核電站氣動(dòng)截止閥的核級(jí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制

　， 　， 　， 　(.揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠， 江蘇 揚(yáng)州　5003；.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng)　006)

引言

氣動(dòng)截止閥廣泛用于火電廠、核電站的重要系統(tǒng)中，是保證電站的安全生產(chǎn)的重大關(guān)鍵設(shè)備。在核電站中，氣動(dòng)截止閥主要用于主蒸汽系統(tǒng)的旁通閥、核取樣系統(tǒng)的隔離閥、化容系統(tǒng)的下泄流孔板前后的隔離閥以及很多系統(tǒng)的安全殼內(nèi)外隔離閥等[1,2]。氣動(dòng)閥按照動(dòng)作方式分為氣開(kāi)式和氣關(guān)式；按隔膜數(shù)量分為單隔膜式和雙隔膜式。而核級(jí)閥門(mén)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用于控制核電站氣動(dòng)截止閥，是核電站的重要設(shè)備之一[3,4]，保證核電站系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)核電站的氣動(dòng)截止閥研制了一種雙隔膜氣關(guān)式核級(jí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1　建立模型

1.1　氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成及參數(shù)

設(shè)計(jì)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是開(kāi)啟和關(guān)閉核電站的截止閥，其主要由殼體、傳動(dòng)部件、碟簧、膜片、托盤(pán)、手動(dòng)部件、附件等零部件構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

重量：≯285 kg

安全類(lèi)別：K3

額定行程：27 mm

輸出推力：115 kN

供氣氣源：4～9.5 bar

動(dòng)作時(shí)間：≤15 s

作用方式：氣關(guān)式

1.下殼體　2.碟簧　3.膜片　4.中間殼體　5.托盤(pán) 6.傳動(dòng)部件　7.手動(dòng)部件圖1　氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2　材料設(shè)計(jì)

由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是用于核電站的截止閥，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須要能滿(mǎn)足耐高溫、腐蝕、輻射、抗震等性能。殼體采用高強(qiáng)度的球墨鑄鐵，膜片采用三元乙丙膠EP35中間添加錦綸夾布，使整個(gè)主體部分在耐高溫、腐蝕、輻射等嚴(yán)酷環(huán)境下仍能保證性能的穩(wěn)定性；下殼體采用龍門(mén)架結(jié)構(gòu)，將氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和附件固定在龍門(mén)架上，使結(jié)構(gòu)剛性更可靠，保證整體抗震性能。

1.3　工作原理

研制的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種開(kāi)關(guān)型直線行程的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行裝置主要由氣腔、膜片、托盤(pán)、碟簧和傳動(dòng)部件組成[5]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件主要是電磁閥、節(jié)流閥和過(guò)濾加壓閥[6，7]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程是：氣源通過(guò)過(guò)濾減壓閥后穩(wěn)定在工作壓力4 bar，然后經(jīng)過(guò)電磁閥進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作氣腔，氣壓推動(dòng)膜片帶動(dòng)托盤(pán)及傳動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，壓縮碟簧、關(guān)閉閥門(mén)、同時(shí)背壓腔的空氣由平衡氣口排出；斷開(kāi)開(kāi)源后，工作氣腔內(nèi)沒(méi)有工作氣壓，碟簧復(fù)位，帶動(dòng)托盤(pán)及傳動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，開(kāi)啟閥門(mén)，工作氣腔中的空氣經(jīng)電磁閥從節(jié)流閥排出。其控制原理如圖2所示。

圖2　控制原理圖

2　氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能特性

2.1　理論推力

設(shè)計(jì)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣關(guān)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣源壓力通過(guò)氣動(dòng)附件進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣體工作氣腔，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而輸出推力，因此有必要研究執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程與輸出推力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3所示為執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門(mén)關(guān)閉方向的行程與輸出推力的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出輸出推力隨著行程的增大近似直線下降的趨勢(shì)。在行程23 mm結(jié)束時(shí)(閥門(mén)關(guān)閉位置)輸出推力(F)最小約為115 kN，并將此位置的輸出推力定為額定推力，即額定推力為115 kN。

圖3　行程與輸出推力的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2　性能特性試驗(yàn)

性能特性試驗(yàn)的目的是通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)在工況載荷作用下能否正常工作，并且測(cè)試全行程運(yùn)行時(shí)間、輸出推力等相關(guān)性能參數(shù)。性能特性試驗(yàn)是在中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核級(jí)設(shè)備鑒定中心利用測(cè)試臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸與測(cè)試臺(tái)連接桿相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)分別給被測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)試臺(tái)施加信號(hào)，并測(cè)試反饋，從而得到性能特性參數(shù)。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程運(yùn)行時(shí)間和輸出推力試驗(yàn)是通過(guò)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試臺(tái)檢測(cè)推力范圍為2.5～150 kN，檢測(cè)推力精度為5 N。在電壓380 V，50 Hz情況下對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間和輸出推力進(jìn)行試驗(yàn)。圖4中所示為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試臺(tái)及試驗(yàn)軟件界面。

圖4　測(cè)試系統(tǒng)

圖5所示為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5次開(kāi)行程、 關(guān)行程時(shí)

對(duì)應(yīng)的全行程運(yùn)行時(shí)間。從圖5中可以看出：開(kāi)啟方向全行程運(yùn)行時(shí)間約12 s，關(guān)閉方向全行程運(yùn)行時(shí)間約8 s。開(kāi)啟方向的全行程運(yùn)行時(shí)間明顯大于關(guān)閉方向的全行程運(yùn)行時(shí)間，主要是由于開(kāi)啟方向工作氣腔排氣時(shí)通過(guò)節(jié)流閥，從而開(kāi)啟方向全行程時(shí)間受節(jié)流閥的調(diào)節(jié)作用。

圖5　氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程運(yùn)行時(shí)間

圖6所示為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)行程經(jīng)過(guò)5次測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力。從圖6中可以看出，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力最大值118.5 kN出現(xiàn)在第3次測(cè)試；氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力最小值115.2 kN出現(xiàn)在第1次測(cè)試。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定輸出推力為115 kN，5次推力測(cè)試值都略高于額定推力115 kN。

圖6　氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力

3　結(jié)論

針對(duì)核電站的氣動(dòng)截止閥研制了一種核級(jí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先建立了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型， 簡(jiǎn)述了其構(gòu)成及參數(shù)；然后分析了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理及理論推力計(jì)算；最后對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能特性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線行程運(yùn)行時(shí)間短，輸出推力穩(wěn)定，通過(guò)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試臺(tái)對(duì)其性能特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到如下結(jié)果：

(1) 對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程運(yùn)行時(shí)間測(cè)試，開(kāi)啟方向全行程運(yùn)行時(shí)間約12 s，關(guān)閉方向全行程運(yùn)行時(shí)間約8 s；

(2) 對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出推力測(cè)試，輸出推力最大值118.5 kN出現(xiàn)在第3次測(cè)試；輸出推力最小值115.2 kN出現(xiàn)在第1次測(cè)試，5次測(cè)試輸出推力穩(wěn)定在略高于115 kN的范圍。

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