核電設(shè)備鑒定用地震臺最大性能優(yōu)化

葛 磊， 李志永， 盧 星

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；2. SERVOTEST測試系統(tǒng)有限公司， 北京 101102)

根據(jù)三代核電設(shè)備的抗震鑒定要求[1-3]，須要建設(shè)最大性能為6 t負(fù)載條件時，最大加速度達(dá)到68.67 m/s2的地震臺[4]。某地震臺按照上述參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和建造，該地震臺在調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)原先的設(shè)計無法滿足最大性能的要求。筆者通過測量該地震臺作動器共振頻率，運(yùn)用有限元軟件和理論公式進(jìn)行計算，分析地震臺無法達(dá)到最大性能的原因，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對作動器球鉸及過渡板進(jìn)行改進(jìn)，再對改進(jìn)后的地震臺作動器的共振頻率進(jìn)行測量以及對最大性能進(jìn)行測試，最終該地震臺的最大性能能夠滿足6 t負(fù)載條件下68.67 m/s2的要求。

1 問題描述

該地震臺為三軸六自由度液壓臺，3個軸向的預(yù)期最大性能均為6 t負(fù)載條件時，最大加速度達(dá)到68.67 m/s2。水平方向采用4個作動器呈45°布置，每個作動器的最大動態(tài)推力為260 kN，地震臺的布置見圖1(X、Y向?yàn)樗较颍琙向?yàn)榇怪毕?。

圖1 地震臺布置圖

在最大性能試驗(yàn)調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)在6 t負(fù)載條件時，最大加速度無法達(dá)到68.67 m/s2的要求，測量數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 最大性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖2可知：頻率小于32 Hz時，部分頻率點(diǎn)的加速度無法達(dá)到68.67 m/s2；頻率大于32 Hz時，X、Y向加速度有明顯衰減，Z向加速度衰減較慢。

2 原因分析

2.1 有限元分析

根據(jù)單個球鉸及臺面的尺寸，建立有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，得到一階模態(tài)時，頻率為58.45 Hz，振型為水平向擺動，結(jié)果見圖3，AMPRES為虛位移。

圖3 一階模態(tài)振型圖

由圖3可知：與作動器連接的2個球鉸(圖中A、B處)及作動器與球鉸的過渡板(圖中A處)變形明顯，作動器的本體部分(缸體及伺服閥)的變形較小，因此作動器的共振主要由2個球鉸以及過渡板剛度不足造成的。

球鉸及過渡板的結(jié)構(gòu)見圖4。作動器與球鉸的過渡板采用8個M12螺栓連接，球鉸擺耳總長為22 cm、厚度為20 mm。

圖4 球鉸結(jié)構(gòu)

2.2 現(xiàn)場測量

根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，以確定作動器的共振頻率及放大系數(shù)。

測試對象為水平向及垂直向作動器各一個，測試方法為1～100 Hz的正弦掃頻，臺面幅值為0.2g(g為重力加速度)，掃頻速率為2 oct/min。得到水平向及垂直向作動器的一階頻率分別為59.5 Hz和67.2 Hz，在此共振頻率點(diǎn)作動器不同位置的放大系數(shù)(共振頻率點(diǎn)響應(yīng)加速度與0.2g的比)見圖5和圖6。

圖5 水平向作動器放大系數(shù)

圖6 垂直向作動器放大系數(shù)

由圖5和圖6可知：

(1) 由于水平向作動器的共振頻率為59.5 Hz，共振頻率帶為30～75 Hz，同時頻率大于32 Hz時，水平向加速度有明顯衰減，而垂直向作動器的共振頻率為67.2 Hz，高于工作頻率(64 Hz)，垂直向加速度衰減較小，因此共振是無法達(dá)到最大性能的直接原因。

(2) 作動器缸體段放大系數(shù)基本呈線性，且與作動器連接的2個球鉸及過渡板放大系數(shù)相比，其斜率明顯較小，因此可知作動器缸體剛度較高，球鉸及過渡板的剛度較低。

(3) 由于球鉸及過渡板的剛度較低，引起作動器共振時作動器缸體的放大系數(shù)較大，從而作動器在共振時須要提供更大的出力，即地震臺的一部分性能用于抵消共振所產(chǎn)生的力，導(dǎo)致在共振頻率帶內(nèi)無法達(dá)到要求的最大性能，因此球鉸及過渡板剛度低是無法達(dá)到最大性能的根本原因。根據(jù)圖4可知：造成球鉸剛度低的原因是球鉸擺耳過長、厚度偏??；造成過渡板剛度較低的原因是2塊過渡板之間的連接螺栓數(shù)量小、尺寸小，提供的連接力不足。

3 改進(jìn)方案及效果

3.1 改進(jìn)方案

對球鉸及過渡板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的剛度，主要是將球鉸擺耳加厚、變短，同時將球鉸與作動器之間的2塊過渡板換成1塊整體的過渡板。改進(jìn)后的球鉸結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 改進(jìn)后球鉸結(jié)構(gòu)

3.2 有限元分析

對改進(jìn)后的模型重新進(jìn)行模態(tài)分析，得到一階模態(tài)分析時，頻率為70.178 Hz，振型為垂直向擺動，結(jié)果見圖8。

圖8 改進(jìn)后一階模態(tài)振型圖

對比改進(jìn)前的模態(tài)結(jié)果可知，一階頻率有明顯增加，且振型由水平向擺動變?yōu)榇怪毕驍[動，球鉸及過渡板處的變形明顯減小。

3.3 現(xiàn)場測試

3.3.1 測試結(jié)果

用與2.2節(jié)相同的測試方法，得到水平向及垂直向作動器的一階頻率分別為70 Hz和71.3 Hz，在此頻率點(diǎn)作動器不同位置的放大系數(shù)結(jié)果(改進(jìn)前后對比)見圖9和圖10。

圖9 改進(jìn)前后水平向作動器放大系數(shù)

圖10 改進(jìn)前后垂直向作動器放大系數(shù)

根據(jù)圖9和圖10可知：球鉸改進(jìn)后，水平向作動器的共振頻率有明顯提高，垂直向作動器共振頻率有一定的提高，同時作動器在共振點(diǎn)的放大系數(shù)均有明顯下降。

3.3.2 最大性能測試結(jié)果

對更換球鉸后的地震臺進(jìn)行最大性能測試，結(jié)果見圖11。

圖11 改進(jìn)后最大性能數(shù)據(jù)

根據(jù)圖11可知：更換球鉸后的地震臺X、Y、Z向加速度均大于68.67 m/s2，能夠滿足要求。

4 結(jié)語

(1) 更換球鉸前，地震臺最大性能無法滿足設(shè)計要求，水平向和垂直向作動器的共振頻率分別為59.5 Hz和67.2 Hz，共振時的最大放大系數(shù)分別為4.35和6.4，球鉸及過渡板剛度低是地震臺無法達(dá)到最大性能的根本原因。

(2) 改進(jìn)球鉸后，水平向和垂直向作動器的共振頻率分別為70 Hz和71.3 Hz，共振時的最大放大系數(shù)分別為3.25和3.66。改進(jìn)后的水平向作動器和垂直向作動器共振頻率均有所升高，共振時的最大放大系數(shù)有明顯下降，且地震臺最大性能能夠滿足6 t負(fù)載條件下68.67 m/s2的要求。

綜上，通過對作動器球鉸及過渡板的改進(jìn)，使得作動器的共振頻率提高，放大系數(shù)降低，地震臺的最大性能達(dá)到設(shè)計要求。