核電站彈簧恒力支吊架的設計研究

馮杰

摘要：主要研究了核電站彈簧恒力支吊架的工作原理，并且對恒力支吊架的尺寸關系進行了研究，并提出簡化的強度校核方法。通過對恒力支吊架的彈簧性能進行試驗，確保核電站彈簧恒力支吊架滿足設計要求。

關鍵詞：核電站;恒力支吊架;彈簧

引言

在核電站中有很多管道系統，而這些管道的內懸吊點熱位移很大，為了保證管道系統的彎曲變形在允許范圍內，必須要用恒定的支撐力來支撐各個管道設備。

在核電站中有許多類似的支吊架，恒力支吊架的作用是最大的，彈簧恒力支吊架可以保證核電站管道系統安全可靠的運行。由于彈簧恒力支吊架工作環境相對惡劣，多使用在溫度較熱、位移大的管道位置。當溫度升高時，管道會在垂直方向產生彎曲變形，保證其載荷不變，管道受到的應力就會變小，可以最大程度減小設備與管道接口處的力矩和作用力。本文是以常見的彈簧恒力支吊架為研究對象，在保證其滿足核電站使用要求的基礎上進一步對該彈簧恒力支吊架進行優化改進。

1.彈簧恒力支吊架工作原理

圖1-1?彈簧恒力支吊架工作原理

圖1-1中，ACD=90°，CA=CB=x（x是未知數），CD=y（y是彈簧恒力支吊架的行程）。假設彈簧的壓縮長度Z和AB的長度相等。即Z=2xsin（/2）。當=DCE=30°，=ACB=60°時，說明恒力支吊架處于上限位置。當=DCE=30°，=ACB=120°時，說明恒力支吊架處于下限位置。施加在支吊架上的載荷力P作用到轉軸上產生的力矩為：=Pycos;支吊架的彈簧力W對轉軸產生的力矩為=Wxcos（/2）;顯然，與互為余角，所以由力矩平衡可得方程：W=2Pysin（/2）/x，又因為Z=2xsin（/2），所以當支吊架的擺臂處于上限位置時，彈簧產生的拉力最小，即此時彈簧長度就是其安裝長度。=Py/x，=x。當支吊架的擺臂處于下限位置時，=1.732Py/x，=1.732x。因此，可以計算得到支吊架彈簧的剛度K為：K=（-）/（-）/。因為一般情況下都是根據標準支吊架手冊選取載荷P的值進行計算，所以彈簧剛度K的值也為標準值。因此，可以根據以上公式得出x的值。

當載荷點的位置不發上變化，而擺臂與水平方向的夾角改變時，根據以上計算公式可以導出，載荷點的載荷值是恒定不變的，只是彈簧的作用力會因為角度的改變而相應的變大或縮小。當擺臂絲杠和水平方向的夾角保持不變，載荷點的位置發生變化時，當載荷點越向擺臂末端靠近時，y值就會相應增大，支吊架的載荷就會減小，此時，作用在C點的力矩不發生改變，與此同時，彈簧產生的作用力也是恒定的。

2.彈簧恒力支吊架設計過程分析

支吊架在工作工程中受到多種形式的力和力矩，所以其關鍵部位的軸類件和其他主要的受力件要滿足一定強度要求。所以在設計過程中要對支吊架的相關部件進行強度校核和應力分析。

2.1?彈簧恒力支吊架主要部件受力分析

根據恒力支吊架受力原理圖可知，在工作過程中，主要是軸受力最大。主軸力Q=。對軸進行強度校核，計算可得軸受到的最大剪切應力為：=Q/（2π/4），受到的最大擠壓應力為：=Q/2TD。工作工程中彈簧壓盤產生的最大力矩為：M=/4×2/π×（D-）;由材料力學計算公式可計算彈簧壓盤的抗彎界面系數為：=1/6××（）;計算彎曲應力為：=M/。彈簧支吊架在工作工程中，彈簧拉桿受到拉應力，為了保證其不別拉斷，必須對其受到最大拉力過程中進行強度校核，拉桿受到拉應力為：=/S，式中S是拉桿的螺紋部分受到應力面積;拉桿與螺紋桿部分時焊接連接的，所以要對焊縫進行強度校核，焊縫處受到剪應力，計算公式為：=/2B;拉桿導槽處也是危險點，對其進行強度校核，受到拉應力為：=/2T（A-）。當彈簧支吊架在最大位移位置時，受到最大載荷，在此條件下計算以上各個對應數值，取安全系數為1.5，分別用計算值與許用應力值做比值，比值結果小于1.5說明滿足強度要求，即零件可以正常使用，如果計算值與許用應力值比值大于1.5，則對應部件不滿足使用要求，需要對其結構尺寸進行優化或者更換其使用材料，直至修改到滿足強度要求位置。

2.2恒力支吊架主彈簧的選擇

彈簧是恒力支吊架的主要部件。通常彈簧材料選用60Si2Mn，彈簧受到載荷屬于Ⅲ類載荷，許用切應力大小為740MPa，查設計手冊可得彈簧材料60Si2Mn的切邊模量為80GPa。根據計算公式d=1.6，可求出彈簧絲的直徑d。然后由計算式n=可以求得彈簧的圈數。彈簧的剛度大小為K=，根據實際應用情況計算彈簧對應值，確定彈簧剛度是否滿足使用要求，如果不滿足對彈簧尺寸進行修正，直至達到強度要求。

3.試驗驗證

在對核電站彈簧支吊架設計過程中，不僅要保證各個部件滿足強度要求，而且也要確保作用在支吊架上的支撐力變化率在一定范圍內。根據《GB/T?228-2002金屬拉伸試驗方法》的試驗要求對支吊架做拉伸試驗。保證其載荷變化率在16%以下就能滿足使用要求。另外，還要對彈簧恒力支吊架進行合格鑒定試驗。應為恒力支吊架的變形量與受到載荷成正比關系，即線性分布，所以，在支吊架受到4倍載荷時，要確保其不斷裂，并且變形在允許范圍內。在試驗過程中，可用鋼制套筒代替彈簧，并且將應變片安裝在支吊架的多個位置以便更全面的了解恒力支吊架各個部分的受力情況。在實驗過程中，如果恒力支架不發生斷裂，并且變形在允許范圍內，則去掉載荷后可以恢復原來形狀，則說明恒力支吊架滿足設計要求。

4.結語

本文主要闡述了核電站彈簧恒力支吊架的工作原理，詳細介紹了其工作過程中各個部件的受力情況，并且根據受力平衡給出了受力點所受力和力矩的計算公式。對彈簧恒力支吊架的設計過程進行研究，根據工作條件，確定支吊架需要校核的位置，由具體強度校核公式計算確保其滿足使用要求。在設計完成后要進行試驗驗證，進一步保證彈簧恒力支吊架可以安全可靠的工作。

參考文獻：

[1]劉瑜，徐傳海.恒力彈簧選項及恒力彈簧支吊架的設計與安裝[J].華中電力，2004，17（5）：40-43.