)備的脈動循環(huán)載荷頻率很低，且并不是呈現(xiàn)規(guī)律性，極少情況工作在最大極限載荷，因此Sp許用安全系數(shù)取1.2，故此彈簧可以工作在此應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)下。

6.3　靜強(qiáng)度計(jì)算

安全系數(shù)：

S=1.28

故該彈簧經(jīng)強(qiáng)度校核，強(qiáng)度滿足要求。

7　調(diào)水平裝置點(diǎn)動行程仿真

電磁閥座內(nèi)的阻尼器中間有一個小孔徑油道，可實(shí)現(xiàn)調(diào)水平液壓缸活塞的小步距控制。當(dāng)工作時(shí)，阻尼器與電磁閥座處接觸面密封，液壓油從阻尼器的小孔中流通，當(dāng)電磁閥關(guān)閉完成復(fù)位功能時(shí)，阻尼器與電磁閥座不密封，流量增大，加快復(fù)位速度。調(diào)水平裝置工作過程的仿真模型見圖8。

圖8　調(diào)水平裝置工作過程仿真模型

電磁換向閥開啟后，有桿腔液壓油快速涌向無桿腔，由于液壓沖擊會造成一定波動、振蕩；從模擬情況看，阻尼孔尺寸對振蕩的 影響較大，圖9為阻尼孔孔徑分別為1 mm、2 mm、3 mm的對比結(jié)果；電磁閥接通時(shí)間為0.5 s，最小位移約1 mm且液壓油震蕩越小，可滿足調(diào)水平裝置精度要求。

8　調(diào)水平裝置自密封設(shè)計(jì)

調(diào)水平裝置既要滿足吊裝或者點(diǎn)動調(diào)水平過程嚴(yán)格的密封要求，又要滿足復(fù)位時(shí)能夠快速的自動復(fù)位，這兩項(xiàng)要求本身就是相反的，這對密封結(jié)構(gòu)提出了很高的設(shè)計(jì)要求。在此產(chǎn)品中采用的浮動密封環(huán)尼龍?zhí)椎淖悦芊庠O(shè)計(jì)。浮動密封尼龍?zhí)咨显O(shè)計(jì)有螺旋溝槽，利用活塞桿上和浮動密封尼龍?zhí)咨习惭bO圈的弧面設(shè)計(jì)，當(dāng)液壓缸的上腔(左腔)升壓時(shí)，尼龍?zhí)自诟邏河偷臄D壓下將O圈沿徑向擠壓，同時(shí)尼龍?zhí)椎臏喜蹆?nèi)充滿液壓油將O圈徑向擠壓，達(dá)到密封的目的。當(dāng)調(diào)水平裝置需要復(fù)位，打開電磁閥，液壓缸上腔(左腔)卸壓，O圈回彈，利用活塞桿上和浮動密封尼龍?zhí)咨习惭bO圈的弧面設(shè)計(jì)將浮動環(huán)頂出，O圈不再起到密封作用，上下腔油缸聯(lián)通實(shí)現(xiàn)快速復(fù)位。見圖10。

圖9　調(diào)水平裝置仿真結(jié)果

9　結(jié)論

調(diào)水平裝置的設(shè)計(jì)解決了整體螺栓拉伸機(jī)在吊裝過程中水平度調(diào)整的問題，避免了整體螺栓拉伸機(jī)對反應(yīng)堆壓力容器頂蓋砸傷的可能。該設(shè)備也可應(yīng)用于其他大型設(shè)備的吊裝，對于在吊裝過程中對水平度要求較高的設(shè)備均可采取此種設(shè)計(jì)調(diào)整水平度。調(diào)水平裝置在設(shè)計(jì)中采用了尼龍密封環(huán)自密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及阻尼器截流結(jié)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)了在吊裝過程中保壓，又可以在

圖10　浮動密封環(huán)尼龍?zhí)椎淖悦芊庠O(shè)計(jì)

卸掉壓力使密封結(jié)構(gòu)失效實(shí)現(xiàn)靠自重自動復(fù)位。

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