(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江　哈爾濱　150040)

非能動(dòng)三代核電壓水堆主泵電機(jī)種類(lèi)為核主泵屏蔽電機(jī)[1]，水潤(rùn)滑推力軸承運(yùn)行時(shí)的可靠性受到了各方面關(guān)注[2-4]。屏蔽電機(jī)一般采用水潤(rùn)滑推力軸承，推力軸承軸瓦一般采用石墨或碳碳復(fù)合材料，軸瓦瓦面材料耐沖擊能力有限。在屏蔽電機(jī)總裝時(shí)，先放入一個(gè)推力軸承裝配，而后插入轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子裝配中帶有推力盤(pán)(有時(shí)也含飛輪)?？傃b配時(shí)將轉(zhuǎn)子吊裝插入定子，在插入的過(guò)程中，推力盤(pán)不斷接近推力瓦；隨著插入深度不斷增加，定子法蘭外側(cè)已經(jīng)無(wú)法直接觀察推力盤(pán)與推力瓦的距離。裝配用吊車(chē)每次點(diǎn)動(dòng)下降距離為1～5mm，裝配時(shí)憑借經(jīng)驗(yàn)判斷，在恰當(dāng)位置處直接下落轉(zhuǎn)子推力盤(pán)至推力瓦接觸面。在下落接近結(jié)束的過(guò)程中，存在推力盤(pán)與推力瓦碰撞工況。在碰撞的瞬態(tài)，推力瓦將承受一定的沖擊載荷[5]，推力瓦材料的耐沖擊性能往往不高，這就需要研究裝配過(guò)程碰撞允許最大高度。

1　碰撞沖擊問(wèn)題

裝配過(guò)程中，推力盤(pán)與推力瓦碰撞屬于一種沖擊問(wèn)題，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子沖擊物接觸后在瞬態(tài)速度快速變?yōu)榱銜r(shí)，被沖擊的推力瓦在此瞬間承受很大的沖擊應(yīng)力和應(yīng)變，這種碰撞沖擊屬于沖擊載荷。屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子存在兩種結(jié)構(gòu)，一種為推力盤(pán)熱套在軸上，如圖1所示；另外一種為飛輪和推力盤(pán)一起熱套在軸上如圖2所示。

圖1　推力盤(pán)與推力瓦接觸Fig.1　The contact between the reasoning disc and the thrust pad

圖2　推力盤(pán)(含飛輪)與推力瓦接觸Fig.2　Thrust disc (containing flywheel) contact with thrust pad

圖3　沖擊載荷數(shù)學(xué)模型Fig.3　Mathematical model of impact load

2　沖擊載荷模型

圖1與圖2的物理模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為碰撞數(shù)學(xué)模型，如圖3所示，研究推力盤(pán)與一塊瓦的碰撞問(wèn)題，推力瓦的數(shù)量為n，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量抽象為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)m，轉(zhuǎn)子下降速度為v，推力盤(pán)距離推力瓦的高度為h，推力瓦簡(jiǎn)化一個(gè)兩點(diǎn)簡(jiǎn)支梁，并且做以下假設(shè)，不考慮推力盤(pán)在軸向的微小偏轉(zhuǎn)，不考慮推力瓦之間載荷不均勻性，不考慮推力瓦具體限位結(jié)構(gòu)帶來(lái)的周向和徑向微小偏轉(zhuǎn)，假設(shè)推力軸承為剛性支撐，沖擊過(guò)程推力盤(pán)變形折算至推力瓦處，假設(shè)被沖擊的推力瓦重量與轉(zhuǎn)子重量相比很小而且可忽略不計(jì)，這個(gè)時(shí)候轉(zhuǎn)子與推力瓦接觸后，可認(rèn)為附著與推力瓦上而成為一個(gè)系統(tǒng)，在隨后的過(guò)程中轉(zhuǎn)子沿著沖擊方向的運(yùn)動(dòng)即可用一個(gè)單自由度系統(tǒng)的彈性擾動(dòng)來(lái)模擬，其運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示[6]。

(1)

其中，k為彈性系數(shù)，它等于梁受沖擊處點(diǎn)沿沖擊方向產(chǎn)生單位靜位移所需的外力；F為轉(zhuǎn)子的重力沿沖擊方向的分力；Δ為梁在沖擊點(diǎn)沿沖擊方向產(chǎn)生的動(dòng)位移。

式(1)微分方程的解，見(jiàn)式(2)：

(2)

(3)

(4)

最大動(dòng)位移：

(5)

若令：

(6)

則：

(7)

其中，Δst1是轉(zhuǎn)子的重力沿沖擊方向的分力作用在梁上所產(chǎn)生的靜位移，Δst是假定重力沿沖擊方向作用在梁上所產(chǎn)生的靜位移。

若令：

(8)

則：

(9)

所以，a=1,b=1，代入式(9)，

則：

(10)

3　某型核主泵裝配沖擊分析

在轉(zhuǎn)子插入屏蔽電機(jī)的過(guò)程，轉(zhuǎn)子是勻速點(diǎn)動(dòng)下降，轉(zhuǎn)子的推力盤(pán)在與推力瓦接觸前，初速度為0，在最后一次點(diǎn)動(dòng)下降之前，推力盤(pán)距離推力瓦高度為h；在最后一次下降過(guò)程中，推力盤(pán)與推力瓦即將接觸的一個(gè)微小時(shí)間前數(shù)值為v0，轉(zhuǎn)子的重力勢(shì)能G轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能E，根據(jù)能量守恒原則，重力勢(shì)能的變化等于下落動(dòng)能的增加。

(11)

則：

(12)

根據(jù)式(12)分析，當(dāng)h無(wú)限接近0時(shí)，推力盤(pán)從靜止?fàn)顟B(tài)下落至推力瓦時(shí)，

可見(jiàn)，安裝過(guò)程中的動(dòng)載荷沖擊是不能簡(jiǎn)單忽略的，即便推力盤(pán)在與推力瓦之間無(wú)限接近處初速度為0的狀態(tài)下發(fā)生碰撞，碰撞產(chǎn)生的沖擊載荷至少為靜載荷的兩倍。

根據(jù)某型核主泵水潤(rùn)滑推力軸承靜態(tài)載荷變形計(jì)算，推力瓦變形為0.02mm，推力盤(pán)變形為0.05mm，累計(jì)等效變形為0.07mm，可知Δst=0.07mm。

則，某型核主泵推力軸承裝配對(duì)應(yīng)的動(dòng)載荷系數(shù)

(13)

對(duì)于某型核主泵，轉(zhuǎn)子最后一次下落時(shí)的高度h不同時(shí)，其動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)K變動(dòng)較為明顯，如圖4所示，隨著高度h從0增加至100mm，動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)從2增加至54.46。

圖4　某型核主泵裝配沖擊載荷動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)曲線Fig.4　Dynamic load coefficient curve of a nuclear main pump assembly under impact load

通過(guò)以上分析，屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子落入定子過(guò)程中，在吊車(chē)最后一次點(diǎn)動(dòng)之前，推力盤(pán)與推力瓦之間要盡量接近；但受限于吊車(chē)每次最小點(diǎn)動(dòng)行程和裝配工藝尺寸限制，推力盤(pán)與推力瓦之間距離又不能無(wú)限接近0。根據(jù)大型屏蔽電機(jī)以往經(jīng)驗(yàn)，裝配h值建議小于5mm，此時(shí)動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)為13，此水潤(rùn)滑軸承靜態(tài)等效壓力為0.5MPa，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)載荷為6.5MPa。

可見(jiàn)，控制裝配高度h對(duì)避免推力瓦瓦面沖擊過(guò)載而發(fā)生表面剝落具有重要意義。裝配車(chē)間采用的吊車(chē)一般均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14405—2011《通用橋式起重機(jī)》[7]，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14405—2011列舉了常用起重機(jī)應(yīng)滿足的對(duì)應(yīng)速度表，如表1所示；根據(jù)表1結(jié)合具體吊車(chē)供貨說(shuō)明書(shū)，可以推算出，吊車(chē)點(diǎn)動(dòng)操作的最小高度移動(dòng)值，也可為h值選擇提供參考。

表1　常用起重機(jī)速度對(duì)應(yīng)表

4　最大安裝落入距離

核主泵水潤(rùn)滑推力軸承推力瓦材料一般選用石墨或碳碳復(fù)合材料，瓦面材料的抗折強(qiáng)度一般應(yīng)大于90MPa，可以根據(jù)最小抗壓強(qiáng)度推算裝配過(guò)程發(fā)生沖擊載荷時(shí)轉(zhuǎn)子的最大安裝落入距離hmax；瓦面抗折強(qiáng)度為P，最大取值90MPa，此推力瓦面瓦型為階梯型，最大點(diǎn)靜載荷為P0，取值約1.5MPa，若瓦型為柱面時(shí)，P0等效取值范圍一般在1.5～2.5MPa左右。

根據(jù)以上設(shè)定，可知：

P=P0·K1

(14)

綜合式(12)和式(13)，可知：

(15)

易知：

(16)

從式(16)可知，在核主泵推力軸承支撐結(jié)構(gòu)固定時(shí)，瓦面抗折強(qiáng)度增加時(shí)，最大安裝落入距離增加，瓦面最大點(diǎn)靜載荷增加時(shí)，最大安裝落入距離減小，其分布規(guī)律如圖5所示。

圖5　某型核主泵裝配最大安裝落入距離三維分布圖Fig.5　The maximum installation of a nuclear main pump assembly falls into a three-dimensional distribution map.

將P=90，P0=1.5代入式(15)，可得hmax=121.8mm。根據(jù)以上分析，此核主泵插轉(zhuǎn)子過(guò)程中，一旦落入距離大于122mm時(shí)，瓦面的局部區(qū)域?qū)l(fā)生部分淺表層脫落，在安裝過(guò)程中，推力瓦表面將產(chǎn)生的破碎顆粒。在核主泵啟動(dòng)后，破碎顆粒將會(huì)進(jìn)入推力瓦與推力盤(pán)組成的摩擦副，破壞摩擦副進(jìn)而影響核主泵的安全運(yùn)行。

在核主泵總裝配的過(guò)程中，可以通過(guò)測(cè)量推力軸承座與機(jī)座法蘭面的高度值，作為判斷是否最后一次點(diǎn)動(dòng)下落轉(zhuǎn)子到位，即推力盤(pán)與推力瓦接觸。在確定推力盤(pán)與推力瓦間隙值小于5mm時(shí)，再?zèng)Q定一次落入到位。軸承安裝也有另一種情況，下推力軸承先與轉(zhuǎn)子推力盤(pán)通過(guò)工裝把緊，然后轉(zhuǎn)子與軸承一同落入定子機(jī)座。此時(shí)，雖然瓦面與推力盤(pán)無(wú)縫隙，但軸承座直接落入定子機(jī)座，還是會(huì)存在沖擊載荷；由于推力軸承支撐系統(tǒng)存在一定的剛度阻尼，在這個(gè)瞬間，推力瓦還是會(huì)間接地受到?jīng)_擊載荷作用，從可靠性角度還是要降低h值范圍。

5　結(jié)語(yǔ)

本文利用振動(dòng)分析方法通過(guò)彈性擾動(dòng)微分方程，初步建立的核主泵推力軸承在總裝過(guò)程所允許的最大安裝落入距離解析表達(dá)式，并明確了碰撞瞬間的等效動(dòng)載荷系數(shù)估算方法。經(jīng)過(guò)本文分析研究得出幾點(diǎn)初步結(jié)論：

1)在下落初速度為0時(shí)，推力盤(pán)與推力瓦碰撞瞬間的動(dòng)載荷系數(shù)只與安裝落入距離和靜載荷等效變形有關(guān)系。

2)最大安裝落入距離與瓦面抗折強(qiáng)度和最大點(diǎn)靜載荷有關(guān)。瓦面抗折強(qiáng)度越大，最大安裝落入距離越大；最大點(diǎn)靜載荷越大，最大安裝落入距離越小。

3)通過(guò)某型核主泵推力軸承總裝過(guò)程分析，提出了具體安裝建議，即安裝落入距離不大于5mm，此時(shí)動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)為13；最大安裝落入距離不能超過(guò)122mm。

4)提出了總裝時(shí)可以采取的間接尺寸檢測(cè)方法，以確保最大安裝落入距離不超標(biāo)。

5)推導(dǎo)出了碰撞時(shí)動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)和最大安裝落入距離兩個(gè)估算用解析表達(dá)式。