反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔拋光機(jī)改進(jìn)研究

董岱林，杜 華，殷 琪，張 弦，王 坤

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

反應(yīng)堆壓力容器是反應(yīng)堆一回路的關(guān)鍵設(shè)備之一，壓力容器上的主螺栓孔又是保證一回路壓力邊界的關(guān)鍵點(diǎn)之一[1]。在反應(yīng)堆裝堆過(guò)程中，會(huì)往主螺栓孔內(nèi)加注潤(rùn)滑劑與防咬合劑。在反應(yīng)堆長(zhǎng)期高溫運(yùn)行過(guò)程中，主螺栓孔內(nèi)易形成不規(guī)則的燒結(jié)物附著在主螺栓孔的內(nèi)表面。每次裝堆前均需要對(duì)主螺栓孔進(jìn)行拋光，以獲得良好的螺紋孔表面狀態(tài)，為反應(yīng)堆的復(fù)裝提供必要的前提條件[2-3]，而反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔拋光機(jī)(以下簡(jiǎn)稱拋光機(jī))正是為完成這一任務(wù)而設(shè)計(jì)的專用設(shè)備[4]。

原有舊型拋光機(jī)在安裝以及使用過(guò)程中存在安裝困難，以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)容易過(guò)熱燒毀的問(wèn)題，因此有必要對(duì)舊型拋光機(jī)進(jìn)行改進(jìn)研究。

1 拋光機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電控盒具有如下功能：手動(dòng)運(yùn)行模式，自動(dòng)運(yùn)行模式，狀態(tài)監(jiān)測(cè)及顯示，并可對(duì)拋光機(jī)進(jìn)行邏輯控制。電控盒內(nèi)的控制器采用雙面印刷電路板。

上接近開關(guān)和下接近開關(guān)限定了刷具組件的運(yùn)行范圍；上固定筒和下固定筒是拋光機(jī)的外殼，其作為物理支撐來(lái)固定其他零部件；定位筒安裝在壓力容器主螺栓孔上部光孔段(主螺栓孔下部是螺紋段)上，使得拋光機(jī)與主螺栓孔正確定位；刷具組件上有兩個(gè)刷具，材料為帶磨料的尼龍，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；升降電機(jī)、升降傳動(dòng)組件、螺紋筒組件和升級(jí)螺母相互配合，帶動(dòng)升降筒作升降運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和刷具組件上下運(yùn)動(dòng)。刷具組件一邊作升降運(yùn)動(dòng)，一邊作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主螺栓孔拋光。

圖1 拋光機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 問(wèn)題分析

2.1 存在的問(wèn)題

1)拋光機(jī)就位較困難，具體表現(xiàn)為：拋光刷具在主螺栓孔的上部光孔段時(shí)就位比較容易，一旦進(jìn)入到主螺栓孔的下部螺紋段，就很難往下插入。若打開旋轉(zhuǎn)電機(jī)，刷具旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，則會(huì)較為順利地進(jìn)入螺紋段部分。但打開旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝使得安裝難度增大，操作極為不便。

2)當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)拋光完一個(gè)主螺栓孔或每工作10 min時(shí)，必須停止工作5 min以上，否則電機(jī)易過(guò)熱燒毀。

2.2 原因分析

1)對(duì)于拋光機(jī)就位困難這一問(wèn)題，經(jīng)分析是由于刷具組件的刷毛與螺紋孔壁的接觸力過(guò)大，導(dǎo)致拋光機(jī)就位時(shí)摩擦阻力過(guò)大。由經(jīng)典力學(xué)可得摩擦力公式如下：

F=μN(yùn)

(1)

式中：F為刷具組件與主螺栓孔間的摩擦力；N為二者間的正壓力；μ為摩擦系數(shù)。主螺栓孔的材料為16MND5，粗糙度為1.6 μm，刷具組件中刷毛的材料為帶磨料的尼龍，上述條件確定的情況下，μ值是確定的，因此只能從正壓力N尋求解決方法。經(jīng)對(duì)影響正壓力N的因素分析發(fā)現(xiàn)，正壓力N與主螺栓孔和刷具組件刷毛的接觸過(guò)盈量相關(guān)，而接觸過(guò)盈量由刷具組件的制造累積誤差產(chǎn)生，計(jì)算公式為：

Δ=Δ1+Δ2+Δ3

(2)

式中：Δ為累積誤差；Δ1為刷具組件刷毛長(zhǎng)度誤差；Δ2為零件的加工誤差；Δ3為裝配誤差。

①刷具組件刷毛長(zhǎng)度誤差Δ1。隨機(jī)選取15組刷具組件刷毛進(jìn)行測(cè)量，其最大絕對(duì)誤差為3.5 mm，最小絕對(duì)誤差為0.9 mm。

②零件的加工誤差Δ2。除了刷具組件的刷毛為非金屬件外，其他的零件均為金屬零件，因此其誤差取決于零件的上下偏差，所有零件的尺寸均小于300 mm，公差等級(jí)選用IT7，則絕對(duì)公差值均在0.052 mm以內(nèi)。

③裝配誤差Δ3。刷具組件在安裝過(guò)程中不可避免存在誤差[5]。當(dāng)刷具組件靠近主螺栓孔壁時(shí)，正壓力增大；反之正壓力減小。裝配誤差主要是零部件之間的預(yù)留間隙，對(duì)于刷具組件，設(shè)計(jì)預(yù)留間隙不大于0.1 mm。

由此可見，刷具組件刷毛的長(zhǎng)度誤差Δ1為主要誤差，零件的加工誤差Δ2影響最小，取各個(gè)誤差的絕對(duì)值，可得累積誤差為：

Δ=Δ1+Δ2+Δ3=3.652(mm)

(3)

當(dāng)累積誤差Δ使主螺栓孔和刷具組件刷毛的接觸過(guò)盈量增加時(shí)，則刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力增加，造成了拋光機(jī)就位困難；反之則正壓力減小，就位容易，但刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力不得過(guò)小，否則拋光效果不佳，達(dá)不到預(yù)期拋光效果。

2)對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)容易過(guò)熱燒毀這一問(wèn)題，分析旋轉(zhuǎn)電機(jī)附近的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)電機(jī)處在一個(gè)相對(duì)封閉的空間，在下固定筒上開有2個(gè)排氣孔，孔徑為8 mm。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)位于上極限位置時(shí)，距離排氣孔200 mm；當(dāng)位于下極限位置時(shí)，距離排氣孔450 mm。排氣孔與旋轉(zhuǎn)電機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)，通過(guò)空氣自然對(duì)流很難將熱量帶走。如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)電機(jī)周圍結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)易過(guò)熱燒毀的另一原因是，當(dāng)刷具組件的制造誤差較大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其與主螺栓孔之間的摩擦力大于設(shè)計(jì)值，造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)荷過(guò)大從而燒毀。

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 對(duì)刷具的優(yōu)化

為消除刷具組件和主螺栓孔之間不確定性的正壓力N帶來(lái)的不利影響，在刷具組件和傳動(dòng)軸之間設(shè)計(jì)一橡膠彈簧。當(dāng)正壓力N過(guò)大時(shí)，刷具組件反饋到橡膠彈簧上的力促使橡膠彈簧產(chǎn)生形變，刷具組件產(chǎn)生微小位移，從而使得刷具組件和主螺栓孔之間的正壓力N減小。但同時(shí)又需保證合理的正壓力N以獲得理想的拋光效果，因?yàn)檎龎毫過(guò)小拋光效果不佳。

對(duì)于刷具組件與主螺栓孔之間所需合理的正壓力N，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，N值大于8 N時(shí)，螺栓孔容易被拋光干凈。若N值過(guò)大，易造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，且有可能過(guò)度拋光導(dǎo)致螺紋孔表面的磷化層脫落。實(shí)驗(yàn)測(cè)得N值不得大于18 N，因此N值應(yīng)介于8～18 N。

由2.2節(jié)可知，刷具組件的最大絕對(duì)誤差Δ為3.652 mm，若橡膠彈簧能夠?qū)⒋苏`差范圍(±3.652 mm)涵蓋，且在該變形量?jī)?nèi)，保證刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力N位于8～18 N，即可滿足要求。利用式(4)對(duì)橡膠彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(4)

式中：σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變；P為受到的載荷；S為承載面積；f為變形量；k為橡膠彈簧的總高度[6]。

當(dāng)選用彈性模量E=0.15 MPa的彈性材料時(shí)，可設(shè)計(jì)外徑約35 mm、高度約20 mm的圓柱形橡膠彈簧。當(dāng)累積誤差Δ達(dá)到極值使得刷具組件遠(yuǎn)離主螺栓孔壁3.652 mm時(shí)，正壓力N值為8.12 N；反之當(dāng)累積誤差達(dá)到極值使得刷具組件靠近主螺栓孔壁3.652 mm時(shí)，刷具組件與主螺栓孔之間的正壓力為17.89 N，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

刷具組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖3所示。橡膠彈簧位于刷具和傳動(dòng)軸之間，底擋板對(duì)刷具進(jìn)行軸向固定，固定銷將傳動(dòng)軸的動(dòng)力傳遞給刷具。刷具上與固定銷相配的圓孔孔徑比固定銷直徑大，使得刷具具有一定的水平自由度，保證刷具組件可在±3.652 mm的偏移值內(nèi)移動(dòng)。

圖3 刷具組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

3.2 對(duì)電機(jī)散熱的優(yōu)化

為防止旋轉(zhuǎn)電機(jī)過(guò)熱燒毀，設(shè)計(jì)一強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)，從而將相對(duì)封閉空間內(nèi)的熱量及時(shí)排出[7]。在升降筒的下部增設(shè)若干對(duì)流孔，利用負(fù)壓風(fēng)機(jī)使對(duì)流孔與上部排氣孔形成散熱流場(chǎng)，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)包裹其中。對(duì)流熱交換公式為：

Q=hA(T1-T2)

(5)

式中：Q為面積A上的傳熱功率；h為表面對(duì)流傳熱系數(shù)；A為熱交換面積；T1為固體表面溫度；T2為流體表面溫度。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣等級(jí)為E級(jí)，工作溫度不超過(guò)75 ℃(T1)，拋光機(jī)工作時(shí)的環(huán)境溫度不超過(guò)35 ℃(T2)。在拋光機(jī)結(jié)構(gòu)形式以及工作環(huán)境確定的情況下，表面對(duì)流傳熱系數(shù)與流體的速度相關(guān)[8]，因負(fù)壓風(fēng)機(jī)功率及抽吸管道內(nèi)徑為定值，所以可將對(duì)流傳熱系數(shù)h視為恒定值。經(jīng)以上分析，當(dāng)對(duì)流傳熱系數(shù)h以及T1和T2確定時(shí)，要使傳熱功率Q增大，只能增加熱交換面積A，即盡可能增大空氣流場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的接觸面積。

如圖4所示，在升降筒下部設(shè)計(jì)一些對(duì)流孔，對(duì)流孔在周向上均勻布置。在下固定筒的上部設(shè)計(jì)排氣孔，用氣管將排氣孔和負(fù)壓風(fēng)機(jī)相連。負(fù)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在下固定筒和升降筒之間形成一包絡(luò)電機(jī)的散熱流場(chǎng)。

圖4 旋轉(zhuǎn)電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

利用CFD(計(jì)算流體力學(xué))對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行建模分析。邊界條件為：將空氣視為牛頓流體，將流場(chǎng)空間的邊界視為絕熱材料，入口風(fēng)速為6 m/s，出口壓力為大氣壓力，溫度為293.2 K。對(duì)不同的開孔位置做仿真分析。

1)舊型拋光機(jī)只在下固定筒的上部開有兩個(gè)排氣孔，無(wú)主動(dòng)對(duì)流功能。現(xiàn)假設(shè)其具有主動(dòng)對(duì)流功能，一孔進(jìn)空氣，一孔出空氣。其流動(dòng)跡線如圖5(a)所示。

2)若下固定筒的上部開1個(gè)排氣孔，升降筒下部開2個(gè)對(duì)流孔，2個(gè)對(duì)流孔在排氣孔的兩側(cè)對(duì)稱布置。其流動(dòng)跡線如圖5(b)所示。

3)若下固定筒的上部開1個(gè)排氣孔，升降筒下部開2個(gè)對(duì)流孔，2個(gè)對(duì)流孔和排氣孔在同一豎直平面內(nèi)。其流動(dòng)跡線如圖5(c)所示。

4)若下固定筒的上部開1個(gè)排氣孔，升降筒下部開4個(gè)對(duì)流孔，4個(gè)對(duì)流孔中有兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)流孔和排氣孔在同一豎直平面內(nèi)。其流動(dòng)跡線如圖5(d)所示。

5)若下固定筒的上部開1個(gè)排氣孔，升降筒下部開8個(gè)對(duì)流孔，8個(gè)對(duì)流孔中有兩個(gè)對(duì)稱的對(duì)流孔和排氣孔在同一豎直平面內(nèi)。其流動(dòng)跡線如圖5(e)所示。

圖5 CFD分析跡線圖

通過(guò)跡線圖可以發(fā)現(xiàn)，即使在優(yōu)化前的拋光機(jī)上增加主動(dòng)對(duì)流功能，對(duì)流空氣亦很難流經(jīng)電機(jī)表面，空氣在上部區(qū)域打轉(zhuǎn)，散熱效率低。當(dāng)上部開一個(gè)排氣孔，隨著下部對(duì)流孔的數(shù)量增加，對(duì)流空氣流經(jīng)電機(jī)表面更加均勻，覆蓋電機(jī)的表面積也越大，且空氣流通更加順暢(不打轉(zhuǎn))。

本文采取了圖5(e)方案進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)踐證明拋光機(jī)可連續(xù)穩(wěn)定工作3 h以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化后的拋光機(jī)已成功應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆壓力容器主螺栓孔的拋光。安裝就位方便，無(wú)卡阻現(xiàn)象，拋光效果好,連續(xù)作業(yè)3 h情況下旋轉(zhuǎn)電機(jī)無(wú)過(guò)熱燒毀現(xiàn)象。對(duì)其他類似情況，如接觸受力為不確定值且有一定范圍要求的問(wèn)題，可考慮使用橡膠彈簧；如圓柱形且較為封閉空間的散熱問(wèn)題，可使用強(qiáng)迫對(duì)流，將排氣孔和對(duì)流孔布置在封閉空間的兩端，對(duì)流孔盡可能多且均勻分布。