大功率核電齒輪箱安裝及抗震性能分析

王春霖，王立帥，梁明邦

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518026）

0 引言

核電廠循環(huán)水泵齒輪箱采用NGW行星減速機結(jié)構(gòu)，功率四分流人字齒行星一級傳動，主要由輸入花鍵套、行星包、組合軸承、底座、輸出法蘭等零部件組成，動力由立式電機通過輸入花鍵套，經(jīng)過行星級減速后傳到輸出法蘭上，驅(qū)動循環(huán)水泵工作，該齒輪箱傳動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，屬于滿足核電高可靠性要求的理想傳動形式（圖1、圖2）。齒輪箱長2720 mm、寬2720 mm、高3240 mm，重量約29 t，額定輸入轉(zhuǎn)速746 r/min，輸出軸功率7530 kW，額定輸出轉(zhuǎn)速為182.84 r/min，減速比為4.08，齒輪箱與支架組裝后，通過24顆地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上。本文針對大功率核電齒輪箱的特點介紹安裝過程，基于現(xiàn)有支架和固定方案進行抗震分析，評定地腳螺栓受力。

圖1 齒輪箱外形

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)

1 齒輪箱安裝

1.1 安裝要求

齒輪箱安裝前，應(yīng)存放在干燥、防曬、防潮、潔凈的庫房內(nèi)，安裝前檢查基礎(chǔ)標高及地腳螺栓孔尺寸。吊裝選用6×37（a）類鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度為1570 MPa，推薦選用鋼絲繩直徑≥40 mm，2根，每根約10 m；卸扣選用S-BW32或S-BW40以上等級，4件。吊裝整機時應(yīng)在鋼絲繩與被吊物之間墊上軟物，起吊吊耳上需加裝卸扣，吊繩拉力方向不能超過60°斜角。為確保齒輪箱安裝時精確定位及防止底面與基座銹蝕，基座表面上應(yīng)均勻涂一層薄鋰基潤滑脂。齒輪箱未完全密封時，嚴禁在周圍5 m內(nèi)進行風(fēng)動或電動砂輪打磨。裝入螺栓前，螺紋要用清洗劑清洗干凈，鉸制螺栓用二硫化鉬涂抹，各螺栓螺紋連接處，應(yīng)涂厭氧膠以防松。同一零件緊固時，螺栓或螺釘需交叉、對稱、逐步擰緊，擰緊力矩見表1：①擰緊力矩允許偏差為±5%；②表中數(shù)值適用于使用潤滑劑螺栓，無潤滑劑螺栓擰緊力矩應(yīng)為表中值133%。

表1 擰緊力矩T N·m

1.2 安裝步驟

安裝流程如圖3所示，首先進行安裝前準備工作，然后輸出端安裝，最后輸入端安裝。安裝前準備工作，包括拆卸運輸工裝、鎖緊組合軸承徑向軸瓦和安裝盤車裝置。齒輪箱盤車找正前，需對輸出軸進行定心，通過鎖緊組合軸承的徑向軸瓦，單邊留0.02 mm間隙來對輸出軸定心。熟悉系統(tǒng)安裝圖及安裝手冊，對齒輪箱、聯(lián)軸器、安裝支架、預(yù)埋底座等零件的連接尺寸、標高、地腳螺栓孔分布對中等進行復(fù)查，確保順利安裝。齒輪箱支架如圖4所示，組裝支架與齒輪箱時，復(fù)檢泵聯(lián)軸器表面水平度≤0.05 mm/m，將齒輪箱支架吊起正確落在底座上，將齒輪箱和支架連在一起后，調(diào)整方向，將組件穿過地腳螺栓吊到安裝位置上。測量齒輪箱輸出法蘭與水泵聯(lián)軸器之間的間隙值u，通過調(diào)節(jié)底座下端的墊鐵，保證偏差在±0.5 mm以內(nèi)。

圖3 安裝流程

圖4 齒輪箱支架

為避免設(shè)備干摩擦拉傷和啟動轉(zhuǎn)矩大等不足，齒輪箱進行盤車找正前應(yīng)進行串油，將ISO VG100潤滑油，經(jīng)過濾精度10～20μm的不銹鋼濾網(wǎng)過濾后注入箱體。加注齒輪油時，要求油位高于液位計18 cm刻度，加注油量約1200 L。串油時，進油管直接從上箱體觀察蓋板注油口處進油，電路接通后，啟動齒輪箱電動泵，串油10 h。

找正包括粗找正和精找正。粗找正在不串油、不盤車條件下進行，要求徑向跳動≤0.2 mm，端面跳動≤0.05 mm。精找正在串油盤車條件下進行，要求徑向跳動≤0.05 mm、端面跳動≤0.05 mm。若端面跳動超差，采用調(diào)整墊鐵調(diào)整校準支架水平；徑向跳動超差，采用頂絲螺栓移動齒輪箱支架調(diào)整。輸出端找正合格后，復(fù)檢齒輪箱上箱蓋水平度≤0.05 mm/m。

齒輪箱輸入端安裝時，拆除盤車裝置、組裝齒輪箱輸入部套、輸入聯(lián)軸器裝配及找正。輸入聯(lián)軸器安裝參照系統(tǒng)圖、安裝圖，對齒輪箱進行對中找正，徑向跳動≤0.1 mm，端面跳動≤0.30 mm，找正合格后，對電機與支架進行定位、緊固。組立花鍵套，復(fù)檢花鍵套相對高度，要求如圖5所示（225 mm≤H≤235 mm）。電機與齒輪箱聯(lián)軸器組立完后，組立罩殼。完成罩殼的組立后，進行兩組預(yù)壓式空氣濾清器的安裝。

圖5 電機與齒輪箱聯(lián)軸器連接

2 齒輪箱抗震分析

齒輪箱安裝完畢后，利用通用有限元分析軟件ANSYS對其進行了抗震分析，對地腳螺栓進行評定。

2.1 荷載參數(shù)

齒輪箱位于循環(huán)水泵房，計算采用循環(huán)水泵房+0.1 m，阻尼比為4%的樓層反應(yīng)譜數(shù)據(jù)進行計算，反應(yīng)譜數(shù)值見表2。

表2 樓層反應(yīng)譜數(shù)值

2.2 有限元模型

對循環(huán)泵齒輪箱結(jié)構(gòu)進行適當簡化，刪除主體結(jié)構(gòu)中存在的圓角倒角及局部螺栓螺釘?shù)龋渑c主體結(jié)構(gòu)的連接看成一個整體，儀器儀表等附屬件均不進行計算，對行星傳動機構(gòu)、傳動主軸及上下連接的花鍵套看成是一個可變截面大小的梁進行處理，其與主體結(jié)構(gòu)相連接的部分采用剛性單元進行綁定。

齒輪箱和支架組裝外形如圖6所示，循環(huán)泵齒輪箱中支撐裙座及筋板、方形觀察孔由薄壁結(jié)構(gòu)組成，這部分用Shell 181單元來模擬。其余結(jié)構(gòu)用Solid185單元模擬，簡化后的傳動軸機構(gòu)用Beam188單元模擬，簡化后的循環(huán)泵齒輪箱網(wǎng)格劃分情況如圖7所示。在循環(huán)泵齒輪箱底板24個地腳螺栓處約束X、Y、Z方向。

圖6 齒輪箱及支架組裝

圖7 循環(huán)泵齒輪箱總體網(wǎng)格

2.3 計算結(jié)果

通過模態(tài)分析，得到該設(shè)備模型的前20階頻率和3個方向的有效參與質(zhì)量，前20階頻率見表3。前20階頻率X方向和Y方向參與質(zhì)量為90.95%，補償質(zhì)量為9.05%；Z方向參與質(zhì)量為91.56%，補償質(zhì)量為8.44%。

表3 前20階頻率Hz

事故工況下齒輪箱及支架的總體位移、Von Mises應(yīng)力云圖，如圖8、圖9所示。由圖可知事故工況下最大總體位移為0.485 mm，出現(xiàn)在齒輪箱空氣濾清器端部部位；最大Von Mises應(yīng)力為147.292 MPa，出現(xiàn)在齒輪箱支架底部裙座與筋板連接處。

圖8 事故工況齒輪箱及支架總體位移云圖

圖9 事故工況齒輪箱及支架Von Mises應(yīng)力云圖

事故工況下齒輪箱支架的總體位移、Von Mises應(yīng)力云圖，如圖10、圖11所示。由圖可知事故工況下最大總體位移為0.137 mm，出現(xiàn)在齒輪箱支架上端部部位；最大Von Mises應(yīng)力為147.292 MPa，出現(xiàn)在齒輪箱支架底部裙座與筋板連接處。

圖10 事故工況支架總體位移云圖

圖11 事故工況支架Von Mises應(yīng)力云圖

2.4 地腳螺栓應(yīng)力評定

根據(jù)RCC-M—2000《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》的規(guī)定，應(yīng)力評定準則見表4。其中，ft為拉伸應(yīng)力，fv為剪切應(yīng)力，ftb為拉伸許用應(yīng)力，fvb為剪切許用應(yīng)力；螺栓規(guī)格為M36，最小直徑為31.7 mm，截面積為787.7 mm2。本文對24顆M36×630 mm的地腳螺栓進行評定，螺栓評定結(jié)果見表5。

表4 螺栓應(yīng)力分析評定準則

表5 事故工況連接螺栓載荷及評定結(jié)果

3 結(jié)論

核電循環(huán)水泵大功率齒輪箱應(yīng)按要求做好檢查，按流程進行組裝，組裝完成后，應(yīng)進行復(fù)檢。在事故工況下，齒輪箱最大位移為0.485 mm，最大應(yīng)力為147.292 MPa，低于許用應(yīng)力，對齒輪箱支架地腳螺栓根據(jù)規(guī)范進行了評定，應(yīng)力比均小于1，符合規(guī)范要求。