組合碟簧式核級閥門電動裝置轉矩控制機構的研究

湯占峰，許一民，邱 文，徐聲云

（揚州電力設備修造廠，江蘇揚州 225003）

組合碟簧式核級閥門電動裝置轉矩控制機構的研究

湯占峰，許一民，邱 文，徐聲云

（揚州電力設備修造廠，江蘇揚州 225003）

簡述組合碟簧式核級閥門電動裝置轉矩控制機構的工作原理。對轉矩控制機構的主要件進行了受力分析，推導出組合碟簧設計的理論計算公式。利用ANSYS有限元分析軟件對碟簧的應力與變形進行了分析，分析結果與理論計算結構吻合。理論計算和有限元分析方法都對今后設計適用于核級閥門電動裝置的轉矩控制機構有一定的參考價值。

核級閥門電動裝置；轉矩控制機構；組合碟簧

0 引言

閥門電動裝置的輸出轉矩是各類閥門設計和選型的重要技術指標，它是通過的轉矩控制機構來進行控制的。目前技術比較成熟的轉矩控制機構有兩類，即采用特殊力感應元件的機械式和采用測力傳感器或變頻技術的電子式。對于需承受熱老化、輻照老化、地震和核事故工況的核級閥門電動裝置而言，組合碟簧式轉矩控制機構成為最佳選擇。

核級閥門電動裝置的輸出轉矩的精度主要取決于其轉矩控制機構的控制精度，它主要由組合碟簧參數設計的精確性決定，研究組合碟簧的受力與變形的關系對提高整個機構的控制精度有著非?，F實的意義。設計組合碟簧式轉矩控制機構的難點是碟簧配置參數的選取。為此，結合轉矩控制機構的工作原理，對其主要零部件進行系統地分析和研究。

1 結構與工作原理

組合碟簧式轉矩控制機構主要包含組合碟簧、引出機構和控制開關組件三部分，其結構如圖1所示。

核級閥門電動裝置工作時，電機驅動蝸輪蝸桿減速機構運轉，輸出轉矩推動閥門運行。蝸輪對蝸桿反作用力壓迫組合碟簧并使之產生變形，同時蝸桿竄動[1]，帶動安裝于蝸桿左端引出軸轉動。當閥門電動裝置的輸出轉矩達到閥門的關閉力或開啟力時，控制開關組件的開關動作，控制系統立即切斷電機電源，實現閥門電動裝置輸出轉矩與閥門開、關閥所需驅動力的匹配。

圖1 轉矩控制機構結構圖

2 理論計算

2.1 碟簧實際負載計算

當力矩開關動作的瞬間，閥門電動裝置各主要零件的受力如圖2所示。

圖2 轉矩控制機構主要零部件受力圖

根據上述受力分析，由平面力學知識容易得出：

Fa——蝸桿軸向力（由核級閥門電動裝置的設計輸出轉矩、蝸輪節圓直徑求出），N；

μ1、 μ2——左端軸承與蝸桿軸間的摩擦系數；

L1、L2——蝸桿軸兩端的支撐臂，mm。

根據蝸輪蝸桿副嚙合理論，可得軸截面反力FN為：

由于蝸桿左、右端的支撐處的摩擦系數近似相等（即μ1=μ2，用同一符號μ表示），并式（1）、

（2）得出組合碟簧實際負載力：

2.2 碟簧的受力與變形關系

核級閥門電動裝置選用的碟簧一般為無支撐面碟簧，根據GB1972-2005，單片碟簧的實際負載與其變形量的關系式為：

式（4）中：

K1=1，對于無支撐面碟簧，計算系數；

C=D/d，直徑比；

E——彈性模量，N/mm；

μ——泊松比；

D——碟簧外徑，mm；

t——碟簧厚度，mm；

H0——碟簧自由高度，mm；

h0=H0-t，碟簧壓平變形量，mm；

f——單片碟簧的變形量，mm。

3 利用ANSYS軟件分析

利用ANSYS有限元軟件對碟簧進行分析是一種便捷實用的方法。現以我廠2HA3.2核級閥門電動裝置組合碟簧的計算為例，介紹分析方法。

3.1 分析過程

為簡化計算，抽取單片碟簧進行分析。該型號產品的碟簧的參數和最大負載如表1。

表1 碟簧參數

建立有限元模型：為避免分析結果發散[2]，首先將單位制改為MPA。分析類型選擇大變形結構靜力學類別[3]，單元類型為Solid Brick 8node 45單元，材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。根據圖3中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ點的坐標建立碟簧的軸截面，然后擠出單片碟簧的實體模型。

網格劃分：將線ⅠⅡ劃分為4等份，線ⅠⅣ劃分為8等份，點Ⅰ所在的1/4圓弧劃分為20等份，采用體映射網格劃分的方法生成網格。生成的有限元模型如圖4，共生成2 560個單元，3 600個節點。

圖3 單片碟簧軸截面圖

圖4 碟簧mesh后的有限元模型

施加邊界條件：轉矩控制機構工作時，組合碟簧只承受軸向力，單片碟簧只在上下兩端圓弧受到約束。因此對有限元模型的Ⅲ點所在的圓弧施加約束UY，模型的四個軸截面施加面約束。

施加載荷和分析：根據受力分析，只需對碟簧上端施加軸向力。利用選擇工具菜單選擇模型中Ⅰ點所在圓弧上的節點（共80個），對沒個節點施加載荷67.38 N（5390.5/80）。運行有限元solve程序，利用后處理模塊查看計算結果（如圖5、圖6）。

圖5 碟簧受載時的應力分布圖

3.2 結果分析

圖5為整個模型的應力分布圖，應力的最大點在Ⅰ點所在的圓弧（1 656 MPa）。圖6為碟簧軸截面的軸向應變分布圖，各重要節點軸向應變如表2所示。

圖6 碟簧受載時軸向應變分布圖

表2 節點應變

由上表可知，點Ⅰ的軸向應變為0.549 mm，即單片碟簧的變形 f，代入式（4），計算得出碟簧負載為5 377.1 N，證明理論計算有限元計算結果非常接近。

4 結語

基于組合碟簧的轉矩控制機構已成功用于我廠2HA3系列核級電動執行機構上。經過多年的試驗和應用實踐證明，按上述方法設計的轉矩控制機構性能穩定、控制精度高，產品的轉矩重復偏差在±5%以內，完全滿足NB/T20010.11-2010規定的轉矩重復偏差小于±7%要求。

此外，文章推導出組合碟簧的負載與變形的理論計算公式，并利用ANSYS有限元分析軟件對碟簧的應力和應變進行模擬分析，證明兩種方法的一致性，為設計適用于核事故工況的閥門電動裝置轉矩控制機構提供了方法。

［1］項宏琛.閥門電動裝置的轉矩控制機構［J］.流體工程，1988（06）：35-37.

［2］張智裕，周北岳，周勇.蝶形彈簧特性隨機有限元分析［J］.機械研究與應用，2011（02）：7-9.

［3］鄭麗娟，安子軍，付宇明，等.碟簧載荷的理論分析與數值模擬研究［J］.機械設計與制造工程，2002（06）：12-13.

Research on Nuclear Grade Valve Actuator's Torque Control Mechanism with Combined Disc Spring

TANG Zhan-feng，XU Yi-min，QIU Wen，XU Sheng-yun
（Yangzhou Electric Power Equipment Manufacture Factory，Yangzhou225003，China）

The paper introduces working principle of nuclear grade valve actuator’s torque control mechanism with combined disc spring. It analyses the mian parts of torque control mechanism detailedly，and also deduces the theoretic computational formula for designing the combined disc spring.Then it analyses the stess and transmogrification of the disc spring using the ANSYS.The method with finite element analysis and theoretic calculation can be introduced to the future design of disk spring that can be the same with the torque control mechanism of nuclear grade valve actuator.derivate

nuclear grade valve actuator；torque control mechanism；combined disc spring

TH134

：A

：1009－9492(2014)11－0113－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.030

湯占峰，男，1980年生，湖北黃岡人，碩士研究生，工程師。研究領域：熱工自動化、閥門電動裝置。已發表論文6篇。

(編輯：王智圣)

2014－06－05