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(中科華核電技術研究院有限公司 工程改造中心， 廣東 深圳　518124)

引言

調水平裝置的設計解決了大型設備吊裝過程中水平度不易調整的問題，既保證了吊裝過程中液壓裝置的密封性，又實現(xiàn)了通過控制液壓油的流量來實現(xiàn)調整水平度，且可以在不吊重物的時候利用重力輕松復位。

1　調水平裝置的實際應用工況

調水平裝置用于反應堆整體螺栓拉伸機在安全殼內吊裝及吊裝過程調節(jié)拉伸機水平度。三套調水平裝置均布于整體螺栓拉伸機外圓周，調水平裝置與安全殼內頂蓋吊具配合使用實現(xiàn)拉伸機在安全殼內的吊裝，吊具上三根吊索分別與三個調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，調水平裝置下端通過銷軸與拉伸機支承環(huán)的吊耳連接。在吊裝過程中通過對三個調水平液壓缸活塞伸出長度進行控制從而實現(xiàn)拉伸機水平度的調整。

調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，一起參與拉伸機的吊裝；

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

(3) 調水平裝置有一定的調節(jié)量用于拉伸機的水平調節(jié)，在調平過程中實現(xiàn)微量調節(jié)。

調水平裝置的應用工況有以下三個：

(1) 在安全殼內拉伸機從實驗貯存裝置上提升拉伸機約100 mm高度后停止起吊，此時檢查拉伸機水平度并進行調節(jié)；

(2) 拉伸機就位于壓力容器頂蓋前，距離法蘭面還有20 mm時停止下落檢查拉伸機水平度并進行調節(jié)；

(3) 拉伸機吊離大概法蘭離頂蓋約100 mm時，停止吊裝檢查拉伸機水平度并進行調節(jié)。

2　調水平裝置設計

2.1　主要參數(shù)

單個調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(即調水平裝置的調整范圍為0～70 mm)；

液壓缸外徑：150 mm；

設計壓力：45.5 MPa；

單次點動下落調整精度：≤0.5 mm；

除易損件外，調水平裝置主要部件的設計壽命為40年。

2.2　水平度測量

兩個傾角傳感器監(jiān)測拉伸機的水平度，安裝于拉伸機支承環(huán)上表面相互垂直的位置。水平度數(shù)據通過數(shù)據總線傳輸?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，即拉伸機沒有傾斜。當閃亮的LED向某一個方向移動時，說明拉伸機向這個方向傾斜。

圖1　X-Y軸圖表

2.3　調水平工作原理

單臺調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，下端與拉伸機吊耳相連。當調水平裝置接通電源并吊起拉伸機時，控制盒上可顯示目前螺栓拉伸機X軸、Y軸的水平情況。如水平度不滿足要求，根據控制盒上水平度的指示按相應的調水平按鈕，向指定的調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，從而降低拉伸機在該位置的高度，按鈕按一次只能發(fā)出一個短時間通斷指令，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斷開狀態(tài)。由于受到調水平裝置精度的限制，可能對不同位置上的調水平裝置多次重復上述操作的調整，最終使拉伸機在安全殼內吊裝過程中保持相對水平，其整體水平度需小于0.5 mm/m。 阻尼器可調節(jié)液壓油的流量，緩沖裝置可以實現(xiàn)補油防止液壓缸下腔出現(xiàn)負壓。

圖2　調水平裝置工作原理

2.4　調水平裝置調零

控制盒上還有一個調零按鈕，在調水平裝置第一次使用之前借助水平尺將調水平裝置傾角儀清零，給調水平裝置一個調平基準。當螺栓拉伸機第一次就位于反應堆頂蓋上，以反應堆頂蓋上表面為基準，按調零按鈕，使螺栓拉伸機上的傾角傳感器清零，以反應堆頂蓋上表面為相對水平面。

3　調水平裝置機械結構

調水平裝置結構特點：

(1) 調水平裝置主要包括3個調水平液壓缸和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) 通過調節(jié)花蘭螺絲可進行水平度的粗調；

(4) MSTM水平度的精度調整通過改變水平液壓缸內活塞的位置來實現(xiàn)；

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

調水平裝置結構如圖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，調整拉伸機在此位置的高度。液壓缸內彈簧可在復位時為設備提供復位動力。

圖3　調水平裝置機械結構

4　電磁閥座的特殊設計

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，并設計有截流閥芯(即阻尼器)及補油彈簧結構。電磁閥座油道剖面圖見圖4。

圖4　電磁閥座剖面圖

補油彈簧未注油及注油時的狀態(tài)見圖5、圖6。補油彈簧具有如下功能：

(1) 調平油缸安裝到位后由于承受重達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或者為負壓。彈簧活塞裝置可以起到消除無桿腔負壓的作用；

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

(3) 出現(xiàn)上述情況時，小活塞自動右移達到補油消除負壓的目的。

圖5　補油彈簧未注油狀態(tài)

圖6　補油彈簧注油狀態(tài)

5　液壓缸體強度校核

圖7　液壓缸體剖面圖

缸內表面周向應力：

其中,p為油缸工作液體壓強。

軸向應力：

內壁壓應力：

σ3=-p

按照第三強度理論，合成應力：

所以σmax=75.4 MPa。

活塞桿采用材料30Cr2Ni2Mo鋼調質，σs=900 MPa,σb=1100 MPa。

許用應力[σ]=min{0.33σb環(huán)境，0.33σb工作，0.67σs環(huán)境，0.67σs工作}=363 MPa，σ<[σ]，因此液壓缸體結構安全。

6　彈簧強度校核

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，總圈數(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)；

彈簧抗拉強度極限σb=1570 MPa；

彈簧材料的切變模量G=79000 MPa；

彈簧的許用應力τp=0.45σb=706.5 MPa；

彈簧材料工作極限應力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度；Sp為許用安全系數(shù)；τmax為最大工作載荷時產生的最大應力。

其中，

τo=0.5τb=785 MPa

式中，K為圓柱螺旋彈簧計算系數(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力循環(huán)狀態(tài)下。

6.3　靜強度計算

安全系數(shù)：

S=1.28

故該彈簧經強度校核，強度滿足要求。

7　調水平裝置點動行程仿真

電磁閥座內的阻尼器中間有一個小孔徑油道，可實現(xiàn)調水平液壓缸活塞的小步距控制。當工作時，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，當電磁閥關閉完成復位功能時，阻尼器與電磁閥座不密封，流量增大，加快復位速度。調水平裝置工作過程的仿真模型見圖8。

圖8　調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的對比結果；電磁閥接通時間為0.5 s，最小位移約1 mm且液壓油震蕩越小，可滿足調水平裝置精度要求。

8　調水平裝置自密封設計

調水平裝置既要滿足吊裝或者點動調水平過程嚴格的密封要求，又要滿足復位時能夠快速的自動復位，這兩項要求本身就是相反的，這對密封結構提出了很高的設計要求。在此產品中采用的浮動密封環(huán)尼龍?zhí)椎淖悦芊庠O計。浮動密封尼龍?zhí)咨显O計有螺旋溝槽，利用活塞桿上和浮動密封尼龍?zhí)咨习惭bO圈的弧面設計，當液壓缸的上腔(左腔)升壓時，尼龍?zhí)自诟邏河偷臄D壓下將O圈沿徑向擠壓，同時尼龍?zhí)椎臏喜蹆瘸錆M液壓油將O圈徑向擠壓，達到密封的目的。當調水平裝置需要復位，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圈的弧面設計將浮動環(huán)頂出，O圈不再起到密封作用，上下腔油缸聯(lián)通實現(xiàn)快速復位。見圖10。

圖9　調水平裝置仿真結果

9　結論

調水平裝置的設計解決了整體螺栓拉伸機在吊裝過程中水平度調整的問題，避免了整體螺栓拉伸機對反應堆壓力容器頂蓋砸傷的可能。該設備也可應用于其他大型設備的吊裝，對于在吊裝過程中對水平度要求較高的設備均可采取此種設計調整水平度。調水平裝置在設計中采用了尼龍密封環(huán)自密封結構設計及阻尼器截流結構，既實現(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計

卸掉壓力使密封結構失效實現(xiàn)靠自重自動復位。

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