大功率核電齒輪箱安裝及抗震性能分析

王春霖，王立帥，梁明邦

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

核電廠循環(huán)水泵齒輪箱采用NGW行星減速機(jī)結(jié)構(gòu)，功率四分流人字齒行星一級(jí)傳動(dòng)，主要由輸入花鍵套、行星包、組合軸承、底座、輸出法蘭等零部件組成，動(dòng)力由立式電機(jī)通過(guò)輸入花鍵套，經(jīng)過(guò)行星級(jí)減速后傳到輸出法蘭上，驅(qū)動(dòng)循環(huán)水泵工作，該齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，屬于滿足核電高可靠性要求的理想傳動(dòng)形式（圖1、圖2）。齒輪箱長(zhǎng)2720 mm、寬2720 mm、高3240 mm，重量約29 t，額定輸入轉(zhuǎn)速746 r/min，輸出軸功率7530 kW，額定輸出轉(zhuǎn)速為182.84 r/min，減速比為4.08，齒輪箱與支架組裝后，通過(guò)24顆地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上。本文針對(duì)大功率核電齒輪箱的特點(diǎn)介紹安裝過(guò)程，基于現(xiàn)有支架和固定方案進(jìn)行抗震分析，評(píng)定地腳螺栓受力。

圖1 齒輪箱外形

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)

1 齒輪箱安裝

1.1 安裝要求

齒輪箱安裝前，應(yīng)存放在干燥、防曬、防潮、潔凈的庫(kù)房?jī)?nèi)，安裝前檢查基礎(chǔ)標(biāo)高及地腳螺栓孔尺寸。吊裝選用6×37（a）類鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度為1570 MPa，推薦選用鋼絲繩直徑≥40 mm，2根，每根約10 m；卸扣選用S-BW32或S-BW40以上等級(jí)，4件。吊裝整機(jī)時(shí)應(yīng)在鋼絲繩與被吊物之間墊上軟物，起吊吊耳上需加裝卸扣，吊繩拉力方向不能超過(guò)60°斜角。為確保齒輪箱安裝時(shí)精確定位及防止底面與基座銹蝕，基座表面上應(yīng)均勻涂一層薄鋰基潤(rùn)滑脂。齒輪箱未完全密封時(shí)，嚴(yán)禁在周圍5 m內(nèi)進(jìn)行風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)砂輪打磨。裝入螺栓前，螺紋要用清洗劑清洗干凈，鉸制螺栓用二硫化鉬涂抹，各螺栓螺紋連接處，應(yīng)涂厭氧膠以防松。同一零件緊固時(shí)，螺栓或螺釘需交叉、對(duì)稱、逐步擰緊，擰緊力矩見(jiàn)表1：①擰緊力矩允許偏差為±5%；②表中數(shù)值適用于使用潤(rùn)滑劑螺栓，無(wú)潤(rùn)滑劑螺栓擰緊力矩應(yīng)為表中值133%。

表1 擰緊力矩T N·m

1.2 安裝步驟

安裝流程如圖3所示，首先進(jìn)行安裝前準(zhǔn)備工作，然后輸出端安裝，最后輸入端安裝。安裝前準(zhǔn)備工作，包括拆卸運(yùn)輸工裝、鎖緊組合軸承徑向軸瓦和安裝盤車裝置。齒輪箱盤車找正前，需對(duì)輸出軸進(jìn)行定心，通過(guò)鎖緊組合軸承的徑向軸瓦，單邊留0.02 mm間隙來(lái)對(duì)輸出軸定心。熟悉系統(tǒng)安裝圖及安裝手冊(cè)，對(duì)齒輪箱、聯(lián)軸器、安裝支架、預(yù)埋底座等零件的連接尺寸、標(biāo)高、地腳螺栓孔分布對(duì)中等進(jìn)行復(fù)查，確保順利安裝。齒輪箱支架如圖4所示，組裝支架與齒輪箱時(shí)，復(fù)檢泵聯(lián)軸器表面水平度≤0.05 mm/m，將齒輪箱支架吊起正確落在底座上，將齒輪箱和支架連在一起后，調(diào)整方向，將組件穿過(guò)地腳螺栓吊到安裝位置上。測(cè)量齒輪箱輸出法蘭與水泵聯(lián)軸器之間的間隙值u，通過(guò)調(diào)節(jié)底座下端的墊鐵，保證偏差在±0.5 mm以內(nèi)。

圖3 安裝流程

圖4 齒輪箱支架

為避免設(shè)備干摩擦拉傷和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等不足，齒輪箱進(jìn)行盤車找正前應(yīng)進(jìn)行串油，將ISO VG100潤(rùn)滑油，經(jīng)過(guò)濾精度10～20μm的不銹鋼濾網(wǎng)過(guò)濾后注入箱體。加注齒輪油時(shí)，要求油位高于液位計(jì)18 cm刻度，加注油量約1200 L。串油時(shí)，進(jìn)油管直接從上箱體觀察蓋板注油口處進(jìn)油，電路接通后，啟動(dòng)齒輪箱電動(dòng)泵，串油10 h。

找正包括粗找正和精找正。粗找正在不串油、不盤車條件下進(jìn)行，要求徑向跳動(dòng)≤0.2 mm，端面跳動(dòng)≤0.05 mm。精找正在串油盤車條件下進(jìn)行，要求徑向跳動(dòng)≤0.05 mm、端面跳動(dòng)≤0.05 mm。若端面跳動(dòng)超差，采用調(diào)整墊鐵調(diào)整校準(zhǔn)支架水平；徑向跳動(dòng)超差，采用頂絲螺栓移動(dòng)齒輪箱支架調(diào)整。輸出端找正合格后，復(fù)檢齒輪箱上箱蓋水平度≤0.05 mm/m。

齒輪箱輸入端安裝時(shí)，拆除盤車裝置、組裝齒輪箱輸入部套、輸入聯(lián)軸器裝配及找正。輸入聯(lián)軸器安裝參照系統(tǒng)圖、安裝圖，對(duì)齒輪箱進(jìn)行對(duì)中找正，徑向跳動(dòng)≤0.1 mm，端面跳動(dòng)≤0.30 mm，找正合格后，對(duì)電機(jī)與支架進(jìn)行定位、緊固。組立花鍵套，復(fù)檢花鍵套相對(duì)高度，要求如圖5所示（225 mm≤H≤235 mm）。電機(jī)與齒輪箱聯(lián)軸器組立完后，組立罩殼。完成罩殼的組立后，進(jìn)行兩組預(yù)壓式空氣濾清器的安裝。

圖5 電機(jī)與齒輪箱聯(lián)軸器連接

2 齒輪箱抗震分析

齒輪箱安裝完畢后，利用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行了抗震分析，對(duì)地腳螺栓進(jìn)行評(píng)定。

2.1 荷載參數(shù)

齒輪箱位于循環(huán)水泵房，計(jì)算采用循環(huán)水泵房+0.1 m，阻尼比為4%的樓層反應(yīng)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，反應(yīng)譜數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 樓層反應(yīng)譜數(shù)值

2.2 有限元模型

對(duì)循環(huán)泵齒輪箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，刪除主體結(jié)構(gòu)中存在的圓角倒角及局部螺栓螺釘?shù)?，其與主體結(jié)構(gòu)的連接看成一個(gè)整體，儀器儀表等附屬件均不進(jìn)行計(jì)算，對(duì)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)主軸及上下連接的花鍵套看成是一個(gè)可變截面大小的梁進(jìn)行處理，其與主體結(jié)構(gòu)相連接的部分采用剛性單元進(jìn)行綁定。

齒輪箱和支架組裝外形如圖6所示，循環(huán)泵齒輪箱中支撐裙座及筋板、方形觀察孔由薄壁結(jié)構(gòu)組成，這部分用Shell 181單元來(lái)模擬。其余結(jié)構(gòu)用Solid185單元模擬，簡(jiǎn)化后的傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)用Beam188單元模擬，簡(jiǎn)化后的循環(huán)泵齒輪箱網(wǎng)格劃分情況如圖7所示。在循環(huán)泵齒輪箱底板24個(gè)地腳螺栓處約束X、Y、Z方向。

圖6 齒輪箱及支架組裝

圖7 循環(huán)泵齒輪箱總體網(wǎng)格

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)模態(tài)分析，得到該設(shè)備模型的前20階頻率和3個(gè)方向的有效參與質(zhì)量，前20階頻率見(jiàn)表3。前20階頻率X方向和Y方向參與質(zhì)量為90.95%，補(bǔ)償質(zhì)量為9.05%；Z方向參與質(zhì)量為91.56%，補(bǔ)償質(zhì)量為8.44%。

表3 前20階頻率Hz

事故工況下齒輪箱及支架的總體位移、Von Mises應(yīng)力云圖，如圖8、圖9所示。由圖可知事故工況下最大總體位移為0.485 mm，出現(xiàn)在齒輪箱空氣濾清器端部部位；最大Von Mises應(yīng)力為147.292 MPa，出現(xiàn)在齒輪箱支架底部裙座與筋板連接處。

圖8 事故工況齒輪箱及支架總體位移云圖

圖9 事故工況齒輪箱及支架Von Mises應(yīng)力云圖

事故工況下齒輪箱支架的總體位移、Von Mises應(yīng)力云圖，如圖10、圖11所示。由圖可知事故工況下最大總體位移為0.137 mm，出現(xiàn)在齒輪箱支架上端部部位；最大Von Mises應(yīng)力為147.292 MPa，出現(xiàn)在齒輪箱支架底部裙座與筋板連接處。

圖10 事故工況支架總體位移云圖

圖11 事故工況支架Von Mises應(yīng)力云圖

2.4 地腳螺栓應(yīng)力評(píng)定

根據(jù)RCC-M—2000《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》的規(guī)定，應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則見(jiàn)表4。其中，ft為拉伸應(yīng)力，fv為剪切應(yīng)力，ftb為拉伸許用應(yīng)力，fvb為剪切許用應(yīng)力；螺栓規(guī)格為M36，最小直徑為31.7 mm，截面積為787.7 mm2。本文對(duì)24顆M36×630 mm的地腳螺栓進(jìn)行評(píng)定，螺栓評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 螺栓應(yīng)力分析評(píng)定準(zhǔn)則

表5 事故工況連接螺栓載荷及評(píng)定結(jié)果

3 結(jié)論

核電循環(huán)水泵大功率齒輪箱應(yīng)按要求做好檢查，按流程進(jìn)行組裝，組裝完成后，應(yīng)進(jìn)行復(fù)檢。在事故工況下，齒輪箱最大位移為0.485 mm，最大應(yīng)力為147.292 MPa，低于許用應(yīng)力，對(duì)齒輪箱支架地腳螺栓根據(jù)規(guī)范進(jìn)行了評(píng)定，應(yīng)力比均小于1，符合規(guī)范要求。