核用小型主螺栓拉伸器液壓驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王炳炎 段春輝 穆偉 粟敏 鄧靜

（中國核動(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）

0 引言

核反應(yīng)堆在運(yùn)行時(shí)內(nèi)部處于高溫高壓的狀態(tài)，主要依靠壓力容器頂蓋上的主螺栓和主螺母提供足夠密封能力。在反應(yīng)堆換料時(shí)，需要打開頂蓋卸除乏燃料，檢修完成后再安裝頂蓋，因此，必須對(duì)主螺栓和主螺母進(jìn)行裝卸操作。由于壓力容器主螺栓預(yù)緊力非常高，一般的工具無法操作，目前常用的方法是采用主螺栓拉伸機(jī)將需要預(yù)緊的螺栓拉長(zhǎng)，使螺母能輕松的旋至支承面從而獲得足夠的預(yù)緊力，或者通過拉長(zhǎng)螺栓以消除預(yù)緊力，從而旋松螺母。使用主螺栓拉伸機(jī)可以獲得較大的預(yù)緊力，增加主螺栓預(yù)緊的可靠性，減輕操作人員的工作強(qiáng)度同時(shí)降低人員的受輻照劑量。

目前核領(lǐng)域常用的主螺栓拉伸機(jī)包括整體式和分體式兩種。在役核電站為提高工作效率，盡可能縮短停堆時(shí)間，多引進(jìn)國外技術(shù)，采用整體式螺栓拉伸機(jī)進(jìn)行反應(yīng)堆開扣蓋操作。整體拉伸技術(shù)可同時(shí)對(duì)所有主螺栓進(jìn)行裝卸操作，在保證主螺栓的受力均勻性、預(yù)緊力的分布、工作效率及可靠性上都有一定的優(yōu)勢(shì)。目前整體拉伸機(jī)的主體技術(shù)已經(jīng)完成國產(chǎn)化，自主設(shè)計(jì)或合作開發(fā)的產(chǎn)品將逐漸投入工程應(yīng)用。在受反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)限制以及有設(shè)計(jì)需要的情況下，通常使用分體式的主螺栓拉伸機(jī)，對(duì)主螺栓進(jìn)行逐個(gè)拉伸，為保證受力均勻，操作時(shí)常對(duì)稱使用拉伸機(jī)。分體式的拉伸機(jī)在國內(nèi)外核電站，各類試驗(yàn)堆中應(yīng)用也非常廣泛。

1 拉伸器功能及組成

拉伸器是主螺栓拉伸機(jī)的主要功能部件，集主螺栓拉伸、主螺母預(yù)緊或旋松等操作于一體。拉伸器主要由拉伸組件、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、主螺母操作組件、主要承載結(jié)構(gòu)以及液壓、電氣控制系統(tǒng)等組成。與普通工業(yè)領(lǐng)域使用的液壓拉伸器不同，核用主螺栓拉伸器輸出力要求更高，其結(jié)構(gòu)較為特殊，針對(duì)不同的反應(yīng)堆必須設(shè)計(jì)專用的拉伸器。反應(yīng)堆壓力容器通常由40至60組均布的主螺栓進(jìn)行密封，如目前常用的M310機(jī)組設(shè)計(jì)有58根主螺栓，緊固件之間空間十分緊湊，拉伸器安裝布置受到一定的限制，為了滿足多組拉伸或整體拉伸的要求，需在滿足拉伸功能的前提下合理的優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，因此在保持高輸出力的情況下進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)是其主要特征之一。

本文針對(duì)國內(nèi)的壓水型反應(yīng)堆壓力容器，設(shè)計(jì)了一種核用小型主螺栓拉伸器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該主螺栓拉伸器由支承組件、液壓驅(qū)動(dòng)模塊、伸長(zhǎng)測(cè)量模塊組成，三部分相互獨(dú)立，能實(shí)現(xiàn)快速組裝。底座安裝在壓力容器上，是拉伸器的主要支承部件；驅(qū)動(dòng)模塊安裝在底座上，提供液壓拉伸力；伸長(zhǎng)測(cè)量模塊安裝在液壓驅(qū)動(dòng)模塊頂端，是一個(gè)獨(dú)立的傳感器件，用于測(cè)量主螺栓拉伸后的伸長(zhǎng)變化量。該拉伸器在滿足主螺栓預(yù)緊基本功能的基礎(chǔ)上，綜合了目前主流的整體和分體式拉伸機(jī)的優(yōu)勢(shì)，將拉伸器設(shè)計(jì)為一個(gè)具有獨(dú)立功能的模塊，多個(gè)模塊采用快捷的安裝組合方式，能進(jìn)行分體拉伸、成組螺栓拉伸或整體拉伸方式的換裝，根據(jù)工程需要實(shí)現(xiàn)靈活、快速的主螺栓裝卸，以較低的成本實(shí)現(xiàn)多螺栓、甚至整體拉伸。

圖1 核用小型主螺栓拉伸器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Smaller nuclear stud tensioner structure drawing

2 液壓驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

圖2 液壓驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hydraulic driving device structure drawing

液壓驅(qū)動(dòng)裝置主要包括液壓缸和拉伸頭操作機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。拉伸頭在操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下安裝至主螺栓上，液壓缸為拉伸器提供液壓力，推動(dòng)拉伸頭實(shí)現(xiàn)主螺栓的拉伸。液壓驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)見圖2所示。拉伸頭操作機(jī)構(gòu)設(shè)置在拉伸器頂部，用于驅(qū)動(dòng)拉伸頭在主螺栓拉伸螺紋段上安裝就位，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒盤、轉(zhuǎn)盤、彈簧、拉伸頭以及相應(yīng)的軸系零件、鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。使用Siemens IFK7伺服電機(jī)為動(dòng)力源，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過與拉伸頭上的花鍵嚙合的轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)拉伸頭轉(zhuǎn)動(dòng)，在彈簧的壓緊作用下，平穩(wěn)的旋入、旋出主螺栓拉伸螺紋段。拉伸頭旋入就位通過安裝在拉伸頭底端的接近傳感器和電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)信號(hào)來確認(rèn)。

液壓驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是其專用液壓缸設(shè)計(jì)。由于核用拉伸器載荷大，通常都在500噸以上，采用超高壓力液壓油驅(qū)動(dòng)，為使輸出力滿足要求，在超高壓液體壓力能達(dá)到的范圍內(nèi)，液壓缸有效受載面積須達(dá)到一定的要求。為盡量減小油缸所占空間體積，小型核用拉伸器采用了多級(jí)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的液壓缸結(jié)構(gòu)形式，將單缸分布面積減小，縮小拉伸器布置所需空間，以滿足設(shè)計(jì)需求。液壓缸采用四級(jí)增力，利用多缸串聯(lián)增大輸出力，減少了單缸活塞的橫向截面積，使液壓驅(qū)動(dòng)裝置的體積縮小，為拉伸器的模塊化設(shè)計(jì)和密集布置提供了條件。

每一級(jí)液壓缸采用上下兩個(gè)密封圈進(jìn)行密封。由于高壓油液壓力大于100MPa，為保證密封效果，使用特殊型彈簧蓄能密封圈。該密封圈主要由聚合材料密封殼體和合金彈簧組成。工作時(shí)彈簧受壓，促使密封唇緊貼密封溝槽表面，彈簧永久性提供彈力，系統(tǒng)壓力輔助彈簧蓄能，壓力越大，密封材料貼合越緊密，適合于高壓液壓密封，同時(shí)能滿足活塞與缸體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求。每一級(jí)液壓缸均設(shè)置高壓腔和低壓腔，工作時(shí)高壓腔通入高壓液壓油，推動(dòng)各級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)，卸壓時(shí)高壓腔卸載，低壓腔通入低壓油使各級(jí)液壓缸迅速恢復(fù)原位。

2.2 串聯(lián)多級(jí)液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算

多級(jí)同步液壓缸與常用的單機(jī)伸縮式液壓缸相比，除了具有節(jié)省安裝空間的特點(diǎn)外，還具有伸縮時(shí)各級(jí)柱塞同時(shí)動(dòng)作、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低速性能好等特點(diǎn)[1]。由于小型拉伸器的多級(jí)串聯(lián)缸體活塞行程短，速度低，因此不會(huì)產(chǎn)生沖擊、側(cè)向力等非線性因素的影響，動(dòng)態(tài)性能很好。根據(jù)核用主螺栓拉伸器的拉伸行程短的特點(diǎn)，多級(jí)同步缸采用活塞和缸體錯(cuò)位串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，為每一級(jí)缸留出運(yùn)行空間，同時(shí)確保四級(jí)活塞和缸體分別可靠的串接在一起，其每一級(jí)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 多級(jí)串聯(lián)液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 Multistage cascade hydraulic cylinder main structural parameters

在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要確定的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括活塞內(nèi)徑R1，缸體外徑 R2，活塞壁厚 Tx，缸體壁厚 Yx，活塞及缸體厚度Lx等。在高壓腔內(nèi)活塞受到向上的推力F作用，缸體受到相反的作用力f，根據(jù)四級(jí)缸總推力應(yīng)大于主螺栓達(dá)到規(guī)定變形量所需最小理論推力的要求，理論計(jì)算時(shí)活塞推力應(yīng)滿足如下公式：

其中：p——液體壓力，MPa；

[F]——壓力容器水壓試驗(yàn)條件下理論最小預(yù)緊力，N。

由于活塞和缸筒是液壓缸傳遞力的主要零件，它要承受拉力、壓力彎曲力及振動(dòng)沖擊等多種作用力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此其強(qiáng)度條件必須滿足如下要求[2]：

其中t——缸筒厚度，mm；

d——活塞桿直徑，mm；

[σ]——許用應(yīng)力，MPa。

根據(jù)以上強(qiáng)度條件和輸出力要求，對(duì)4級(jí)液壓缸進(jìn)行尺寸參數(shù)初步計(jì)算，確定計(jì)算條件如下：

根據(jù)壓力容器密封條件，水壓試驗(yàn)條件下單根螺栓預(yù)緊力取值[F]為5.5X106N，為計(jì)算保守值。液壓缸制造材料采用30CrMnSiNi2A合金結(jié)構(gòu)鋼，該材料是一種超高強(qiáng)度鋼，在航空、航天、艦船、交通運(yùn)輸和國防等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[3]，材料抗拉強(qiáng)度高達(dá)1760MPa，經(jīng)熱處理屈服強(qiáng)度可達(dá)880～1100MPa；初算時(shí)，設(shè)4級(jí)缸輸出力相等，材料許用應(yīng)力按照3倍安全系數(shù)計(jì)算；從四級(jí)缸活塞和缸體的接觸狀態(tài)分析，Lx值只考慮單級(jí)缸體的受壓情況，根據(jù)初算采用初始值20mm；由主螺栓分布最小尺寸確定R1為55mm，R2為130mm。

計(jì)算得：

其中A——每一級(jí)缸初算的加載系數(shù)，缸體所受載荷從下到上依次增大，按每級(jí)增大一倍計(jì)算，最大為4，即最上層缸承受最大推力。

初算每級(jí)缸體活塞和缸筒厚度值：

3 分析及優(yōu)化

3.1 初步分析

根據(jù)多級(jí)串聯(lián)液壓缸的初步計(jì)算結(jié)果，使用大型通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行力學(xué)分析。分析模型的建立在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，對(duì)密封件、導(dǎo)向件及其他影響不大的輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由于液壓缸為各向同性材料，結(jié)構(gòu)柱狀對(duì)稱，為節(jié)省計(jì)算資源提高效率，采用其圓周上的任意截面進(jìn)行建模。網(wǎng)格劃分采用PLANE183單元，該單元是一個(gè)高階2維8節(jié)點(diǎn)單元，能夠很好的適應(yīng)不規(guī)則模型的劃分，有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)自由度[4]。對(duì)于該四級(jí)串聯(lián)液壓缸的分析，主要集中在多級(jí)缸同步頂伸時(shí)的各級(jí)接觸力和結(jié)構(gòu)件應(yīng)力上，根據(jù)液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將四級(jí)活塞和缸體分別進(jìn)行分析。在每一級(jí)活塞或缸體的接觸面上建立線性接觸單元并劃分網(wǎng)格，然后創(chuàng)建接觸對(duì)，指定目標(biāo)面，之后再添加XY方向的固定約束并在結(jié)構(gòu)受力面加載，液壓力125MPa。采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，加載后的mises應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 初步設(shè)計(jì)應(yīng)力分布圖Fig.4 preliminary design structure stress distribution

最大應(yīng)變0.264，缸體最大應(yīng)力667.7MPa，活塞最大應(yīng)力763.7MPa，均出現(xiàn)在低級(jí)液壓缸接觸面的應(yīng)力集中點(diǎn)。由分析結(jié)果可知，多缸接觸面上接觸應(yīng)力普遍較大，尤其是內(nèi)外兩側(cè)的應(yīng)力集中點(diǎn)，低級(jí)缸應(yīng)力明顯偏大，說明初算結(jié)果強(qiáng)度偏弱，應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

優(yōu)化的總體目的是減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力，減小缸體變形，主要途徑是對(duì)多級(jí)缸接觸面和應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行處理。具體優(yōu)化方法包括：首先增大一級(jí)、二級(jí)活塞壁厚T1、T2，根據(jù)計(jì)算公式相應(yīng)調(diào)整缸體壁厚 Y1、Y2；增加活塞受載面厚度Lx；在活塞和缸體液壓力加載面上增加斜度θx、δx；加載面與壁面倒圓角rx、Rx；活塞上、下接觸面應(yīng)力集中點(diǎn)改為斜面接觸，分別設(shè)置斜面傾角αx、βx，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的圓滑過渡線，使其在受力變形后產(chǎn)生良好的貼合，不至出現(xiàn)應(yīng)力高點(diǎn)；同樣在缸體上、下接觸面應(yīng)力集中點(diǎn)也分別設(shè)計(jì)傾角αy、βy。經(jīng)過對(duì)各優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的分析、調(diào)整，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)最終參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化參數(shù)表Table.1 Optimal Parameters

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的應(yīng)力及應(yīng)變圖Fig.5 Stress distribution and Deformation after Optimization

優(yōu)化后的mises應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力高點(diǎn)得到了很好的控制，活塞最大應(yīng)力442MPa，缸體最大應(yīng)力393MPa，在多級(jí)缸接觸面上的應(yīng)力均小于250MPa，一級(jí)、二級(jí)缸的受載部位強(qiáng)度提高，計(jì)算模型的整體強(qiáng)度得到了加強(qiáng)，滿足了許用應(yīng)力的要求。

針對(duì)缸體變形的問題，經(jīng)過分析認(rèn)為主要是由于將活塞與缸體分開進(jìn)行分析時(shí)未考慮缸體對(duì)活塞加載部分的接觸約束形成的。因此，在分別對(duì)多級(jí)缸體和活塞進(jìn)行分析后，將其組合在一起，特別針對(duì)缸體和活塞之間的接觸影響進(jìn)行了加載分析，分別定義了活塞與缸體的動(dòng)密封面的多處接觸對(duì)，并設(shè)置劃分了接觸單元節(jié)點(diǎn)，按照125MPa壓力加載后應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，最大應(yīng)變降低為0.07，說明該多級(jí)缸的串聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)活塞和缸體的變形起到了一定的約束作用，整體變形較小滿足液壓拉伸器的使用需求。

4 結(jié)論

本文對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器主螺栓專用拉伸器液壓驅(qū)動(dòng)裝置的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，經(jīng)理論計(jì)算初步確定了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過有限元法對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件多級(jí)液壓缸體進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)整，給出了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其強(qiáng)度得到了加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更為合理，滿足了核用拉伸器的使用要求。核用主螺栓拉伸器液壓驅(qū)動(dòng)裝置的研制是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，還須在制造工藝上進(jìn)行優(yōu)化，并通過試驗(yàn)改進(jìn)提升其綜合性能。本文通過設(shè)計(jì)計(jì)算、分析優(yōu)化為該型液壓驅(qū)動(dòng)裝置的進(jìn)一步工藝及試驗(yàn)改進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)，在核用主螺栓拉伸器的小型化、降低成本以及增加可靠性等方面具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］廖柯，邱敏秀，楊華勇，鄭建軍.多級(jí)同步伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)和研究[J].液壓與氣動(dòng)，1994，2：9-11.

［2］臧克江,編.液壓缸[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：58-60.

［3］薛智，張治民，于建民，吳耀金.30CrMn SiNi2A鋼的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2009，1：10-13.

［4］溫正，張文電，等.ANSYS有限元分析權(quán)威指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：71-75.