一種核級電動執行機構的機械老化試驗

陳 根，陳寶龍，朱 瑄

（重慶川儀自動化股份有限公司 執行器分公司，重慶 401121）

0 引言

核級電動執行機構是用于控制核電站閥門的驅動裝置，是核電站重要的電氣設備。當前，國內的核電裝備制造業中，電動執行機構作為核電主要儀表之一，設計制造水平與科技發達國家還有一定差距，電動執行機構的可靠性和配套能力與國際水平仍有較大差距。中國目前在役核電站中，使用電動執行機構，除秦山一期、二期中使用部分國產電動執行機構外，其它核島和常規島部分所用電動執行機構幾乎全部進口。隨著《國家核電中長期發展規劃》（2005～2020）的出臺及2019年國內核電形式的好轉，漳州核電一期工程和惠州太平嶺核電一期工程的獲批，均為核級電動執行機構的自主化進程提供了良好的機遇。

機械老化試驗作為研究產品在核電站實際應用工況的方法，相對于普通產品所使用的壽命試驗，機械老化更切合電動執行機構實際應用工況，是最重要的可靠性鑒定試驗項目之一[1]。在特定的模擬工況條件下，通過電動執行機構機械老化試驗考察產品功能隨時間變化的規律，可了解執行機構的平均壽命、失效特征，以及在機械老化試驗過程中可能出現的各種失效模式，結合失效模式，可進一步探索導致失效的主要原因，如傳動設計合理性、安全系數的確定、加工及裝配質量等，為產品可靠性預測和設計、產品質量改進和確定試驗條件等提供依據[2]。本文針對本公司自主開發的N10-72核級電動執行機構進行機械老化試驗研究，力求為后續試驗的進行及現場應用提供指導及幫助。

圖1 電動執行機構傳動原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of transmission principle of electric actuator

1 執行機構構成及參數

N10-72核級電動執行機構嚴格按照三代核電設計要求，并依據相關設計標準要求，采用機械式過力矩及行程控制技術，0.85Un額定力矩60N.m，額定轉速72r/min，傳動結構的設計與驗證為本次電動執行機構開發項目的重點及難點。為實現高可靠性及穩定性，在電動執行機構的設計上，采用一級蝸輪蝸桿傳動的模式，如圖1所示。從電機到蝸桿蝸輪、離合、空心軸的傳動方式，此傳動模式的特點是：體積小，承載能力高，傳遞功率大，易于布置。N10-72核級電動執行機構在結構設計過程中，對受力零件采用理論計算與NX軟件仿真的方式進行受力分析，同時通過機械老化試驗進行試驗驗證，保證設計參數完全滿足強度要求。

2 傳動機構強度分析

2.1 運行參數

機械老化試驗依據標準NB/T20010.11-2010《壓水堆核電廠閥門第11部分：電動裝置》進行，按最大力矩60N.m，允許力矩30N.m進行2000次機械老化，按機械老化時間要求，全試驗周期累計時間為400h，運行時間為133.3h，如圖2所示。

圖2 電動執行機構加載曲線Fig.2 Load curve of electric actuator

2.2 蝸輪蝸桿強度分析

2.2.1 蝸輪蝸桿基本參數

軸傳遞的額定扭矩：T1=1.87N·m =1870N·mm

軸傳遞的最大扭矩：T1max=6.48N·m=6480N·mm

蝸輪輸出額定力矩：T2=60N·m =60000N·mm

蝸輪輸出力矩 ：T2max=150N·m =150000N·mm

蝸桿分度圓：d1=14.5mm

蝸桿齒根圓：df1=12.7mm

蝸輪分度圓：d2=67.5mm

中心距：a=41mm

蝸桿材料40Cr、調質后淬火，硬度HRC50±5

蝸輪材料：ZCuAl9Fe4Ni4Mn2，固溶處理，HB180～HB240

蝸輪蝸桿傳動比：i=75

電機輸入轉速：2880r/min，蝸輪輸出轉速76.8r/min。

2.2.2 蝸輪許用接觸強度和許用彎曲強度確定

考慮壽命對蝸輪接觸強度及彎曲強度的影響，接觸應力及彎曲應力按額定輸出力矩T2=60N·m進行計算。

蝸輪基本許用接觸應力：σHmin=660MPa

蝸輪基本許用接觸應力：σFmin=377MPa

蝸輪許用接觸應力 ：[σH]=KHNσHmin

蝸輪許用彎曲應力：[σH]=KFNσFmin

KHN為接觸強度的壽命系數：

KFN為彎曲強度的壽命系數：

應力循環系數：N=60jn2Lh

n2為蝸輪轉速，r/min；Lh為工作壽命，h；j為蝸輪每轉一轉，每個輪齒嚙合的次數。

考慮機械老化試驗為2000次，工作壽命選擇為500h，N=60×2×76.8×500=4608000。

蝸輪許用接觸應力：

蝸輪許用彎曲應力：

2.2.3 蝸輪齒面接觸強度計算

蝸輪齒面接觸強度的驗算公式為：

式（3）中，Zρ--蝸桿傳動的接觸線長度和曲率半徑對強度的影響系數，簡稱接觸系數，可從圖3得；K--載荷系數；σH、[σH]--分別為蝸輪齒面的接觸應力與許用應力，Mpa。

d1/a=14.5/41=0.354，由圖3可知，ZA型蝸輪蝸桿Zρ=2.92。

蝸輪圓周速度V2=πd2n2/60000=3.14×67.5×76.8/600 00=0.27m/s＜3m/s，KV取1.05

由于有載荷變化，Kβ取1.1。

由機械老化試驗條件得知，電動執行機構每小時啟動次數為10次，KA=1；齒面接觸強度合格。

2.2.4 蝸輪齒根彎曲強度計算

蝸輪齒根彎曲強度的驗算公式為：

式（4）中，YB--螺旋角影響系數，YB=1-γ/140°；Yfs--蝸輪齒形系數，從圖4查得。

ZV2=Z2/cos3γ=75/cos37.076=76.7，查圖4 得

YFa2=2.28；

YB=1-γ/140°=1-7.076/140=0.95 ；

σF=(1.53KT2)/(d1d1m)YfsYB=1.53x1x1.05x1.1x60000/14.5x6 7.5x0.9x2.28x0.95=260.72MPa＜318MPa，齒根彎曲強度合格。

3 機械老化試驗

圖3 圓柱蝸桿傳動的接觸系數ZρFig.3 Contact coefficient Zρ of cylindrical worm drive

圖4 蝸輪的傳動齒形系數YfsFig.4 Gear profile coefficient Yfs of worm gear

機械老化試驗的目的是驗證電動執行機構能否在規定的試驗條件下完成試驗并保持其完整性及可靠性[3]。通過將執行機構與力矩測試設備以及老化測試設備連接，按執行機構安裝在閥門上的運行工況條件，進行馬鞍形加載[4]。整個試驗分為機械老化試驗和出廠試驗兩個階段。機械老化試驗是在規定試驗條件下對執行機構施加負載并循環運行一定時間，出廠實驗則是檢測執行機構經過老化實驗后，包括輸出轉速、輸出力矩、精度等基本性能參數是否滿足產品出廠要求。本文著重介紹機械老化實驗相關要求，基本性能測試不做更多描述。

機械老化試驗所使用力矩測試設備為0-200N.m，檢測精度為0.2N.m，在電壓380V、50Hz情況下對電動執行機構進行機械老化試驗。機械老化試驗過程主要分為開向階段（包括開向停止時間）和關向階段（包括關向停止時間），試驗過程如下：

圖5 N10-72機械老化試驗Fig.5 N10-72 Mechanical aging test

1）開向階段：開向啟動階段使執行機構的輸出轉矩增大至60N.m，然后保持該轉矩60N.m持續運行6s，執行機構保持輸出轉矩30N.m運行108s，再使輸出轉矩增大到60N.m，持續運行6s，整個開向階段持續時間120s，停止執行機構180s。

2）關向階段：關向啟動階段使執行機構的輸出轉矩增大至60N.m，然后保持該轉矩60N.m持續運行6s，執行機構保持輸出轉矩30N.m運行108s，再使輸出轉矩增大到60N.m，持續運行6s，整個關向階段持續時間120s，停止執行機構300s。

機械老化試驗過程電動執行機構的連接如圖5所示，在整個機械老化試驗過程中，完成2000次開關循環操作后，電動執行機構運行正常，各項性能參數無異常。

4 結語及建議

對一種核級電動執行機構的機械老化試驗進行研究，通過理論計算與試驗相結合的方式對電動執行機構進行可靠性測試，通過力矩測試設備對電動執行機構進行機械老化測試，并對性能特性參數進行測試和監控。得到如下結果：

1）對電動執行機構進行2000次馬鞍形加載開關循環操作的機械老化試驗，在整個試驗過程中，電動執行機構運行正常。

2）機械老化試驗完成后，電動執行機構各項性能參數正常，滿足出廠實驗要求。

3）采用理論計算與試驗相結合的方式進行電動執行機構的設計及生產制造，有利于加快整個生產制造周期，保證成功率。