平衡環(huán)式支承結(jié)構(gòu)制造及靜載荷試驗(yàn)

李夢(mèng)啟，王偉光，曲大莊，李偉，武中德

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

非能動(dòng)式三代核電反應(yīng)堆采用了屏蔽式核主泵，核主泵屏蔽電機(jī)水潤(rùn)滑推力軸承承擔(dān)機(jī)組推力載荷。水潤(rùn)滑推力軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性受到了各方面的關(guān)注[1-3]，該軸承推力瓦材質(zhì)一般為石墨或碳基復(fù)合材料，耐沖擊能力有限。在剛性支承系統(tǒng)條件下，瓦塊間載荷分布均勻性較差，造成個(gè)別推力瓦磨損嚴(yán)重，石墨瓦面甚至發(fā)生脫落，給反應(yīng)堆冷卻劑回路穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。

非能動(dòng)設(shè)計(jì)方案對(duì)反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)在瞬態(tài)工況下可靠性要求較高，需提高水潤(rùn)滑推力瓦之間載荷分布的均勻性，將傳統(tǒng)的剛性支承系統(tǒng)更改為柔性支承系統(tǒng)。柔性支承系統(tǒng)主要有3種結(jié)構(gòu)：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(duì)軸向變形較為敏感，在調(diào)整高度差時(shí)對(duì)固有頻率有影響。小圓柱式支承剛度穩(wěn)定可調(diào)，但推力瓦高度差自調(diào)整能力差。平衡搭塊式支承結(jié)構(gòu)[4]可較好地調(diào)整推力瓦高度差，但需要嚴(yán)格控制預(yù)緊力，因?yàn)橥屏S承固有頻率與預(yù)緊力關(guān)系密切，設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)容易引起共振；平衡搭塊式支承制造安裝比較復(fù)雜。

曲大莊等發(fā)明了平衡環(huán)式支承結(jié)構(gòu)[5]，具有自動(dòng)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(huán)式支承結(jié)構(gòu)降低了支承系統(tǒng)的復(fù)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(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

平衡環(huán)式自平衡支承將上平衡體與下平衡體通過Z形立筋結(jié)構(gòu)完成周向閉環(huán)連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。平衡環(huán)結(jié)構(gòu)有兩大特點(diǎn)：一是均載，即各推力瓦載荷存在較大差值時(shí)可自動(dòng)調(diào)整各推力瓦高度，使其載荷波動(dòng)幅值限制在±10%，提高了水潤(rùn)滑推力軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性；二是結(jié)構(gòu)連續(xù)性，即平衡環(huán)為上下平衡體整體連續(xù)，提高了水潤(rùn)滑推力軸承的可靠性。

圖1 平衡環(huán)支承結(jié)構(gòu)

2 平衡環(huán)試制及檢驗(yàn)

該平衡環(huán)周向、軸向剛度相比普通環(huán)形件要小很多，因此平衡環(huán)采用整體一次性加工，為抑制各平衡體間變形，需設(shè)計(jì)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(huán)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(huán)鍛件固定在胎具上，外圓均勻布置多處夾具，圓環(huán)鍛件按基準(zhǔn)找正，在胎具上表面加工出與平衡環(huán)下方對(duì)應(yīng)的凸起部分，以避免在加工平衡環(huán)正面時(shí)刀具載荷過大，導(dǎo)致平衡環(huán)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(jù)平衡環(huán)尺寸控制此處間隙為0.05～0.10 mm，采取壓塊鎖緊兩側(cè)的上、下平衡體，以限制平衡環(huán)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(huán)加工

加工中需要有一次工件翻面，因此在平衡環(huán)外圓存在不大于0.02 mm的圓形接刀痕跡，對(duì)外圓的影響不超過公差帶約束，不影響平衡環(huán)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(yīng)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(huán)對(duì)上、下平衡體及Z形立筋形位公差有嚴(yán)格控制，要求上平衡體矩形凸臺(tái)整體平面度不大于0.10 mm；Z形立筋內(nèi)圓中心位置度不大于0.3 mm；Z形立筋右側(cè)面與上平衡體上平面的垂直度1、Z形立筋右側(cè)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(biāo)儀測(cè)量，測(cè)量支柱3點(diǎn)圓周布置，三坐標(biāo)設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 三坐標(biāo)設(shè)備參數(shù)

三坐標(biāo)檢測(cè)上平衡體矩形凸出平臺(tái)整體平面度為0.087 mm；12個(gè)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(shù)要求，其中Z形立筋內(nèi)圓為銑刀擬合軌跡，測(cè)值離散性相對(duì)較大，但仍符合要求。

表2 平衡環(huán)三坐標(biāo)檢測(cè)值

3 平衡環(huán)靜載荷試驗(yàn)

通過模擬推力瓦偏載工況，測(cè)試相鄰處上平衡體高度差自調(diào)整功能，將樣機(jī)尺寸平衡環(huán)固定在剛度較好的試驗(yàn)平臺(tái)上(圖4)，并布置測(cè)量?jī)x。采用加載水壓千斤頂，在不同加載點(diǎn)布置千斤頂頂頭，通過壓力表控制加載幅值，載荷不同時(shí)采用多個(gè)水壓千斤頂。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖4a所示，限位平臺(tái)和油壓機(jī)平臺(tái)采用250T四柱油壓機(jī)；試驗(yàn)支架放置在油壓機(jī)平臺(tái)上；內(nèi)、外圈限位銷安裝在試驗(yàn)支架上，作為軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)徑向和周向的限位使用；平衡環(huán)下落時(shí)其下平衡體限位孔與內(nèi)、外圈限位銷保持對(duì)應(yīng)；水壓千斤頂放置在上平衡體矩形凸出平臺(tái)上；限位平臺(tái)緩慢下降至與千斤頂頂頭間隙為1 mm時(shí)停止，操作千斤頂緩慢升起頂頭與限位平臺(tái)平面接觸。

測(cè)試系統(tǒng)布局如圖4b所示，在1#～4#上平衡體右側(cè)的每個(gè)Z形立筋上布置應(yīng)變片，應(yīng)變片引線接入電橋轉(zhuǎn)換端子，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，電壓信號(hào)進(jìn)入動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀處理后輸出至應(yīng)變顯示模塊，以微應(yīng)變值形式顯示在計(jì)算機(jī)終端。應(yīng)變片型號(hào)為KFW-5-120-C1-11L5M3R，采用IOtech6224動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)x，電橋轉(zhuǎn)換端子和應(yīng)變顯示模塊平臺(tái)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(shè)置百分表，測(cè)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(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)布局圖

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)平衡環(huán)有6個(gè)上平衡體、6個(gè)下平衡體和12個(gè)Z形立筋，如圖4b所示標(biāo)號(hào)。使用水壓千斤頂在上平衡體矩形凸臺(tái)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(shí)現(xiàn)加載點(diǎn)壓力載荷的間接控制，通過水壓的不同分段模擬水潤(rùn)滑軸承在運(yùn)行時(shí)工況的變化。百分表測(cè)量加載時(shí)上平衡體和下平衡體的高度位移，同時(shí)通過應(yīng)變片測(cè)試獲得1#～4#上平衡體右側(cè)Z形立筋的壓縮或拉伸應(yīng)力，分析后期是否進(jìn)行疲勞研究，微應(yīng)變?yōu)檎荡砝欤?yīng)變?yōu)樨?fù)值代表壓縮。

3.3 試驗(yàn)方案

為考核平衡環(huán)載荷自調(diào)整能力，設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)方案，即對(duì)稱均載、對(duì)稱偏載和鄰近均載，形成3種試驗(yàn)工況見表3。

試驗(yàn)中存在3種加載力，根據(jù)水壓千斤頂頂頭的有效加載面積可以計(jì)算出3種載荷對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的額定加載壓力。

表3 試驗(yàn)方案

表4 加載載荷與水壓千斤頂水壓對(duì)應(yīng)表

3.4 試驗(yàn)結(jié)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(yīng)變?nèi)鐖D6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(yīng)變?nèi)鐖D8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(yīng)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(yīng)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(yīng)變?nèi)鐖D10所示。

3.5 結(jié)果分析

3種方案的上平衡體高度方向形變位移規(guī)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(huì)在高度方向向上移動(dòng)，具有補(bǔ)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(cè)Z形立筋均處于壓縮狀態(tài)，并且在非均勻加載時(shí)4#上平衡體右側(cè)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(shí)，1#，3#上平衡體右側(cè)的Z形立筋均處于壓縮狀態(tài)，2#，4#上平衡體右側(cè)Z形立筋均處于拉伸狀態(tài)，并且4#比2#拉伸值更大，這是因?yàn)樵?#和5#之間下平衡體設(shè)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(yīng)變值

分析結(jié)果表明，加載處上平衡體附近Z形連接立筋處于壓縮狀態(tài)，與之相鄰上平衡體附近Z形連接立筋處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)平衡環(huán)支承結(jié)構(gòu)自身動(dòng)態(tài)補(bǔ)償高度差時(shí)，Z形連接立筋處于拉伸、壓縮的交變應(yīng)力狀態(tài)，需進(jìn)一步關(guān)注結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

4 推力軸承臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

將制造完成的平衡環(huán)安裝在水潤(rùn)滑推力軸承中，推力軸承臺(tái)架試驗(yàn)如圖12所示。拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)提供旋轉(zhuǎn)所必須的扭矩；加載推力軸承為試驗(yàn)提供加載載荷，加載推力軸承底部油缸油壓提高時(shí)，壓力通過油缸支柱、推力瓦將載荷加載至加載推力盤，進(jìn)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(nèi)含彈簧預(yù)載荷結(jié)構(gòu)，此時(shí)下推力軸承與雙向推力盤的下推力盤跟隨接觸，以驗(yàn)證(模擬)核主泵水潤(rùn)滑軸承真實(shí)工作狀態(tài)。

試驗(yàn)臺(tái)架含有2種加載模式，即靜載荷非旋轉(zhuǎn)加載和靜載荷旋轉(zhuǎn)加載。在靜載荷非旋轉(zhuǎn)工作模式下，臺(tái)架拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)，僅加載軸承為被試推力軸承提供靜載荷，以考核平衡環(huán)在非旋轉(zhuǎn)工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在靜載荷旋轉(zhuǎn)工作模式下，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)對(duì)被試軸承施加軸向靜載荷，在不考慮偏載的情況下驗(yàn)證平衡環(huán)的可靠性。

圖11 平衡環(huán)支承結(jié)構(gòu)推力軸承臺(tái)架試驗(yàn)

非旋轉(zhuǎn)模式靜載荷為165 kN，旋轉(zhuǎn)模式上推力軸承靜載荷見表5，分3個(gè)過程依次進(jìn)行。

表5 旋轉(zhuǎn)模式靜載荷加載過程

4.2 檢測(cè)

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

圖12 平衡環(huán)PT檢測(cè)位置

PT檢驗(yàn)核電標(biāo)準(zhǔn)為HMC/NN-EDP2014-004，檢測(cè)時(shí)要求：表面溫度為18 ℃，表面粗糙度Ra不大于6.3 μm。檢測(cè)方法為非熒光熔劑去除型，預(yù)清洗干燥時(shí)間為5 min，滲透時(shí)間為15 min，清洗劑型號(hào)為WUR-T/150105，滲透劑型號(hào)為WUP-T150105；照明設(shè)備為NDE007，檢測(cè)距離為300 mm，照度計(jì)型號(hào)為TES1339/NDE003，顯像劑型號(hào)為WUD-T/150105，多余滲透劑去除后，顯像劑施加前干燥時(shí)間控制為3 min，顯像時(shí)間為15 min。

經(jīng)過PT檢測(cè)，3處檢驗(yàn)區(qū)域均無線性裂紋顯示，表明在經(jīng)過結(jié)構(gòu)及加工工藝優(yōu)化后，平衡環(huán)式支承結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全有效。

6 結(jié)束語(yǔ)

平衡環(huán)結(jié)構(gòu)為整體式，加工用時(shí)少，不需要多次調(diào)整基準(zhǔn)，周向剛度較好。平衡環(huán)在加工時(shí)增加了新式支承結(jié)構(gòu)胎具，有效控制了形位公差。

提出了一種用于測(cè)試平衡環(huán)支承結(jié)構(gòu)靜載荷自平衡能力的新方法。通過以上研究及測(cè)試，分析后得出結(jié)論：

1)不同推力瓦的高度偏差導(dǎo)致載荷不均勻時(shí)，平衡環(huán)結(jié)構(gòu)具備一定的自調(diào)整能力。

2)平衡環(huán)在調(diào)整高度差時(shí)，Z形立筋一直處于拉伸、壓縮的交變應(yīng)力狀態(tài)。

3)推力軸承進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，平衡環(huán)在非旋轉(zhuǎn)靜載荷及旋轉(zhuǎn)靜載荷2種工況下工作穩(wěn)定。

4)尚需進(jìn)一步研究在去離子水中推力載荷波動(dòng)時(shí)，平衡環(huán)結(jié)構(gòu)的動(dòng)載荷疲勞壽命規(guī)律。