馮杰

摘要：主要研究了核電站彈簧恒力支吊架的工作原理，并且對恒力支吊架的尺寸關(guān)系進行了研究，并提出簡化的強度校核方法。通過對恒力支吊架的彈簧性能進行試驗，確保核電站彈簧恒力支吊架滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：核電站;恒力支吊架;彈簧

引言

在核電站中有很多管道系統(tǒng)，而這些管道的內(nèi)懸吊點熱位移很大，為了保證管道系統(tǒng)的彎曲變形在允許范圍內(nèi)，必須要用恒定的支撐力來支撐各個管道設(shè)備。

在核電站中有許多類似的支吊架，恒力支吊架的作用是最大的，彈簧恒力支吊架可以保證核電站管道系統(tǒng)安全可靠的運行。由于彈簧恒力支吊架工作環(huán)境相對惡劣，多使用在溫度較熱、位移大的管道位置。當(dāng)溫度升高時，管道會在垂直方向產(chǎn)生彎曲變形，保證其載荷不變，管道受到的應(yīng)力就會變小，可以最大程度減小設(shè)備與管道接口處的力矩和作用力。本文是以常見的彈簧恒力支吊架為研究對象，在保證其滿足核電站使用要求的基礎(chǔ)上進一步對該彈簧恒力支吊架進行優(yōu)化改進。

1.彈簧恒力支吊架工作原理

圖1-1?彈簧恒力支吊架工作原理

圖1-1中，ACD=90°，CA=CB=x（x是未知數(shù)），CD=y（y是彈簧恒力支吊架的行程）。假設(shè)彈簧的壓縮長度Z和AB的長度相等。即Z=2xsin（/2）。當(dāng)=DCE=30°，=ACB=60°時，說明恒力支吊架處于上限位置。當(dāng)=DCE=30°，=ACB=120°時，說明恒力支吊架處于下限位置。施加在支吊架上的載荷力P作用到轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的力矩為：=Pycos;支吊架的彈簧力W對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩為=Wxcos（/2）;顯然，與互為余角，所以由力矩平衡可得方程：W=2Pysin（/2）/x，又因為Z=2xsin（/2），所以當(dāng)支吊架的擺臂處于上限位置時，彈簧產(chǎn)生的拉力最小，即此時彈簧長度就是其安裝長度。=Py/x，=x。當(dāng)支吊架的擺臂處于下限位置時，=1.732Py/x，=1.732x。因此，可以計算得到支吊架彈簧的剛度K為：K=（-）/（-）/。因為一般情況下都是根據(jù)標準支吊架手冊選取載荷P的值進行計算，所以彈簧剛度K的值也為標準值。因此，可以根據(jù)以上公式得出x的值。

當(dāng)載荷點的位置不發(fā)上變化，而擺臂與水平方向的夾角改變時，根據(jù)以上計算公式可以導(dǎo)出，載荷點的載荷值是恒定不變的，只是彈簧的作用力會因為角度的改變而相應(yīng)的變大或縮小。當(dāng)擺臂絲杠和水平方向的夾角保持不變，載荷點的位置發(fā)生變化時，當(dāng)載荷點越向擺臂末端靠近時，y值就會相應(yīng)增大，支吊架的載荷就會減小，此時，作用在C點的力矩不發(fā)生改變，與此同時，彈簧產(chǎn)生的作用力也是恒定的。

2.彈簧恒力支吊架設(shè)計過程分析

支吊架在工作工程中受到多種形式的力和力矩，所以其關(guān)鍵部位的軸類件和其他主要的受力件要滿足一定強度要求。所以在設(shè)計過程中要對支吊架的相關(guān)部件進行強度校核和應(yīng)力分析。

2.1?彈簧恒力支吊架主要部件受力分析

根據(jù)恒力支吊架受力原理圖可知，在工作過程中，主要是軸受力最大。主軸力Q=。對軸進行強度校核，計算可得軸受到的最大剪切應(yīng)力為：=Q/（2π/4），受到的最大擠壓應(yīng)力為：=Q/2TD。工作工程中彈簧壓盤產(chǎn)生的最大力矩為：M=/4×2/π×（D-）;由材料力學(xué)計算公式可計算彈簧壓盤的抗彎界面系數(shù)為：=1/6××（）;計算彎曲應(yīng)力為：=M/。彈簧支吊架在工作工程中，彈簧拉桿受到拉應(yīng)力，為了保證其不別拉斷，必須對其受到最大拉力過程中進行強度校核，拉桿受到拉應(yīng)力為：=/S，式中S是拉桿的螺紋部分受到應(yīng)力面積;拉桿與螺紋桿部分時焊接連接的，所以要對焊縫進行強度校核，焊縫處受到剪應(yīng)力，計算公式為：=/2B;拉桿導(dǎo)槽處也是危險點，對其進行強度校核，受到拉應(yīng)力為：=/2T（A-）。當(dāng)彈簧支吊架在最大位移位置時，受到最大載荷，在此條件下計算以上各個對應(yīng)數(shù)值，取安全系數(shù)為1.5，分別用計算值與許用應(yīng)力值做比值，比值結(jié)果小于1.5說明滿足強度要求，即零件可以正常使用，如果計算值與許用應(yīng)力值比值大于1.5，則對應(yīng)部件不滿足使用要求，需要對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化或者更換其使用材料，直至修改到滿足強度要求位置。

2.2恒力支吊架主彈簧的選擇

彈簧是恒力支吊架的主要部件。通常彈簧材料選用60Si2Mn，彈簧受到載荷屬于Ⅲ類載荷，許用切應(yīng)力大小為740MPa，查設(shè)計手冊可得彈簧材料60Si2Mn的切邊模量為80GPa。根據(jù)計算公式d=1.6，可求出彈簧絲的直徑d。然后由計算式n=可以求得彈簧的圈數(shù)。彈簧的剛度大小為K=，根據(jù)實際應(yīng)用情況計算彈簧對應(yīng)值，確定彈簧剛度是否滿足使用要求，如果不滿足對彈簧尺寸進行修正，直至達到強度要求。

3.試驗驗證

在對核電站彈簧支吊架設(shè)計過程中，不僅要保證各個部件滿足強度要求，而且也要確保作用在支吊架上的支撐力變化率在一定范圍內(nèi)。根據(jù)《GB/T?228-2002金屬拉伸試驗方法》的試驗要求對支吊架做拉伸試驗。保證其載荷變化率在16%以下就能滿足使用要求。另外，還要對彈簧恒力支吊架進行合格鑒定試驗。應(yīng)為恒力支吊架的變形量與受到載荷成正比關(guān)系，即線性分布，所以，在支吊架受到4倍載荷時，要確保其不斷裂，并且變形在允許范圍內(nèi)。在試驗過程中，可用鋼制套筒代替彈簧，并且將應(yīng)變片安裝在支吊架的多個位置以便更全面的了解恒力支吊架各個部分的受力情況。在實驗過程中，如果恒力支架不發(fā)生斷裂，并且變形在允許范圍內(nèi)，則去掉載荷后可以恢復(fù)原來形狀，則說明恒力支吊架滿足設(shè)計要求。

4.結(jié)語

本文主要闡述了核電站彈簧恒力支吊架的工作原理，詳細介紹了其工作過程中各個部件的受力情況，并且根據(jù)受力平衡給出了受力點所受力和力矩的計算公式。對彈簧恒力支吊架的設(shè)計過程進行研究，根據(jù)工作條件，確定支吊架需要校核的位置，由具體強度校核公式計算確保其滿足使用要求。在設(shè)計完成后要進行試驗驗證，進一步保證彈簧恒力支吊架可以安全可靠的工作。

參考文獻：

[1]劉瑜，徐傳海.恒力彈簧選項及恒力彈簧支吊架的設(shè)計與安裝[J].華中電力，2004，17（5）：40-43.