一種能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)心功能的核電站環(huán)行起重機(jī)吊具

江蘇核電有限公司 連云港 222000

0 引言

核電站VVER機(jī)組反應(yīng)堆堆芯直徑為3 600 mm，堆內(nèi)部件如上部組件、保護(hù)管組件和堆芯吊籃等與堆芯豎井安裝間隙單側(cè)為1 mm左右，對(duì)裝配工藝要求極高?！禫VER機(jī)組環(huán)行起重機(jī)技術(shù)規(guī)格書》7.2.3.13條規(guī)定：環(huán)行起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱環(huán)吊）主起升機(jī)構(gòu)吊運(yùn)的反應(yīng)堆設(shè)備在任何高度和主鉤最大旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，起吊直徑為3 600 mm的堆內(nèi)部件同一平面高、低點(diǎn)差值不應(yīng)大于1 mm。其作用為滿足反應(yīng)堆部件吊裝需求。由于此項(xiàng)要求極高，環(huán)吊制造廠很難滿足此項(xiàng)要求。某VVER機(jī)組國(guó)產(chǎn)化環(huán)吊吊運(yùn)保護(hù)管組件時(shí)，因環(huán)吊主鉤調(diào)平能力差，吊運(yùn)保護(hù)管組件水平偏差過(guò)大，保護(hù)管組件在導(dǎo)向槽內(nèi)卡住。回裝保護(hù)管組件時(shí)因環(huán)吊主鉤調(diào)平能力差而無(wú)法精準(zhǔn)對(duì)中，且回裝過(guò)程中同樣會(huì)在導(dǎo)向槽內(nèi)卡住。反應(yīng)堆內(nèi)部件無(wú)法拆卸，直接導(dǎo)致運(yùn)行機(jī)組無(wú)法更換核燃料和機(jī)組無(wú)法長(zhǎng)久運(yùn)行。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)心功能的核電站環(huán)吊吊具，并經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，高效地解決了這一難題。

1 環(huán)吊主鉤調(diào)平差原因

核電站VVER機(jī)組環(huán)吊目前開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，核電站環(huán)吊起升機(jī)構(gòu)在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和安全規(guī)程的基礎(chǔ)上，起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩還需滿足下列特殊要求：采用兩根鋼絲繩交叉纏繞系統(tǒng)，當(dāng)兩根鋼絲繩中任意的一根斷裂后，由另一根鋼絲繩承受全部載荷，且載荷轉(zhuǎn)移沒(méi)有過(guò)分的沖擊，吊具仍然維持在平衡狀態(tài)。核電站環(huán)吊為確保極高的安全性能，均采用高抗拉強(qiáng)度的鋼絲繩（如2 160 MPa）。由于鋼絲繩較高的抗拉強(qiáng)度，鋼絲繩韁性較大。起吊反應(yīng)堆芯部件時(shí)，鋼絲繩受力處于無(wú)規(guī)律的拉升狀態(tài)，因鋼絲繩為交叉纏繞模式從而導(dǎo)致吊運(yùn)的重物無(wú)法滿足吊運(yùn)VVER機(jī)組反應(yīng)堆堆內(nèi)部件在任何位置其直徑3 600 mm的平面水平高低差值不能超過(guò)1 mm的極高要求。

2 VVER機(jī)組環(huán)吊主鉤介紹

VVER機(jī)組環(huán)吊主鉤較其它機(jī)組環(huán)吊主鉤最大的不同點(diǎn)為：具備主鉤自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和主鉤自動(dòng)穿軸機(jī)構(gòu)。為了保證環(huán)吊主鉤能夠旋轉(zhuǎn)±360°，設(shè)有電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由三合一結(jié)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器組合）、小齒輪、大齒輪組成。小齒輪與三合一輸出軸之間通過(guò)極限力矩聯(lián)軸器連接，大齒輪安裝在吊叉上，通過(guò)大齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)吊叉的旋轉(zhuǎn)。為了顯示旋轉(zhuǎn)角度，在小齒輪的末端設(shè)置了編碼器。在大齒輪底部設(shè)有限位開(kāi)關(guān)以防止吊具旋轉(zhuǎn)角度大于±360°而損壞電纜。為了實(shí)現(xiàn)吊叉與專用吊具的連接，設(shè)有電動(dòng)穿軸機(jī)構(gòu)。穿軸機(jī)構(gòu)由三合一結(jié)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器組合）、鏈輪、鏈條、絲桿和銷軸組成。銷軸端部安裝有與絲桿配套的螺母，穿軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鏈條和鏈輪帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿與帶螺紋的銷軸一同旋轉(zhuǎn)，因銷軸上設(shè)置了擋塊，阻止銷軸旋轉(zhuǎn)，從而帶螺紋的銷軸將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)銷軸的進(jìn)、退功能。VVER機(jī)組環(huán)吊主鉤設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

3 環(huán)吊吊具設(shè)計(jì)

核電站環(huán)吊安裝在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)，由于核輻射的特殊性和機(jī)組商業(yè)運(yùn)行盈利目的，一旦機(jī)組安裝核燃料后就無(wú)法對(duì)環(huán)吊進(jìn)行耗時(shí)較長(zhǎng)的技改工作，故必須采用便捷的方式解決環(huán)吊主鉤調(diào)平差問(wèn)題。由于環(huán)吊機(jī)械結(jié)構(gòu)已制造成型，無(wú)法在主起升機(jī)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，故可設(shè)計(jì)一種非能動(dòng)吊具，即采用具備優(yōu)良自動(dòng)調(diào)心功能的部件，依據(jù)重物自身重力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。

3.1 環(huán)吊十字軸吊具

所有具備優(yōu)良自動(dòng)調(diào)心功能的部件中，如關(guān)節(jié)軸承和調(diào)心滾子軸承等，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈和外圈之間為滑動(dòng)摩擦，因摩擦系數(shù)較大無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)心功能。因此，需采用滾動(dòng)摩擦形式的調(diào)心部件，以便減小摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)心功能。借鑒汽車萬(wàn)向傳動(dòng)節(jié)原理，采用在十字軸四端各安裝一個(gè)高精度的調(diào)心滾子軸承，從而設(shè)計(jì)了環(huán)吊十字軸吊具。額定載荷為200 t的環(huán)吊十字軸吊具設(shè)計(jì)總圖見(jiàn)圖2。

3.2 選型配置

額定載荷為200 t的環(huán)吊十字軸吊具吊板和連接板采用常規(guī)板材Q345C，十字軸和穿銷軸采用鍛件，材料為42CrMo，熱處理調(diào)質(zhì)。4個(gè)軸承采用SKF品牌的調(diào)心滾子軸承。

3.3 調(diào)心能力計(jì)算

根據(jù)SKF軸承樣本（2017），計(jì)算調(diào)心滾子軸承摩擦阻力矩為

式中：u為軸承滑動(dòng)摩擦系數(shù),取值為0.001；Q為載荷；dk為軸承內(nèi)徑，計(jì)算取160 mm。

由圖3可得：

式中：X為摩擦阻力矩與載荷力矩平衡狀態(tài)下吊物重心與吊具理想鉛垂線水平距離，計(jì)算有

即單憑吊裝的重物自重，吊重?zé)o法恢復(fù)到X=0的位置（理想鉛垂位置）。無(wú)論載荷Q為多少，只要軸承摩擦系數(shù)、軸承外徑確定，吊重在恢復(fù)豎直過(guò)程中，始終會(huì)在X=0.08 mm這一位置下停止。此時(shí)對(duì)應(yīng)的角度α，可稱為死區(qū)角,見(jiàn)圖3。

通過(guò)取不同A值（A為重物中心至吊物回轉(zhuǎn)中心的距離），計(jì)算出死區(qū)角α，統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 關(guān)節(jié)軸承死區(qū)角A值對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于吊裝直徑3 600 mm的反應(yīng)堆部件，其水平高低差不超過(guò)1 mm的要求，換算成角度偏差為

從A值取4 m時(shí)，死區(qū)角為0.001 14°，遠(yuǎn)小于0.016°。通過(guò)理論計(jì)算，環(huán)吊十字軸吊具能滿足吊裝直徑為3 600 mm的反應(yīng)堆堆內(nèi)部件，在任何位置其水平高低差值不大于1 mm要求。

4 強(qiáng)度計(jì)算

4.1 十字軸強(qiáng)度

采用仿真軟件計(jì)算出承受額定載荷時(shí)十字軸各位置的載荷應(yīng)力大小，如圖4所示。十字軸為鍛件，材料為42CrMo，熱調(diào)質(zhì)處理后許用應(yīng)力不小于510 MPa。十字軸圓弧過(guò)渡位置載荷應(yīng)力最大，約為295 MPa，但遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力的下限值510 MPa，故十字軸強(qiáng)度滿足要求。

4.2 連接板強(qiáng)度

連接板零件圖如圖5所示，材料為Q345C，其各項(xiàng)參數(shù)為

按照環(huán)吊技術(shù)規(guī)格書規(guī)定安全系數(shù)ne取1.48。

4.3 上側(cè)板的計(jì)算

上側(cè)板在圖2所示A-A截面的應(yīng)力計(jì)算為

軸孔的平均擠壓應(yīng)力為

下側(cè)板的剪切力為

上側(cè)板零件圖如圖6所示。

4.4 下側(cè)板的計(jì)算

下側(cè)板在圖2所示A-A截面的應(yīng)力計(jì)算為

軸孔的平均擠壓應(yīng)力為

下側(cè)板的剪切力為

下側(cè)板零件圖如圖7所示。

5 實(shí)際使用情況

吊運(yùn)反應(yīng)堆保護(hù)管組件時(shí)，環(huán)吊主鉤銷軸連接十字軸吊具上吊裝孔，十字軸吊具下端穿銷機(jī)構(gòu)連接保護(hù)管組件吊具。環(huán)吊主鉤吊起保護(hù)管組件吊具，并測(cè)量保護(hù)管組件吊具下端工藝面水平高低差值，通過(guò)添加配種塊的方式將保護(hù)管組件吊具水平高低差值調(diào)整至1 mm以內(nèi)。保護(hù)管組件吊具連接保護(hù)管組件，環(huán)吊主鉤整體緩慢吊起保護(hù)管組件，隨著環(huán)吊主鉤旋轉(zhuǎn)或大車、小車行走，經(jīng)測(cè)量保護(hù)管組件下端工藝面水平高低差值始終保持在1 mm之內(nèi)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證采用環(huán)吊十字軸吊具吊運(yùn)反應(yīng)堆保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)和堆芯吊籃等部件時(shí)，均滿足使用需求。采用環(huán)吊十字軸吊具吊裝反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件使用情況見(jiàn)表2。其中水平差值測(cè)量方法為：采用高精度水平尺（精度0.01 mm）,分別測(cè)量物體四個(gè)對(duì)角位置標(biāo)高值，求出最大差值。

表2 環(huán)吊十字軸吊具使用數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

環(huán)吊十字軸吊具引入十字萬(wàn)向節(jié)作為高精度自動(dòng)調(diào)心部件，能夠滿足對(duì)吊裝重物水平度要求極高的工藝需求。能有效解決起重機(jī)鋼絲繩韁性過(guò)大或其它因素引起的吊裝物項(xiàng)水平差問(wèn)題。不僅限于核電站，環(huán)吊十字軸吊具同樣適用于其他對(duì)吊裝物項(xiàng)水平度要求極高的吊裝工藝，如航天、航空領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、基建等領(lǐng)域，可為大型吊裝機(jī)械的工程提供借鑒。