核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器抗震試驗(yàn)研究

郭慶，韓松，邱文，李濤

(1. 揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠，江蘇揚(yáng)州225003;2. 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110016)

0 前言

為保證核電站的安全運(yùn)行，核電站所使用的設(shè)備、建筑等都必須經(jīng)過相應(yīng)的抗震試驗(yàn)，以保證其抗震能力能夠在平時(shí)可能地震的情況下對(duì)核電站的運(yùn)行不造成影響。并且在有可能發(fā)生的最嚴(yán)酷地震狀況下仍能做到安全停堆［1－2］。核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器是用于控制核電站的相關(guān)電動(dòng)閥門［3－4］，從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是核電站的重要設(shè)備之一。核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器作為核電站的重要設(shè)備，必須要驗(yàn)證核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器的抗震性能，因此要進(jìn)行電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)際工況的抗震試驗(yàn)。以下著重介紹了研究SDQH 型核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器的抗震試驗(yàn)。

1 電動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)成及參數(shù)

SDQH 型核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器主要是開啟和關(guān)閉核電站的風(fēng)閥、閘閥、截止閥等，其主要由罩蓋，下殼體、連接盤、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手動(dòng)部件、電氣組件及傳動(dòng)部件等零部件構(gòu)成，如圖1 所示。傳動(dòng)部件由一對(duì)正齒輪及NN 型少齒差行星齒輪組成。主要技術(shù)參數(shù)如表1［5］。

圖1 SDQH 型結(jié)構(gòu)圖

2 抗震試驗(yàn)

抗震試驗(yàn)的目的是通過試驗(yàn)，驗(yàn)證SDQH 型樣機(jī)在地震載荷作用下能否正常工作，是否能保持其完整性和可運(yùn)行性。

表1 技術(shù)參數(shù)

SDQH25 型和SDQH50 型核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器抗震試驗(yàn)所用的設(shè)備分別為中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核級(jí)設(shè)備鑒定試驗(yàn)室6 m×6 m 大型高性能地震模擬試驗(yàn)臺(tái)和同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)室4 m×4 m 地震模擬振動(dòng)臺(tái)。抗震試驗(yàn)按照實(shí)際工況安裝，將SDQH 型核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器與風(fēng)閥固定連接，同時(shí)被安裝在振動(dòng)臺(tái)面上，通過振動(dòng)臺(tái)施加與預(yù)計(jì)地震等效的激勵(lì)，并測(cè)試被測(cè)設(shè)備的響應(yīng)。安裝設(shè)備的方案如圖2 所示，SDQH25 型和SDQH50 型與風(fēng)閥安裝方案相同。坐標(biāo)系的建立見圖2，原點(diǎn)設(shè)置在連接盤底部中心處，Y 軸正向?yàn)檫B接盤垂直方向，Z 軸正向?yàn)槭直较颉Ｍ瑫r(shí)在罩蓋處和手輪處分別設(shè)置加速度傳感器測(cè)點(diǎn)。在地震試驗(yàn)前首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性探查測(cè)試，然后經(jīng)過5 次小量級(jí)的OBE 地震模擬試驗(yàn)和1 次大量級(jí)的SSE 地震模擬試驗(yàn)。

圖2 設(shè)備安裝及加速度測(cè)點(diǎn)

2.1 動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)

通過動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)查明設(shè)備的固有頻率和阻尼比，獲得設(shè)備的固有動(dòng)態(tài)特性，并以此為基礎(chǔ)，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的合理性或?qū)?shù)學(xué)模型進(jìn)行修正，選擇抗震試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)方法。試驗(yàn)中，在電動(dòng)執(zhí)行器3 個(gè)正交軸方向進(jìn)行激振，輸入加速度幅值為0.2g，激勵(lì)類型為正弦掃頻，掃描歷時(shí)120 s。

樣機(jī)的固有頻率可通過頻譜圖得到，圖3 和圖4所示為X、Y、Z 3 個(gè)方向的頻譜圖。

圖3 SDQH25 型頻譜圖

圖4 SDQH50 型頻譜圖

從圖3 和圖4 中可以看出SDQH25 樣機(jī)X 方向的固有頻率大于100 Hz;Y 方向的固有頻率為85.11 Hz;Z 方向的固有頻率為15.05 Hz。SDQH50 樣機(jī)X方向的固有頻率為15 Hz;Y 方向的固有頻率為21.25 Hz;Z 方向的固有頻率為15.25 Hz。樣機(jī)3 個(gè)方向的固有頻率相對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)所測(cè)值［6］下降，在振動(dòng)試驗(yàn)中，SDQH25 型X、Y、Z 方向的固有頻率分別為:大于200 Hz、74.6 Hz、63.3 Hz，SDQH50 型X、Y、Z方向的固有頻率分別為:131 Hz、132.6 Hz、129.2 Hz。這主要是由于樣機(jī)在振動(dòng)試驗(yàn)中是直接與振動(dòng)臺(tái)相連，而在抗震試驗(yàn)中是按照實(shí)際工況與風(fēng)閥相連并固定在振動(dòng)臺(tái)面上。

2.2 抗震試驗(yàn)

圖5 抗震試驗(yàn)響應(yīng)譜圖

抗震試驗(yàn)采用多頻波法［7］，用人工模擬加速度時(shí)程控制，時(shí)程由要求的響應(yīng)譜RRS 計(jì)算生成，同時(shí)由該人工模擬加速度時(shí)程所轉(zhuǎn)換得到的目標(biāo)響應(yīng)譜TRS 必須包絡(luò)RRS。試驗(yàn)要求的響應(yīng)譜如圖5 所示，其頻率范圍為0.2 ～100 Hz，阻尼比為4%。按照要求的地震加速度響應(yīng)譜，生成的人工模擬地震波作為輸入信號(hào)激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面進(jìn)行抗震試驗(yàn)。

地震響應(yīng)［8－9］是指抗震試驗(yàn)中被試設(shè)備對(duì)輸入激勵(lì)的放大情況。地震響應(yīng)與被試設(shè)備的自振特性、地震輸入頻譜以及振動(dòng)量級(jí)有關(guān)，是被試設(shè)備對(duì)地震輸入綜合反應(yīng)的結(jié)果。表2 為被試設(shè)備測(cè)點(diǎn)處加速度響應(yīng)的最大峰值(絕對(duì)值)。從表2 中可見，在SSE 地震模擬試驗(yàn)中，SDQH25 型在相同位置測(cè)點(diǎn)的加速度高于SDQH50 型的測(cè)點(diǎn)值，這主要是由于SDQH50 與SDQH25 質(zhì)量和質(zhì)心位置不同以及振動(dòng)臺(tái)等綜合因素產(chǎn)生的樣機(jī)對(duì)地震加速度響應(yīng)的差異;SDQH25 型手輪測(cè)點(diǎn)處的加速度反應(yīng)最大，三軸向峰值分別為15.9g、20g、14.9g。在整個(gè)抗震試驗(yàn)中，SSE 地震模擬試驗(yàn)最為嚴(yán)酷，圖6 和圖7 所示為抗震試驗(yàn)的SSE 地震模擬試驗(yàn)加速度時(shí)程圖。從圖6 和圖7 中可以看出，試驗(yàn)時(shí)間約為30 s，其中強(qiáng)震時(shí)間超過20 s。樣機(jī)在SSE 試驗(yàn)前處于開啟狀態(tài)，試驗(yàn)開始后在強(qiáng)震過程中操作電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)閥進(jìn)行關(guān)閉。試驗(yàn)中，被試設(shè)備工作處在正常運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后，被試設(shè)備始終保持其完整性。

表2 設(shè)備測(cè)點(diǎn)處加速度響應(yīng)

圖6 SDQH25 型SSE 地震模擬試驗(yàn)的加速度時(shí)程

圖7 SDQH50 型SSE 地震模擬試驗(yàn)的加速度時(shí)程

3 結(jié)束語

綜上所述，在對(duì)SDQH25 型和SDQH50 型樣機(jī)進(jìn)行規(guī)定的抗震試驗(yàn)后，試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行器在地震載荷作用下能正常工作，并且樣機(jī)結(jié)構(gòu)及工作性能保持完好。

［1］徐劍峰，徐建平，郭愛華．核電站電氣設(shè)備抗震試驗(yàn)方法探討［C］．第一屆中國(國際)核電儀控技術(shù)大會(huì)．北京:中國核學(xué)會(huì)，2011．

［2］FRANO R Lo，F(xiàn)ORASASSI G．Preliminary Evaluation of the Seismic Response of the ELSY LFR［J］．Nuclear Engineering and Design，2012，242:361－368．

［3］翟歡樂，余于仿，張為，等．核級(jí)閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)抗震分析與試驗(yàn)［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2012，41(7):171－174．

［4］RAHMAN MS，BANIK SC．A Sofeware Based Electric Actuator Control System with Robotic Arm-alearning for Undergraduate Students［J］．International Journal of General Engineering and Technology，2013，2(1):15－24．

［5］余于仿．小轉(zhuǎn)矩多回轉(zhuǎn)核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的研制［J］．閥門，2009(4):35－36．

［6］SDQH 型式試驗(yàn)報(bào)告［Z］．中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院二所，2003．

［7］方慶賢．關(guān)于核級(jí)設(shè)備的靜動(dòng)態(tài)抗震試驗(yàn)的思考［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2008，42(Z2):609－611．

［8］張鈺．電工電子設(shè)備機(jī)柜的地震試驗(yàn)［J］．電器工業(yè)，2003(8):48－51．

［9］BHARTI S D，DUMNE S M，SHRIMALI M K．Seismic Response Analysis of Adjacent Buildings Connected with MR Dampers［J］．Engineering Structures，2010，32(8):2122－2133．