平衡環式支承結構制造及靜載荷試驗

李夢啟，王偉光，曲大莊，李偉，武中德

(1.黑龍江省核主泵工程技術研究中心，哈爾濱 150040；2.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150040；3.國家核電技術公司，北京 100029；4.哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040)

非能動式三代核電反應堆采用了屏蔽式核主泵，核主泵屏蔽電機水潤滑推力軸承承擔機組推力載荷。水潤滑推力軸承運行的穩定性和可靠性受到了各方面的關注[1-3]，該軸承推力瓦材質一般為石墨或碳基復合材料，耐沖擊能力有限。在剛性支承系統條件下，瓦塊間載荷分布均勻性較差，造成個別推力瓦磨損嚴重，石墨瓦面甚至發生脫落，給反應堆冷卻劑回路穩定運行造成較大影響。

非能動設計方案對反應堆冷卻系統在瞬態工況下可靠性要求較高，需提高水潤滑推力瓦之間載荷分布的均勻性，將傳統的剛性支承系統更改為柔性支承系統。柔性支承系統主要有3種結構：蝶形彈簧式支承、小圓柱式支承和平衡搭塊式支承。蝶形彈簧式支承剛度對軸向變形較為敏感，在調整高度差時對固有頻率有影響。小圓柱式支承剛度穩定可調，但推力瓦高度差自調整能力差。平衡搭塊式支承結構[4]可較好地調整推力瓦高度差，但需要嚴格控制預緊力，因為推力軸承固有頻率與預緊力關系密切，設計或安裝不當容易引起共振；平衡搭塊式支承制造安裝比較復雜。

曲大莊等發明了平衡環式支承結構[5]，具有自動平衡各推力瓦高度差的能力，確保推力瓦載荷分布更加均勻，可有效抑制軸系偏載[6]。平衡環式支承結構降低了支承系統的復雜度，滿足核主泵的高可靠性要求[7-8]，并可縮短推力軸承制造周期。

1 平衡環結構特點

平衡環式自平衡支承將上平衡體與下平衡體通過Z形立筋結構完成周向閉環連接，其結構如圖1所示。平衡環結構有兩大特點：一是均載，即各推力瓦載荷存在較大差值時可自動調整各推力瓦高度，使其載荷波動幅值限制在±10%，提高了水潤滑推力軸承運行的穩定性；二是結構連續性，即平衡環為上下平衡體整體連續，提高了水潤滑推力軸承的可靠性。

圖1 平衡環支承結構

2 平衡環試制及檢驗

該平衡環周向、軸向剛度相比普通環形件要小很多，因此平衡環采用整體一次性加工，為抑制各平衡體間變形，需設計專用胎具和夾具(圖2)以提高加工過程中的整體剛度，便于控制平衡環的形位公差。

采用STC1000五軸加工中心加工，如圖3所示,先將06Cr19Ni10不銹鋼圓環鍛件固定在胎具上，外圓均勻布置多處夾具，圓環鍛件按基準找正，在胎具上表面加工出與平衡環下方對應的凸起部分，以避免在加工平衡環正面時刀具載荷過大，導致平衡環軸向變形過大的問題。檢查下平衡體與胎具支承面的間隙，根據平衡環尺寸控制此處間隙為0.05～0.10 mm，采取壓塊鎖緊兩側的上、下平衡體，以限制平衡環在周向和徑向的微小位移，加工上平衡體部分。多次換位夾緊臨近上、下平衡體，完成全部平衡體的加工。

圖2 胎具安裝

圖3 平衡環加工

加工中需要有一次工件翻面，因此在平衡環外圓存在不大于0.02 mm的圓形接刀痕跡，對外圓的影響不超過公差帶約束，不影響平衡環的正常使用。另外，要注意Z形立筋圓弧處接刀的處理，Z形立筋厚度不應過薄；加工中選擇合理的擬合軌跡，保證Z形立筋圓弧柱面與斜面處接刀痕跡不超過0.01 mm，以避免此處因接刀痕跡過大而引起疲勞壽命降低。

平衡環對上、下平衡體及Z形立筋形位公差有嚴格控制，要求上平衡體矩形凸臺整體平面度不大于0.10 mm；Z形立筋內圓中心位置度不大于0.3 mm；Z形立筋右側面與上平衡體上平面的垂直度1、Z形立筋右側面與下平衡體下平面垂直度2均不大于0.15 mm。使用三坐標儀測量，測量支柱3點圓周布置，三坐標設備參數見表1。

表1 三坐標設備參數

三坐標檢測上平衡體矩形凸出平臺整體平面度為0.087 mm；12個Z形立筋形位公差見表2，中心位置度和垂直度均符合技術要求，其中Z形立筋內圓為銑刀擬合軌跡，測值離散性相對較大，但仍符合要求。

表2 平衡環三坐標檢測值

3 平衡環靜載荷試驗

通過模擬推力瓦偏載工況，測試相鄰處上平衡體高度差自調整功能，將樣機尺寸平衡環固定在剛度較好的試驗平臺上(圖4)，并布置測量儀。采用加載水壓千斤頂，在不同加載點布置千斤頂頂頭，通過壓力表控制加載幅值，載荷不同時采用多個水壓千斤頂。

3.1 試驗設備

試驗臺架結構如圖4a所示，限位平臺和油壓機平臺采用250T四柱油壓機；試驗支架放置在油壓機平臺上；內、外圈限位銷安裝在試驗支架上，作為軸向運動時徑向和周向的限位使用；平衡環下落時其下平衡體限位孔與內、外圈限位銷保持對應；水壓千斤頂放置在上平衡體矩形凸出平臺上；限位平臺緩慢下降至與千斤頂頂頭間隙為1 mm時停止，操作千斤頂緩慢升起頂頭與限位平臺平面接觸。

測試系統布局如圖4b所示，在1#～4#上平衡體右側的每個Z形立筋上布置應變片，應變片引線接入電橋轉換端子，轉變為電壓信號，電壓信號進入動態應變儀處理后輸出至應變顯示模塊，以微應變值形式顯示在計算機終端。應變片型號為KFW-5-120-C1-11L5M3R，采用IOtech6224動態應變測量儀，電橋轉換端子和應變顯示模塊平臺軟件與之配套。加載處的上平衡體底部和鄰近上平衡體的頂部左、中、右分別設置百分表，測量高度方向形變位移量，指針式百分表的精度為0.01 mm。

圖4 試驗臺架結構及系統布局圖

3.2 試驗方法

試驗平衡環有6個上平衡體、6個下平衡體和12個Z形立筋，如圖4b所示標號。使用水壓千斤頂在上平衡體矩形凸臺上加載，千斤頂專用頂頭等效加載面積約890 mm2，千斤頂連接水壓表，控制水壓實現加載點壓力載荷的間接控制，通過水壓的不同分段模擬水潤滑軸承在運行時工況的變化。百分表測量加載時上平衡體和下平衡體的高度位移，同時通過應變片測試獲得1#～4#上平衡體右側Z形立筋的壓縮或拉伸應力，分析后期是否進行疲勞研究，微應變為正值代表拉伸，微應變為負值代表壓縮。

3.3 試驗方案

為考核平衡環載荷自調整能力，設計了3種試驗方案，即對稱均載、對稱偏載和鄰近均載，形成3種試驗工況見表3。

試驗中存在3種加載力，根據水壓千斤頂頂頭的有效加載面積可以計算出3種載荷對應的水壓見表4。加載過程水壓由小到大逐步增加，加載過程3的油壓即為對應的額定加載壓力。

表3 試驗方案

表4 加載載荷與水壓千斤頂水壓對應表

3.4 試驗結果

方案1下，加載部分1#和4#上平衡體底部下沉形變位移量和非加載部分2#和5#上平衡體頂部右肩、頂部、左肩上浮形變位移量如圖5所示，1#～4#Z形立筋的應變如圖6所示。

方案2下，加載部分1#和4#上平衡體底部下沉形變位移量和非加載部分2#，3#，5#，6#上平衡體頂部的上浮形變位移量如圖7所示；1#～4#Z形立筋的應變如圖8所示。

圖5 方案1上平衡體高度方向形變位移量

圖6 方案1下Z形立筋微應變

圖7 方案2上平衡體高度方向形變位移量

圖8 方案2下Z形立筋微應變

方案3下，加載部分1#和3#上平衡體底部下沉形變位移量和非加載部分2#上平衡體頂部的上浮形變位移量如圖9所示；1#～4#Z形立筋的應變如圖10所示。

3.5 結果分析

3種方案的上平衡體高度方向形變位移規律顯示，載荷加在上平衡體，無論是否均勻加載，相鄰的上平衡體會在高度方向向上移動，具有補償各上平衡體高度差的作用。

方案1，2顯示，無論是否均勻加載，1#，4#上平衡體右側Z形立筋均處于壓縮狀態，并且在非均勻加載時4#上平衡體右側Z形立筋相比1#壓縮更大。方案3顯示，1#，3#上平衡體均勻加載時，1#，3#上平衡體右側的Z形立筋均處于壓縮狀態，2#，4#上平衡體右側Z形立筋均處于拉伸狀態，并且4#比2#拉伸值更大，這是因為在4#和5#之間下平衡體設置了軸向約束，完成了高度方向限位。

圖9 方案3上平衡體高度方向形變位移量

圖10 方案3下Z形立筋微應變值

分析結果表明，加載處上平衡體附近Z形連接立筋處于壓縮狀態，與之相鄰上平衡體附近Z形連接立筋處于拉伸狀態，當平衡環支承結構自身動態補償高度差時，Z形連接立筋處于拉伸、壓縮的交變應力狀態，需進一步關注結構疲勞壽命。

4 推力軸承臺架試驗

4.1 試驗方法

將制造完成的平衡環安裝在水潤滑推力軸承中，推力軸承臺架試驗如圖12所示。拖動電動機為試驗提供旋轉所必須的扭矩；加載推力軸承為試驗提供加載載荷，加載推力軸承底部油缸油壓提高時，壓力通過油缸支柱、推力瓦將載荷加載至加載推力盤，進而通過軸傳遞作用，將所需載荷通過雙向推力盤加載至上推力軸承的推力瓦；由于推力軸承內含彈簧預載荷結構，此時下推力軸承與雙向推力盤的下推力盤跟隨接觸，以驗證(模擬)核主泵水潤滑軸承真實工作狀態。

試驗臺架含有2種加載模式，即靜載荷非旋轉加載和靜載荷旋轉加載。在靜載荷非旋轉工作模式下，臺架拖動電動機不啟動，僅加載軸承為被試推力軸承提供靜載荷，以考核平衡環在非旋轉工況下的結構穩定性。在靜載荷旋轉工作模式下，拖動電動機啟動，同時對被試軸承施加軸向靜載荷，在不考慮偏載的情況下驗證平衡環的可靠性。

圖11 平衡環支承結構推力軸承臺架試驗

非旋轉模式靜載荷為165 kN，旋轉模式上推力軸承靜載荷見表5，分3個過程依次進行。

表5 旋轉模式靜載荷加載過程

4.2 檢測

試驗后拆解軸承，采用液體滲透探傷法(PT)檢查平衡環表面狀態，對上平衡體矩形凸臺、Z形立筋柱面與斜面過渡處、Z形立筋左右兩側3處(圖12)存在較大接觸應力的地方進行PT檢測。

圖12 平衡環PT檢測位置

PT檢驗核電標準為HMC/NN-EDP2014-004，檢測時要求：表面溫度為18 ℃，表面粗糙度Ra不大于6.3 μm。檢測方法為非熒光熔劑去除型，預清洗干燥時間為5 min，滲透時間為15 min，清洗劑型號為WUR-T/150105，滲透劑型號為WUP-T150105；照明設備為NDE007，檢測距離為300 mm，照度計型號為TES1339/NDE003，顯像劑型號為WUD-T/150105，多余滲透劑去除后，顯像劑施加前干燥時間控制為3 min，顯像時間為15 min。

經過PT檢測，3處檢驗區域均無線性裂紋顯示，表明在經過結構及加工工藝優化后，平衡環式支承結構運行安全有效。

6 結束語

平衡環結構為整體式，加工用時少，不需要多次調整基準，周向剛度較好。平衡環在加工時增加了新式支承結構胎具，有效控制了形位公差。

提出了一種用于測試平衡環支承結構靜載荷自平衡能力的新方法。通過以上研究及測試，分析后得出結論：

1)不同推力瓦的高度偏差導致載荷不均勻時，平衡環結構具備一定的自調整能力。

2)平衡環在調整高度差時，Z形立筋一直處于拉伸、壓縮的交變應力狀態。

3)推力軸承進行臺架試驗時，平衡環在非旋轉靜載荷及旋轉靜載荷2種工況下工作穩定。

4)尚需進一步研究在去離子水中推力載荷波動時，平衡環結構的動載荷疲勞壽命規律。