核级阀门电动执行机构抗震分析与试验.pdf

经验交 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 2 ． 0 7 ． 0 5 4 核级阀门电动执行机构抗震分析与试验 翟欢乐，余于仿，张为，韩松 扬州 电力设备修造 厂， 江 苏扬州 2 2 5 0 0 3 摘要S D Z H 2 1 0 型核级阀门电动执行机构要求在安全停堆地震 S S E 载荷下仍能执行规定的功能。对S D Z H 2 1 0 型核级阀门 电动执行机构进行抗震试验；通过模态分析确定抗震分析方法 ； 采用与试验相同的地震载荷进行抗震分析；比较分析结果与试 验结果，验证了分析方法的正确性 。该抗震分析方法将用于改善核级产品抗震性能或用于核级产品鉴定。 关键词核级阀门电动执行机构； 抗震分析；抗震试验 ； 安全停堆地震 S S E 中图分类号 T H1 3 2 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 2 0 70 1 7 1 0 4 S e i s mi c An a l y s i s a n d S e i s mi c Te s t f o r Nu c l e a r -Gr a d e El e c t r i c Ac t u a t o r Z HAI HH a ft l e ，YU Yu f a n g ，Z HANG We i ，HAN S o n g Ya n g z h o u E l e c t r i c P o w e r E q u i p m e n t Ma n u f a c t u r e F a c t o r y ，Ya n g z h o u 2 2 5 0 O 3 ，C h i n a Ab s t r a c t S DZ H2 - 1 0 n u c l e a r g r a d e e l e c t r i c a c t u a t o r s h a l l p e r f o r m i t s r e q u i r e d s a f e t y f u n c t i o n s w h i l e e x p o s e d t o s a f e s h u t d o w n e a r t h q u a k e S S E ． S u b j e c t S D Z H2 - 1 0 n u c l e a r - g r a d e e l e c t r i c a c t u a t o r t o s e i s mi c t e s t ， c h o o s e s e i s m i c a n a l y s i s m e t h o d b y mo d a l a n a l y s i s ， d o s e i s mi c a naly s i s wi t h t h e s a me l o a d s u s e d i n t e s t ．c o mp a r e t h e a na l y s i s r e s u l t wi t h t h e t e s t r e s u l t t o p r o v e t h e v a l i d i t y o f t he a n a l y s i s me t h o d． Th e s e i s mi c a n aly s i s me t h o d wi l l b e u s e d t o i mp r o v e t h e a s e i s ma t i c a b i l i t y o r u s e d f o r q u ali fic a t i o n o f n u c l e a r - g r a d e pr o d u c t s ． Ke y wo r d s n u c l e a r -g r a d e e l e c t r i c a c t u a t o r ； s e i s mi c a n a l y s i s ； s e i s mi c t e s t ； S S E 0引言 阀门是控 制流 动介 质 如水 、蒸 汽 、油及 气的设备，其功能是接通或隔断介质；控制介 质流量／ 压力或方向，以保护管道 、设备或系统。 核电站 因为存在着放射性辐照风险 ，为 了有效地 控制放射性辐射对运行和检修人员的伤害，提高 运 营机组的 自动化水平 ，在设计上选用 了大量能 远程控制的电动 阀门，通过主控室的按钮开关控 制这些 阀门开与关 ，满足系统运行的需要。 核安全级阀 门电动执行机构用于控制核电站 的安全相关电动 阀门，以确保系统安全运行 ，是 核电站中重要的安全设备之一。核安全级电动执 行机构样机研制成功后 ，必须按相关核 电标准进 行鉴定试验 ，全部鉴定试验项 目通过后 ，方可投 入核 电站运行 ，抗震试验则是其中一项重要鉴定 试验项 目。在产品设计阶段 ，对所设计 的电动执 行机构按抗震试验的要求进行抗震模拟分析是非常 有必要的，既可提高产品抗震试验的成功率，有效 降低开发成本 ，又可用于对系列产品中未进行抗震 试验的规格型号进行分析鉴定。为此本文通过 S D Z H核级阀门电动执行机构 的抗震试验和抗震分析 结果的比较 ，来对抗震分析方法进行验证。 1 执行机构的构成与主参数 S D Z H2 1 0核级 阀门电动执行机构用 于核电 站开启和关闭小口径电动截止阀、闸阀等。安装 在核反应堆安全壳内或壳外 ，在安全停堆地震 S S E 载荷下仍 能执行规定 的功能 。S D Z H2 1 0 型核级阀门电动执行机构 由上壳体 、下壳体 、连 接盘 、电机 、手动部件 、电气元件及主减速传动 机构等零部件构成 见图 1 ，主减速传动机构由 一 对正齿轮及 N N型少齿差行星齿轮组成。主要技 术参数如下 1 型号 S D Z H 2 1 0 ； 重量 ≯2 0 k g ； 安全类别 K 2 ； 防护等级 I P 6 7 ； 额定 转矩 51 5 N i n 、1 03 0 N m、2 0 5 0N m 收稿 日 期2 0 1 2 0 1 0 5 [二] ] ● 验和 S S E地震模拟试验 。S S E 地震模拟试验最为严 酷 ，为此次抗震分析 比较的对象。 在三个正交方向对样机施加正弦拍波进行S S E 地震试验 ，每个频率施加 5 个 以上连续正弦拍波 ， 每个拍波的每个拍 中含有 1 2 ～1 5 个周波 ，每个拍 波之间有 2 s 间隙，拍波 的数量 由每个频率处的拍 波试验时间不小于 1 5 s 来决定。因三个方 向的试验 结果差异不大 ，本文仅对 x向试验结果进行整理 ， 并与后面的x向地震模拟分析结果进行比较。 对抗震试验的输人载荷数据及应变片的输 出 应力数据进行整理 ，得到 图 5 ，其 中台面加速度 在 8 H z 以上频率 时均大于 6 g ，l 应变片在 2 0 Hz 频 率下输出最大应力6 ． 6 3 M P a ，2 应变片在8 H z 频率 下输出最大应力 6 ． 9 5 MP a 。 ／ ’ 蛳 ／ ／厂 二 、 一一 二 2 3 2 4 5 6 3 8 l 0 l 2 6 l 6 2 0 2 5 2 0砷 鞭 宰， H z 图5 样机抗震试验曲线 3 抗震分析 1 模型简化 S D Z H 2 1 0模型 主要 由上壳体 、下壳体 、连 接盘 、电机 、电气元 件 和传 动部 件等几 部分 组 成，抗震分析主要用于考察壳体的结构强度，因 此只保留上壳体、下壳体 、连接盘及相应连接螺 栓作为分析要素 ，对于其它组成部分仅考虑其质 量 ，忽略其刚度 。 2 材料特性 上壳体 、下壳体 、连接盘 的材料均为球 墨铸 铁 Q T 4 5 0 1 0 ，根 据 文 献 ，E 1 ．5 1 0 “ P a ， 0 ． 3，p7 7 0 0 k g ／ m 。 3 定义约束 对模型 中忽略刚度的组成部分 ，在其质心处 建立质量点 ，对质量点与壳体 的轴承面节点定义 约束方程 ，使其刚性连接，这样就使质量点上的 质量载荷传递到壳体上 。此操作简化 了分析模 型 ，且使壳体分析结果比较精确。 因上壳体与下壳体之间没有扭矩载荷 ，下壳 体与连接盘之间虽有扭矩载荷 ，但仅为 3 0 N m， 考虑到螺栓预紧力 ，此扭矩载荷可忽略不计 。因 此可认为上壳体与下壳体之间、下壳体与连接盘 之 间不会 产生滑 移 ，在其 接触 面上定 义多点耦 合，仅保留z 向自由度，并采用标准接触方式定 义壳体接触面 ，防止发生穿透现象。 上壳体与下壳体 的连接螺栓主要承受拉力的 作用 ，将螺栓头部与上壳体接触面采用绑定接触 方式进行定义，将螺栓的螺纹与下壳体接触面采 用重合位置节点耦合的方式进行定义，约束所有 自由度，这样定义可能会使螺栓的接触节点及壳 体的接触节点出现应力集中现象，是一种保守的 定义方式 。对下壳体与连接盘之间的连接螺栓进 行相同的定义 。 最后在连接盘螺纹孔处定义位移约束。 4 模态分析 对模型进行模态分析 ，确定固有频率 ，如果 固有频率低于要求反应谱最高频率，则设备为柔 性设备 ，可使用动态分析法进行分析 ；反之则为 刚性设备，可使用静态分析法进行分析。 S D Z H 2 1 0 模型 由 3 7 4 5 6 5 个 四面体单元 、 8 3 6 1 9 个节点 、1 个集 中质量单元 、2 对接触 面 、 2 对多点约束面、4 个约束孔组成。对模型进行模 态 分 析 ，前 5阶 固 有 频 率 为 2 2 5 Hz 、 3 0 4 H z 、 7 2 8 Hz 、8 2 3 Hz 、8 9 1 H z 最 低 固有频 率 远 远 大 于 3 3 H z ，可以采用静态分析法进行抗震计算 。 5 抗震计算 静态分析法就是用简单的方法加上一定的保 守 因子进行分析 。由经验确定 1 ．5 的静态系数，以 考虑多频激励和多振型响应对线性框架型构筑物 的影响 。抗震试验的最高台面加速度为6 g ，因 此 ，在坐标 系原 点上施加 的地震 载荷为 6 g 1 ． 5 9 g ，同时考虑重力加速度 1 g 。 模型的输 出转矩为 3 0 N m，转换后得到下壳 体承受的反作用力为 3 7 5 N，作用在下壳体蜗杆孔 台面上 。 在x方向对模型施加地震载荷进行计算 ，结 果见图6 ，最大应力为 1 1 1 MP a 。 交流 一一 ．2 2 2 E 0 8 0 ■．5 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 8 口． 2 0 0 E 0 8 口．4 0 0 E 8 c] 6 0 0 E 0 6 ■一l l l E 0 9 图6 模型X向应力分布图 4 结果比较 比较抗震分析数据与抗震试验数据 ，可 以得 到以下三条结论 1 有 限 元 分 析 得 到 的 最 低 固有 频 率 为 2 2 5 H z ，与试验得到的最低固有频率基本一致； 2 样机贴应变片位置处的最大试验应力分 别为 6 ． 9 5 M P a 和6 ． 6 3 MP a ，从 图6 所示的应力分 布 来看 ，此两处位置的分析应力在 5 MP a ～1 0 MP a 之 间，基本一致 ； 3 根据分析结果可知 ，上下壳体受力较 小 ，最大应力处于连接盘底部 ，而此处在抗震试 验时没有进行监测。 由上述 比较结论可知 ，抗震分析能够如实地 反映产品在抗震试验时应力分布情况 。因此在进 行核级执行机构产 品开发时 ，可按照文中所述分 析方法 ，在产品设计阶段或抗震试验之前对产 品 进行抗震分析 ，以了解产 品结构上 的薄弱环节 ， 进 而采取改进措施 ，提高核级执行机构 的结构设 计水平 ，同时也为顺利通过抗震试验提供可靠的 参考依据。 参考文献 [ 1 ]余 于仿． 小转矩 多回转核 级 阀门电动装置的研制 [ J ]． 阀门，2 0 0 9 4 3 5 3 6 ． [ 2 ]S D Z H 2～1 O型阀门电动执行机构抗震鉴定试验报告 [ z ]．中国核动力研究设计院二所，2 0 0 7 ． [ 3 ]I E E E S t d 3 8 2 ．I E E E S t a n d a r d f o r Q u a l i f i c a t i o n o f S a f e t y R e l a t e d Ac t u a t o r s f o r Nu c l e a r P o we r Ge n e r a t i n g S t a - t i o n s [ S ]． N u c l e a r P o w e r E n g i n e e r i n g C o m mi t t e e ， 20 07． [ 4 ]徐灏． 机械设计手册第四卷 [ M]． 北京机械工业 出版 社 。2 0 0 4 ． [ 5 ]I E E E S t d 3 4 4 ．I E E E R e c o mm e n d e d P r a c t i c e for S e i s mi c Q u a l i f i c a t i o n o f C l a s s 1 E E q u i p me n t for N u c l e a r P o w e r G e n e r a t i n g S t a t i o n s l S j．N u c l e a r P o w e r E n g i n e e r i n g C o mmi t t e e ． 2 0 0 5 ． 第一作者简介翟欢乐，男，1 9 8 5 年生，江苏徐州人，硕 士。研究领域阀门驱动装置的设计与分析。 编辑 王智圣 上 接 第 1 1 4页 增程器主要开发方案 1 与国外相关供应商联合开发专用的两缸 四冲程阿特金森循环发动机及其控制、标定技术； 2 与国内外优秀电机供应商联合开发专用 于增程器的永磁同步发电机及其控制系统； 3 自主开发增程器优化控制策略及集成技 术 ； 4 自主进行增程器 的可靠性试验及标定技 术 。 4 总结 2 0 1 2 年 3 月 ，电动汽 车科 技发展 “ 十二五” 专项规划出台，从技术路线上，电动汽车其中一 类为全部或大部分工况下主要 由电机驱动提供驱 动功率的的电动汽车 ，主要包括纯电动汽车 、插 电式混合动力汽车及增程式纯 电动汽车 ，增程式 电动汽车作为纯电动及混合动力的结合体，即具 有纯 电驱动的功能又兼顾在线充 电的功能 ，能够 实现电动汽车产业 的合理过渡。作为增程式纯 电 动汽车技术的核心部件增程器的开发将将直接决 定该技术产业的发展前景 ，开发新型的适用于市 场使 用需求 的增程 器技术将 势在 必行 。性 能优 越 、使用广泛 、功能多样的增程式纯电动汽车技 术必将在我国电动汽车产业 占有一席之地。 参考文献 [ 1 ]吴韶建，陶元芳． 增程式电动汽车的概念与设计方案 [ J ]．机械工业与自动化，2 0 1 0 5 2 0 9 2 1 3 ． [ 2 ]宋珂 ，章桐． 增 程式纯 电驱动 汽车动力 系统研 究 [ J ]． 汽车技 术 ，2 0 1 1 7 1 4 1 9 ． 作者简介张雄，男，1 9 8 3 年生，贵州人 ，大学本科 ， 助理工程师。研究领域新能源汽车动力系统集成技术。 编辑 向飞 区