閥門自動啟閉裝置的研制與應用

楊 墾，李宏博，王 穎

(核動力運行研究所，湖北 武漢 430070)

閥門的開啟/關閉是核電站閥門調試、維修、維護和保養過程中的常規操作[1]。目前，國內核電站在執行上述操作時通常采用手動啟閉的方法。對于部分啟動力矩及行程較大的閥門，手動啟閉時可能需要2～3人同時操作，耗時可達1 h以上。啟閉過程中需要操作人員持續對閥門手輪施加扭矩，對于所處區域輻射強度較高的閥門，過長的操作時間會增加操作人員的受照劑量。

針對上述問題，研制了一套閥門自動啟閉裝置，實現閥門開啟/關閉的自動化，有助于減小操作人員勞動強度，提高生產效率。該裝置整體輕巧，安裝便捷，支持電池、電源、氣源等多種供能方式，允許用戶遠程操作，減少操作人員受照劑量。

1 裝置整體結構與工作原理

以電動調節閥為例，閥門結構可分為手輪、電動執行機構、軛架、閥桿、閥瓣、閥體等組成部分。其中，手輪用于在執行機構停止工作的狀態下實現閥門的開啟/關閉。手輪轉動時，帶動閥桿向上/向下運動，改變閥瓣與閥體間的間隙，從而實現閥門的開啟/關閉動作。

根據功能需求，設計裝置結構如圖1所示。裝置由動力源、傳動模塊、夾持模塊及自固定模塊組成。其中，動力源選用扭矩槍，可采用電池、電源或氣源功能，操作便捷；附帶遠程操作功能，可使操作人員作業時遠理高輻射區域，減少受照劑量。扭矩輸出范圍為70～300 N·m，可覆蓋大部分閥門的開啟扭矩需求范圍；傳動模塊通過齒輪盒組件、基座及支腿組件將扭矩傳遞至手輪；夾持模塊通過夾爪組件實現對手輪的夾持，帶動手輪轉動；自固定模塊通過軛架夾緊件及連桿組件保持正常工況下裝置主體與操作對象(閥門)間的相對位置恒定，確保裝置平穩運行。

圖1 裝置總裝配圖Fig.1 General assembly of the device 1—扭矩槍；2—夾爪組件；3—齒輪盒組件；4—基座；5—連桿組件;6—支腿組件;7—軛架夾緊件;8—閥桿;9—軛架

2 功能模塊設計

2.1 傳動模塊

傳動模塊依照：扭矩槍—主動輪—從動輪—支腿組件—手輪的傳動鏈順序將扭矩傳遞給手輪。齒輪盒組件及基座結構如圖2所示。

圖2 齒輪盒及基座結構圖Fig.2 Structure of the gear box and the base 1—主動輪;2—從動輪;3—基座

從動輪與基座間通過周向分布的卡齒及卡槽間的配合實現扭矩傳遞及周向定位；通過彈性擋圈、擋塊、從動輪內表面周向分布的滑動槽間的配合實現軸向定位。從動輪及基座采用中空結構，避免閥桿對裝置的安裝產生干涉。

非工作狀態下，可依次卸下彈性擋圈及擋塊實現基座與齒輪盒組件的分離，并收起支腿以減小占用空間，如圖3所示。

圖3 收起狀態下的傳動模塊Fig.3 Transmission module in a collapsed state

2.2 夾持模塊

夾持模塊與手輪及支腿裝配關系如圖4所示[2]。夾爪上瓣開有方形槽，與傳動模塊末端的支腿相連組成導軌滑塊機構，可適應不同手輪半徑，實現快速裝夾。通過調整上、下爪瓣間的張角，可適應不同手輪的環形表面，增大接觸面積[3]。該模塊可實現外圈直徑300～800 mm，環形表面直徑20～40 mm的手輪夾持。

圖4 夾持模塊結構圖Fig.4 Structure of the clamping module 1—夾爪上瓣;2—夾爪連接件;3—夾爪下瓣; 4—鎖緊螺母;5—手輪

2.3 自固定模塊

自固定模塊結構如圖5所示。該模塊通過軛架夾緊件對閥門軛架兩平行外表面施加夾持作用以實現裝置的自固定，以允許裝置安裝完成后用戶遠程操作扭矩槍控制裝置的啟停，減小操作人員受照劑量。連桿間通過末端互相嚙合的梯形齒實現桿間夾角定位，允許在非工作狀態下以15°為單位進行夾角調整，達到調整裝置高度，適應不同的軛架—手輪間距的目的[4]。工作狀態下，通過螺紋連接實現桿間夾角的鎖死。

圖5 自固定模塊結構圖Fig.5 Structure of the self-securing module 1—扭矩槍連接件;2—齒輪盒連接件;3—連桿組件;4—軛架夾緊件

3 重要結構有限元分析

分別以裝置的自固定模塊及傳動模塊為研究對象進行有限元分析，以對其強度進行驗證。

3.1 基本參數

裝置整體采用7075-T6鋁合金制造，其主要力學參數如表1所示。

7075-T6鋁合金為塑性材料，其安全系數取值通常為1.5～2，取自固定模塊安全系數為1.5，傳動模塊安全系數為2，則許用應力[σ]1=336.7 MPa，[σ]2=252.5 MPa。

表1 7075-T6鋁合金主要力學性能指標

3.2 邊界條件

為便于計算，對齒輪單獨進行強度校核，不納入傳動模塊分析范圍。該模塊計算邊界由基座開始。根據裝置工作原理，對研究對象施加相應約束及載荷。自固定模塊的約束位于扭矩槍連接件與齒輪盒連接件的接觸面以及軛架夾緊件與軛架的接觸面；載荷位于扭矩槍連接件上，取載荷大小為300 N·m(扭矩槍最大輸出載荷)。傳動模塊的約束位于基座及夾爪上；載荷位于基座上，載荷大小為312 N·m。

3.3 計算結果

根據ANSYS Workbench的計算結果，自固定模塊及傳動模塊的應力分布分別如圖6(a)(b)所示。自固定模塊最大應力為309.1 MPa< [σ]1，位于扭矩槍連接件與扭矩槍接觸面。傳動模塊應力主要集中分布在基座與支腿連接處及基座與從動輪連接處；最大應力為162.7 MPa<[σ]2，位于基座與支腿接觸面。材料強度滿足要求。

圖6 關鍵模塊應力分布Fig.6 Stress distribution of key modules

4 裝置穩定性實驗

根據啟閉工具設計方案完成進行加工及安裝，完成了自動啟閉裝置的研制。為驗證該裝置的穩定性，分別將該裝置應用于水平流向及豎直流向的閥門上進行穩定性實驗，如圖7所示。其中閥門(a)手輪直徑300 mm，環形表面直徑20 mm；閥門(b)手輪直徑500 mm，環形表面直徑40 mm。

圖7 裝置穩定性實驗Fig.7 Stability test for the device

該裝置在用于上述閥門的自動啟閉過程中安裝牢固、定位可靠，在閥門全行程中傳動平穩，無卡澀、晃動等現象。

5 結論

根據閥門結構特征及動作原理，提出設計需求，設計了一種閥門自動啟閉裝置，通過關鍵部分的有限元計算對其強度進行了校核，完成裝置的制造并進行穩定性實驗。實驗結果表明，該裝置能夠實現預期功能，具有傳動平穩，固定、裝夾可靠的特點，有助于降低閥門調試、維修、維護保養過程中的人力消耗，減小操作人員受照劑量，提高生產效率。