核電廠設(shè)備液壓阻尼器性能設(shè)計(jì)

賀 楓

（常州格林電力機(jī)械制造有限公司，江蘇 常州 213119）

1 概述

核島主設(shè)備支承用液壓阻尼器屬于核安全1 級(jí)設(shè)備，是蒸汽發(fā)生器、主泵等主設(shè)備支撐的關(guān)鍵部件，其性能的好壞會(huì)影響到蒸汽發(fā)生器、主泵等的安全運(yùn)行。

根據(jù)《反應(yīng)堆冷卻劑泵液壓阻尼器設(shè)備規(guī)格書》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)格書”）要求，液壓阻尼器必須具備兩種功能：（1）在正常運(yùn)行或擾動(dòng)工況下液壓阻尼器不能閉鎖，允許設(shè)備因反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度和壓力變化而引起的自由緩慢移動(dòng)；（2）在地震或管道斷裂事故工況下液壓阻尼器必須瞬間閉鎖，變成剛性支撐，限制設(shè)備產(chǎn)生過大的瞬間移動(dòng)。液壓阻尼器兩種功能的實(shí)現(xiàn)與阻尼閥是否閉鎖相關(guān)，閉鎖速度是液壓阻尼器的重要性能參數(shù)，因此有必要對(duì)阻尼器的閉鎖速度進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。

2 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)

液壓阻尼器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可簡(jiǎn)化為由一個(gè)單活塞桿系統(tǒng)的液壓裝置，分別在有桿腔和無桿腔布置了一組特殊結(jié)構(gòu)的阻尼閥，詳見圖1。在活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓油通過阻尼閥在主油缸和儲(chǔ)油腔之間流動(dòng)，液壓油流動(dòng)形成的壓差決定了阻尼閥的開啟、關(guān)閉，從而控制活塞的自由位移與鎖定。

圖1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 液壓阻尼器工作原理

當(dāng)被支撐設(shè)備處于正常工況時(shí)，設(shè)備正常熱脹冷縮而緩慢移動(dòng)，阻尼器活塞運(yùn)動(dòng)速度極小，因此活塞兩邊的壓差△P 很小，此時(shí)閥芯在閥芯彈簧的作用下處于“開口”狀態(tài)，液壓介質(zhì)可以自由流動(dòng)，此時(shí)阻尼器對(duì)設(shè)備的作用力很小，允許設(shè)備自由緩慢移動(dòng)。

當(dāng)被支撐設(shè)備受到偶發(fā)沖擊載荷作用，使活塞速度V 提升，活塞兩邊的壓差△P 增大，當(dāng)活塞速度形成的△P 足以克服閥芯彈簧力使閥芯關(guān)閉時(shí)（閉鎖速度），液壓介質(zhì)只能通過阻尼小孔進(jìn)行流動(dòng)，阻尼器活塞在外部載荷作用下以很小的速度移動(dòng)（閉鎖后速度）。阻尼器閉鎖后，表現(xiàn)為等效剛性支承件，可以提供阻尼力，從而實(shí)現(xiàn)減小振幅，保護(hù)設(shè)備的目的。

3 閉鎖速度性能計(jì)算與分析

3.1 阻尼閥閉鎖過程的理論計(jì)算

阻尼閥閉合前，根據(jù)液壓油在流經(jīng)孔口時(shí)的流量公式[1]，流經(jīng)阻尼閥芯孔的流量為：

式中：

Cd為流量系數(shù)，取0.6。

A0為孔口面積。

Δp為液壓油流經(jīng)阻尼閥的閥壓降。

ρ為液壓油密度。

Q為流量。

根據(jù)流體作定常流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程有：

式中：

A 為活塞截面積。

v為液壓阻尼器閉鎖速度。

阻尼閥關(guān)閉瞬間的受力情況可以用如下方程來描述：

式中：

Δp為液壓油流經(jīng)阻尼閥的閥壓降。

A1為閥芯受力面積。

k為閥芯彈簧剛度。

x為閥芯彈簧被壓縮長(zhǎng)度。

由公式（1）、（2）、（3）可得：

3.2 閉鎖速度分析

根據(jù)公式（1）-（4）分析，在液壓油密度和運(yùn)動(dòng)粘度、彈簧剛度參數(shù)和彈簧壓縮量、液壓阻尼器的缸徑和桿徑等設(shè)計(jì)參數(shù)固化后，液壓阻尼器閉鎖速度v與閥芯上開孔面積A0成正比。規(guī)格書要求液壓阻尼器閉鎖速度值應(yīng)≥3.5mm/min，通過調(diào)整閥芯上開孔直徑、開孔個(gè)數(shù)，現(xiàn)將650 噸液壓阻尼器的閉鎖速度設(shè)計(jì)為42mm/min。但公式（1）-（4）的計(jì)算未考慮閥芯圓周方向上的泄漏、閥芯開孔處制造精度等因素的影響，按理論計(jì)算得到的液壓阻尼器閉鎖速度與實(shí)際值必定存在誤差，還需通過試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)確定。

4 閉鎖速度性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用常州格林電力機(jī)械制造有限公司力學(xué)綜合試驗(yàn)中心的大型液壓阻尼器靜態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)：閉鎖特性測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試載荷范圍100kN～12800kN；低速摩擦阻力特性測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試載荷范圍0kN～100kN。其中閉鎖特性測(cè)試系統(tǒng)具有勻速緩慢加載功能；閉鎖特性測(cè)試系統(tǒng)具有快速加載功能。

試驗(yàn)對(duì)象為1 臺(tái)650 噸液壓阻尼器樣機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“樣機(jī)”），通過試驗(yàn)臺(tái)的閉鎖特性測(cè)試系統(tǒng)和低速摩擦阻力特性測(cè)試系統(tǒng)，分別進(jìn)行緩慢移動(dòng)和快速移動(dòng)活塞，模擬現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的使用工況，測(cè)定液壓阻尼器的速度-載荷關(guān)系曲線，并對(duì)所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定閉鎖速度。

室溫條件下，進(jìn)行5 項(xiàng)不同試驗(yàn)條件的測(cè)試：

（1）將樣機(jī)安裝在大型液壓阻尼器靜態(tài)性能-低速摩擦阻力特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加20mm/min的速度，勻速移動(dòng)活塞，測(cè)量該條件下的載荷值。若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量到的載荷急速增大，可停止試驗(yàn)。

（2）將樣機(jī)安裝在大型液壓阻尼器靜態(tài)性能-低速摩擦阻力特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加35mm/min的速度，勻速移動(dòng)活塞，測(cè)量該條件下的載荷值。若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量到的載荷急速增大，可停止試驗(yàn)。

（3）將樣機(jī)安裝在大型液壓阻尼器靜態(tài)性能-低速摩擦阻力特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加45mm/min的速度，勻速移動(dòng)活塞，測(cè)量該條件下的載荷值。若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量到的載荷快速增大，可停止試驗(yàn)。

（4）將樣機(jī)安裝在大型液壓阻尼器靜態(tài)性能-閉鎖特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加在30s 內(nèi)達(dá)到300mm/min 的速度條件，快速移動(dòng)活塞，測(cè)量該條件下的速度值和載荷值。

（5）將樣機(jī)安裝在大型液壓阻尼器靜態(tài)性能-閉鎖特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加在70s 內(nèi)達(dá)到300mm/min 的速度條件，快速移動(dòng)活塞，測(cè)量該條件下的速度值和載荷值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過4.1 節(jié)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)條件，得到樣機(jī)在不同加載條件下的速度和載荷：

（1）在試驗(yàn)臺(tái)以20mm/min 的速度勻速移動(dòng)活塞，持續(xù)移動(dòng)100s 時(shí)間中，載荷值未有明顯變化，測(cè)得載荷值為12.2kN。

（2）在試驗(yàn)臺(tái)以35mm/min 的速度勻速移動(dòng)活塞，持續(xù)移動(dòng)100s 時(shí)間中，載荷值未有明顯變化，測(cè)得載荷值為12.8kN。

（3）在試驗(yàn)臺(tái)以45mm/min 的速度勻速移動(dòng)活塞過程中，載荷值快速上升，持續(xù)移動(dòng)10s 后停止試驗(yàn)，測(cè)得載荷峰值為33.4kN。

（4）試驗(yàn)臺(tái)施加在30s 內(nèi)達(dá)到300mm/min 的速度條件，快速移動(dòng)活塞，載荷值從100kN 開始急劇上升，測(cè)得的速度值隨著載荷上升仍在增加。當(dāng)測(cè)得的載荷值達(dá)到6700kN 時(shí)，速度值快速下降，測(cè)得的載荷值穩(wěn)定在6720kN 后，速度值也保持穩(wěn)定。整個(gè)試驗(yàn)過程試驗(yàn)臺(tái)持續(xù)移動(dòng)活塞20s 后停止試驗(yàn)，測(cè)得載荷最大值為6720kN，速度最大值為92.7mm/min，速度最小值為4.1mm/min。

（5）試驗(yàn)臺(tái)施加在70s 內(nèi)達(dá)到300mm/min 的速度條件，快速移動(dòng)活塞，載荷值從100kN 開始急劇上升，測(cè)得的速度值隨著載荷上升仍在增加。當(dāng)測(cè)得的載荷值達(dá)到6600kN 時(shí)，速度值快速下降，測(cè)得的載荷值穩(wěn)定在6660kN 后，速度值也保持穩(wěn)定。整個(gè)試驗(yàn)過程試驗(yàn)臺(tái)持續(xù)移動(dòng)活塞40s 后停止試驗(yàn)，測(cè)得載荷最大值為6661kN，速度最大值為56mm/min，速度最小值為4.2mm/min。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

第一，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果（1）、（2）和試驗(yàn)結(jié)果（3），可以看出樣機(jī)在20mm/min 和35mm/min 速度下持續(xù)移動(dòng)測(cè)得的載荷未發(fā)生明顯變化，可以判斷測(cè)得的載荷為阻尼器在低速運(yùn)動(dòng)情況下，由于阻尼器運(yùn)動(dòng)部件上安裝的密封件和運(yùn)動(dòng)部件自重在摩擦狀態(tài)下產(chǎn)生的阻力，此時(shí)液壓阻尼器未發(fā)生閉鎖。樣機(jī)在45mm/min 速度下測(cè)到載荷在超過低速摩擦阻力（12.8kN）后仍快速增大，持續(xù)測(cè)試下，載荷峰值達(dá)到33.4kN，可以判斷液壓阻尼器內(nèi)部阻尼閥發(fā)生閉鎖，因?yàn)橹挥凶枘衢y關(guān)閉，液壓油無法通過閥芯上的開孔順暢流通，反饋給試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的載荷才能快速上升。

通過上述分析，阻尼器的閉鎖速度在35mm/min 至45mm/min 之間，受限于試驗(yàn)設(shè)備和系統(tǒng)的精度，未能精確測(cè)得閉鎖速度值，但分析得到的閉鎖速度范圍值與理論計(jì)算得到的閉鎖速度值（42mm/min）基本相符，現(xiàn)暫定該樣機(jī)閉鎖速度值為45mm/min，以便進(jìn)行下一步分析。

第二，由試驗(yàn)結(jié)果（4）和試驗(yàn)結(jié)果（5）可以看出，液壓阻尼器閉鎖速度實(shí)測(cè)值分別為92.7mm/min 和56mm/min，都大于理論計(jì)算值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，阻尼閥在45mm/min 速度下已經(jīng)閉鎖，液壓阻尼器內(nèi)部工作腔壓強(qiáng)隨著外載荷的增大迅速升高。當(dāng)外部載荷增大至6700kN，阻尼器內(nèi)部工作壓強(qiáng)升至52MPa，由于液壓油在高壓下存在可壓縮性，再疊加金屬承載零件在大載荷下出現(xiàn)彈性變形，導(dǎo)致液壓阻尼器運(yùn)動(dòng)部件在阻尼閥閉鎖后仍會(huì)有微量位移，在此過程中，試驗(yàn)臺(tái)施加的速度超過45mm/min 后仍會(huì)瞬間上升至峰值再降低到閉鎖后速度，因此速度傳感器采集到的峰值速度必定大于理論計(jì)算值。

試驗(yàn)條件（4）比試驗(yàn)條件（5）的加載速度更快，即試驗(yàn)過程中施加的加速度更大，因此測(cè)得的閉鎖速度值也是試驗(yàn)結(jié)果（4）更大。

5 結(jié)語

本文針對(duì)液壓阻尼器閉鎖速度的性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討分析，并與不同試驗(yàn)條件的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比研究，得到如下結(jié)論。

1.在被保護(hù)對(duì)象緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓阻尼器閉鎖速度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值基本相符，理論計(jì)算方法可用于阻尼閥的初步性能設(shè)計(jì)。

2.在被保護(hù)對(duì)象受到偶發(fā)沖擊載荷作用時(shí)，由于受液壓油的可壓縮性、金屬零件的彈性變形因素影響，液壓阻尼器閉鎖速度實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，且隨沖擊工況加速度增大而增大。

3.以上兩種工況下雖然閉鎖速度值不相同，但都是液壓阻尼器的實(shí)際性能。液壓阻尼器作為被動(dòng)型阻尼裝置，其閉鎖速度與被保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)工況相關(guān)。