核電廠人員閘門傳動裝置的設計

沈勇堅， 胡士光， 徐道平， 賈保軍

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

0 引言

人員閘門是在核電廠反應堆停堆換料和運行期間，操作、維修人員進出安全殼的通道，同時還可用于某些小型設備、工具和儀表等的運送。人員閘門是安全殼壓力邊界的組成部分，其結構為設置兩道密封門，并且在反應堆正常運行工況及異常運行工況期間，任何一扇門都應能確保安全殼壓力邊界該部位的完整性和密封性，在事故工況時，應能確保安全殼壓力邊界該部位的密封性。在正常情況下，通過操作，可實現密封門的開啟和關閉。

1 不同的傳動方式

傳動方式主要有：機械傳動、液壓傳動、電氣傳動、液壓/氣壓傳動。

機械傳動：利用機械的方式，在主動軸和從動軸之間傳遞運動和動力，或同時實現某些其它作用的裝置。

電氣傳動：以電動機（交流或直流）作為動力帶動工作機，并按給定的規律運動的傳動方式。

液壓傳動、氣壓傳動：同屬于流體傳動，氣壓傳動以壓縮空氣為動力源來驅動和控制各種機械設備以實現生產過程機械化和自動化；液壓傳動是液體壓力能來轉化或傳遞機械能的傳動方式。

2 人員閘門傳動裝置設計

傳動裝置主要為實現人員閘門啟閉、聯鎖、壓力平衡等功能，是人員閘門正常運行的基礎。從承壓性方面設計考慮，人員閘門的主體結構一般采用筒體加上兩端密封門的結構形式，如圖1所示。

為了保證安全殼的密封性和完整性，必須保證有一個密封門是關閉的。人員通過人員閘門進入安全殼的操作順序如圖2所示。

為了保證安全殼的密封性、完整性以及操作人員的安全，在人員閘門設置有壓力平衡閥、聯鎖裝置、鎖緊裝置等。完成人員從閘門外側進入安全殼整個操作順序，需要依次完成開啟壓力平衡閥、聯鎖裝置動作、松開鎖緊裝置、開門4個主要步驟的動作；人員從安全殼到閘門外側的順序則相反。這些步驟均需要通過傳動裝置完成，對于傳動裝置設計的目的是：保證功能性；結構簡便、可靠；需要滿足抗震要求。

根據傳動裝置的設計需求，機械傳動、電機傳動、液壓/氣壓傳動的設計，主要區別在于源動力的不同，后面相應配套的機械部件也不一致；但任何一種傳動方式，機械傳動（包括齒輪、槽輪、鏈、軸）設計是必不可少的。根據機械設計手冊［1］，選定材料，查得相關數據，根據公式計算。

錐齒輪計算公式：d1≥1951×。式中：T錐齒輪為轉矩；u 為傳動比。確定 z1，則 z2=u·z1，m=d1，取標準值z1 m，則 d1=m×z1，d2=m×z2；外錐距 Re=d1/2sinδ1，其中 δ1=arctan（z1/z2）；齒寬為 b=φR·Re，取整 b。計算傳動錐齒輪相關數據，確定齒輪數據。

圖1 人員閘門主體結構示意圖

圖2 人員閘門操作流程示意圖

若采用鏈輪聯接，鏈輪設計可參見機械設計手冊［2］進行計算。

根據三種傳動方式的不同，在滿足人員閘門的功能需求上，機械傳動系統可考慮采用模塊式設計方式，即傳動裝置分為內部傳動箱、外部傳動箱、中部傳動箱，簡化設計結構。液壓/氣壓傳動。由于液壓/氣壓裝置的配置需求，在功能上，主要是實現閘門的關閉功能，開啟功能需要通過單獨的機械設計完成，模塊式傳動機構設計不易實現。

電機傳動。通過電機作為源動力，配合相應的機械部件（齒輪、手輪、傳動軸等）進行傳動，為了簡便設計，電機應設置在艙體內，可通過電磁離合器和傳動軸給內外密封門提供動力。

根據國際原子能機構的統計，截止2010年4月初，全球共有438臺核電機組在運行［2］，其中美國、法國、日本等核電大國都有不同的核電技術，人員閘門在各國的核電設計中也應用了不一樣的傳動裝置。

2.1 電機傳動方式

人員閘門采用電機傳動方式，傳動裝置可通過設置常開、常閉的電磁離合器實現內外密封門動力之間的切換。

如圖3所示，密封門自動啟閉靠電機驅動，電動機作為源動力，經過蝸輪減速器減速，驅動門的傳動裝置，通過連桿、轉向器、傳動軸等驅動鉸鏈機構、鎖緊機構、聯鎖機構、壓力平衡機構等實現門的各種動作，滿足工作需要。

圖3 采用電機傳動方式總圖

為了避免電動機構失效，一般會設置手動操作裝置，在電機故障時使用。手動啟閉密封門需要設置至少4個操作點，內外門各有2個，通過操作手輪啟閉臨近的密封門，不能進行遠程操作對面的密封門。手輪通過常閉式電磁離合器將驅動力傳遞給鏈傳動裝置，然后通過連桿、轉向器、傳動軸等驅動鉸鏈機構、鎖緊機構、聯鎖機構、壓力平衡機構等實現門的各種動作，達到工作需要。

通過對于電機傳動方式及其在人員閘門中應用，得出以下結論：

優點：采用電機傳動裝置的人員閘門，操作方便，通過控制按鈕操作電機，就可以達到門啟閉的操作，精確度高；伺服電機作為動力源，傳動機構比較簡單，誤差率低、節約成本；去除了液壓油的成本和引起的麻煩，沒有硬管或軟喉，無須對液壓油冷卻，大幅度降低了冷卻水成本等。

缺點：相比于全機械傳動裝置，依靠電機作為源動力，電機故障時采用的手動操作裝置不能實現密封門的全部操作功能。

2.2 液壓傳動方式

如圖4所示，采用液壓傳動的人員閘門，在基本原理上和電機傳動采用的原動力不同，人員閘門密封門的關閉、鎖緊、聯鎖等動作，在正常情況下可采用液壓傳動自動控制方式；在無動力時，應能夠解除自控，采用人工手動操作方式。考慮到液壓缸活塞連桿在密封門關閉后，存在一定程度的死角，有較大的操作力矩，難以用液壓自動控制方式來開啟密封門，電動液壓操作僅用于維修人員在人員閘門艙外關閉對面側的密封門，故密封門的開啟動作允許只設手動操作方式。

操作方式：先轉動手輪，通過齒輪傳動帶動連桿，使壓力平衡閥打開，同時使鎖緊機構上的滑桿慢慢退出，然后操作人員把密封門推開；只有當操作人員到達人員閘門一端，準備打開密封門時，而對面的密封門因為另外操作人員的疏忽（或其它原因）而沒有被關上，這樣情況下，操作人員是無法打開密封門的。因此，人員閘門設置了電動液壓裝置，操作人員可按動操作按鈕，打開液壓系統，液壓泵站開始啟動，通過液壓系統的關門液壓缸關閉密封門；關緊密封門后，通過鎖緊液壓缸鎖緊密封門，同時關閉壓力平衡閥，對面的密封門將自動關閉。這樣操作人員就可以通過轉動手輪打開密封門。

從以上的操作方式和工作原理中，得出以下結論：

優點：液壓裝置設備安全可靠，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、慣性小、結構緊湊、布局靈活，動作響應快，能迅速換向和變速，自潤滑性好。

缺點：液壓傳動因有相對運動，表面不可避免地存在泄漏，發生故障不易檢查，存在運動死角，不能完全實現門的所有動作，需要和手動操作方式配合，操作工序較為復雜。

圖4 采用液壓傳動方式總圖

2.3 純機械傳動方式

純機械操作，不借助外力，通過操作手輪實現門的啟閉、聯鎖裝置的啟閉、壓力平衡閥的啟閉、鎖緊機構的啟閉等動作，滿足工作需求。結構上采用了齒輪、鏈、蝸輪蝸桿、傳動軸、棘輪棘爪等多個機械部件，圖5為純機械傳動方式的閘門總體圖［3］。

人員閘門機械傳動主要通過齒輪傳動、鏈傳動、軸傳動、棘輪棘爪、蝸輪蝸桿等裝置達到所需的功能。操作手輪，打開聯鎖裝置實現聯鎖；齒輪嚙合，從而依次打開壓力平衡閥、鎖緊機構、密封門，完成所需要的操作。

人員閘門共設有6個手輪操作點，分別位于艙室外4個（兩端各2個），艙室內2個。一端艙室外的2個手輪分別用來啟閉近端與遠端的密封門，艙室內的手輪用來啟閉近端的密封門。密封門的啟閉完全通過機械傳動來實現，通過齒輪、傳動軸與鏈條來調節傳動比與傳遞力矩。對于采用純機械傳動方式的人員閘門，得出以下結論：優點：可不借助外力，只需通過手輪操作即實現門的所有動作，機械傳動傳動比穩定、效率高，操作簡單。

缺點：對制造及配合精度要求高，整個傳動結構較為復雜。沒有充分考慮到人在受傷情況下的操作情況。

圖5 純機械傳動方式總圖

3 結語

在人員閘門傳動裝置的設計中，滿足功能需求是必須的，可以通過設置不同的傳動方式（機械、電機、液壓/氣壓傳動）達到所需要的功能目的，根據不同的傳動方式，傳動裝置的設計存在較大的差異和不同。

經過不同的傳動方式在核電廠人員閘門中的應用分析對比，不同的傳動方式各有優劣。電機傳動和液壓傳動都配合手動機械傳動，不過形成了單獨的傳動系統，需要分別進行操作，使操作復雜化。

純機械傳動操作簡單，可實現模塊化設計，簡化結構和操作方式；不過沒有應急裝置，沒有充分考慮人員受傷情況下的可能性。

綜合考慮，在滿足人員閘門功能的前提下，簡化傳動結構，設置應急裝置或冗余機構，設計更人性化，形成更為全面的混合型傳動裝置，將是以后人員閘門傳動裝置研究設計的方向。

［1］ 成大先.機械設計手冊：第3卷［M］.5版.北京：化學工業出版社2010.

［2］ 成大先.機械設計手冊：第2卷［M］.5版.北京：化學工業出版社2010.

［3］ 誠格.非能動安全先進壓水堆核電技術［M］.北京：原子能出版社，2010.

［4］Pentti S，Olle H.Personnel Airlock：United States Patent（4376352）［P］.1983-03-15.