一種核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩保護(hù)裝置

朱 瑄，陳 根，陳寶龍

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

0 引言

核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是核電站重要的電氣設(shè)備，主要用于控制核電站閥門。整個(gè)“十三五”期間，我國(guó)核電行業(yè)經(jīng)歷了3年“零核準(zhǔn)”，于2019年迎來重啟，新項(xiàng)目陸續(xù)核準(zhǔn)、開工，后續(xù)項(xiàng)目開啟“排隊(duì)”模式。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的迫切要求，特別是近期提出的“碳達(dá)峰，碳中和”的要求，核電作為清潔能源之一，自然成為國(guó)家電力重點(diǎn)發(fā)展的方向。為保障能源供應(yīng)安全，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，未來幾年核電建設(shè)規(guī)模還將繼續(xù)擴(kuò)大。面對(duì)如此大的發(fā)展機(jī)遇，國(guó)內(nèi)的核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造水平與科技發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，主要體現(xiàn)在設(shè)備穩(wěn)定性和對(duì)核電廠復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性上。我國(guó)目前在役核電站中，除秦山一期、二期中使用部分國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，其它核島和常規(guī)島部分所用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)幾乎全部進(jìn)口[1]，主要原因是國(guó)內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供貨批量小，國(guó)內(nèi)配套能力不夠。目前，核級(jí)閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)較少，自動(dòng)控制水平低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定[2]，導(dǎo)致核電廠應(yīng)用很少。因此，制造具有高性能和高穩(wěn)定性的核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，打破國(guó)外對(duì)這一領(lǐng)域的壟斷具有重要戰(zhàn)略意義。

核電作為一種高效的清潔能源，因其特殊的使用環(huán)境，核級(jí)設(shè)備的安全性需要重點(diǎn)關(guān)注，并且核級(jí)設(shè)備在抗輻照和抗地震方面都有要求。因此，傳統(tǒng)的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在安全殼內(nèi)及一些重要工位并不適用，此時(shí)要滿足核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)行程和力矩控制的要求，就必須設(shè)計(jì)一套機(jī)械式控制機(jī)構(gòu)。不同于傳統(tǒng)智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩控制機(jī)構(gòu)采用電氣與軟件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩的檢測(cè)及相應(yīng)動(dòng)作，多數(shù)核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩保護(hù)裝置都是在蝸桿上安裝碟簧組，利用不同力矩下為抵消該力矩使用碟簧組形成不同壓縮量形成線性直線位置輸出，利用轉(zhuǎn)換裝置將直線位移量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)量。當(dāng)輸出超限時(shí)，觸碰微動(dòng)開關(guān)以達(dá)到停機(jī)功能[3]，因此轉(zhuǎn)換裝置的精度直接影響力矩保護(hù)裝置精度和效果。本文也同樣采用了這一基本原理，設(shè)計(jì)了一種新型核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩保護(hù)裝置，運(yùn)用凸輪機(jī)構(gòu)原理，創(chuàng)造出一種在直線上將微小線性位移量變?yōu)榕c之相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)量的裝置，力求在保證運(yùn)行可靠性的同時(shí)，提升力矩采集精度。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理及參數(shù)

N系列核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是為了滿足核電站需求設(shè)計(jì)的多回轉(zhuǎn)式閥門驅(qū)動(dòng)裝置。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照三代核電設(shè)計(jì)要求，并依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[4]，采用機(jī)械式力矩及行程控制技術(shù)，形成力矩范圍30 N.m～3000 N.m，轉(zhuǎn)速范圍24 rmp～120 rmp輸出的產(chǎn)品，適用于核電廠1E級(jí)K3類安全等級(jí)的場(chǎng)所。以N90為例，其額定力矩900 N.m，額定轉(zhuǎn)速60 r/min。為實(shí)現(xiàn)其高可靠性及穩(wěn)定性，N90電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上采用經(jīng)典的一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)的模式[5]，如圖1。采用電機(jī)→蝸桿蝸輪→離合→空心軸的傳動(dòng)方式，為保證電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中對(duì)受力零件采用理論計(jì)算與NX軟件仿真的方式進(jìn)行受力分析。此傳動(dòng)模式的特點(diǎn)是：體積小，承載能力高，傳遞功率大，易于布置，能實(shí)現(xiàn)手電動(dòng)自動(dòng)切換等。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以增加不同類型二級(jí)減速箱，實(shí)現(xiàn)多回轉(zhuǎn)、部分回轉(zhuǎn)、推力型等輸出方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、切斷閥等多種閥門進(jìn)行電動(dòng)控制，對(duì)核電廠的各種閥門具有廣泛的適用性。此外，力矩保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證作為本次電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開發(fā)項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)，在對(duì)比多種設(shè)計(jì)方案和理論論證后，N90核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩保護(hù)裝置采用一種創(chuàng)新的凸輪傳動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)與蝸桿同軸連接的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地采集力矩?cái)?shù)據(jù)，保證布局合理性的同時(shí)，也能提供較為方便的調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)位置。下文通過對(duì)該裝置結(jié)構(gòu)、參數(shù)理論分析和樣機(jī)實(shí)際測(cè)試結(jié)合的方式論證其可靠性和實(shí)用性。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the transmission principle of the electric actuator

2 力矩保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)分析

N90力矩保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2。其工作原理為：蝸桿1承受蝸輪在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載作用下形成反作用力，選用能承受蝸桿額定軸向力的減震行程碟簧組2吸收該力，并將設(shè)定好預(yù)壓力的碟簧組一端固定在蝸桿上，另一端固定在箱體上。碟簧組與蝸桿通過軸承和鎖緊螺母連接，在保證連接剛度的同時(shí)蝸桿也可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)在負(fù)載作用下蝸桿產(chǎn)生的拉（壓）力使碟簧組形成一個(gè)壓縮量來保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。此壓縮量大小與負(fù)載大小存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)輸出正反方向不同，該壓縮量可呈現(xiàn)兩個(gè)方向的壓縮變化，此時(shí)蝸桿整體也對(duì)應(yīng)產(chǎn)生了與碟簧組壓縮量相同的位移量，通過凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)3將碟簧組產(chǎn)生的直線位移量變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)量輸出，輸出軸上固定有預(yù)先設(shè)定好力矩保護(hù)位置的凸輪，當(dāng)力矩超限時(shí)，超限轉(zhuǎn)動(dòng)量使凸輪觸碰微動(dòng)開關(guān)組件并停轉(zhuǎn)電機(jī)[6]。該力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)將蝸桿、碟簧組、輸出凸輪做成一個(gè)組件后，直接安裝在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體上，其體積小巧，安裝方便的同時(shí)也有利于批量化生產(chǎn)。

圖2 力矩保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of torque protection device

該力矩保護(hù)裝置達(dá)到預(yù)期效果的難點(diǎn)在于凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)如何將碟簧組位移量變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)量，并且要求實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、一致性好。通過圖3凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)帶有對(duì)稱螺旋滑槽的轉(zhuǎn)軸作為角度輸出軸，轉(zhuǎn)軸和碟簧組連接軸用與對(duì)稱螺旋滑槽寬度一致的圓柱銷連接，此時(shí)碟簧組連接軸直線位移可通過圓柱銷推動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并將圓柱銷兩端卡入一個(gè)帶對(duì)稱通槽的裝置中。該裝置固定在箱體上，以達(dá)到對(duì)碟簧組連接軸防轉(zhuǎn)的目的。此裝置實(shí)現(xiàn)了同一軸線上變直線位移為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式，通過控制對(duì)稱滑槽精度可以最大限度降低回差影響，通過適當(dāng)加大螺旋滑槽螺距能得到較大的旋轉(zhuǎn)量。該力矩保護(hù)裝置能準(zhǔn)確輸出不同力矩下的旋轉(zhuǎn)角度，對(duì)該角度進(jìn)行量化即可實(shí)現(xiàn)不同力矩下切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源的功能，符合核電執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械式力矩保護(hù)的要求[7]。

圖3 凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of cam conversion mechanism

3 參數(shù)分析與測(cè)試效果

3.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)

根據(jù)N90電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)額定參數(shù)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)受力分析計(jì)算公式，可得以下基本參數(shù)：

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出額定力矩T=900N?m=900000N?mm，此扭矩直接作用于蝸輪上。

蝸輪分度圓d=140mm。

計(jì)算額定力矩下蝸桿軸向拉（壓）力：

表1 理論參數(shù)計(jì)算表Table 1 Theoretical parameter calculation table

3.2 理論參數(shù)計(jì)算

根據(jù)蝸桿額定力矩下軸向拉（壓）力選擇符合要求的碟簧組，規(guī)格：60mm×30.5mm×3mm×4.7mm，每組6片，其允許負(fù)荷13226N，大于蝸桿額定力矩下的軸向拉（壓）力。

設(shè)計(jì)對(duì)稱螺旋滑槽螺距：20mm。

按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)額定力矩900 N.m，最小保護(hù)力矩為額定力矩30%開始計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)量，將需要測(cè)算的輸出力矩以10%一檔的梯度計(jì)算各個(gè)力矩下碟簧組理論變形量及輸出軸理論轉(zhuǎn)動(dòng)量：

理論計(jì)算結(jié)果顯示，N90電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩保護(hù)裝置在270N.m～900N.m輸出力矩下理論轉(zhuǎn)動(dòng)角度由0°增加到99°（此處以270N.m輸出扭矩作為角度采集數(shù)據(jù)起點(diǎn)），角度變化范圍較廣，結(jié)合碟簧壓縮變形特性，此增量接近線性。這樣就有利于在不同負(fù)載下力矩保護(hù)裝置輸出位置差異較大的信號(hào)，理論上可以實(shí)現(xiàn)額定力矩范圍內(nèi)任意力矩值輸出位置準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即可在任意力矩值實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源切斷。

3.3 測(cè)試結(jié)果

將N90電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝在最大測(cè)量力矩2000N.m的磁粉力矩測(cè)試設(shè)備上，如圖4。通過對(duì)力矩測(cè)試設(shè)備施加定值負(fù)載，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載分別達(dá)到上述輸出力矩，此時(shí)N90電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能穩(wěn)定運(yùn)行并且力矩保護(hù)裝置形成一定對(duì)應(yīng)角度的輸出量，記錄下力矩保護(hù)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而得到實(shí)際開關(guān)方向上力矩保護(hù)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和一致性，排除突變影響，開關(guān)方向分3次測(cè)量，取平均值。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)角度測(cè)試Fig.4 Actuator angle test

對(duì)測(cè)試得到的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，結(jié)合理論計(jì)算中各個(gè)負(fù)載力矩下的轉(zhuǎn)角值，形成對(duì)比折線圖如圖5。

圖5 測(cè)試結(jié)果與理論數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of test results and theoretical data

測(cè)試結(jié)果顯示，這種力矩保護(hù)裝置能實(shí)現(xiàn)正反方向不同負(fù)載下輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角度的功能，實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度略小于理論值，但其變化規(guī)律接近線性，與理論變化規(guī)律一致，并且可在30%～100%額定力矩下轉(zhuǎn)動(dòng)角度由0°變化到90°，滿足核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)力矩保護(hù)重復(fù)偏差≤7%的要求。通過對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)測(cè)試，達(dá)到預(yù)期的力矩保護(hù)裝置的基本要求，并且可實(shí)現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)角度輸出，能較好保證產(chǎn)品可調(diào)性和調(diào)節(jié)精度。

3.4 設(shè)計(jì)完善

在得到測(cè)試數(shù)據(jù)并與理論數(shù)據(jù)對(duì)比后，判斷此種力矩保護(hù)裝置能提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的力矩采集數(shù)據(jù)，此時(shí)添加微動(dòng)開關(guān)組件和切斷凸輪組件，組成可進(jìn)行信號(hào)測(cè)試的整機(jī)，如圖6。

圖6 N90力矩保護(hù)裝置實(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of N90 torque protection device

切斷力矩和切斷凸輪調(diào)節(jié)方式為：在開向上通過力矩測(cè)試設(shè)備加載到需要切斷的力矩值，此時(shí)力矩保護(hù)裝置輸出軸會(huì)根據(jù)負(fù)載不同轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置。在力矩保護(hù)裝置穩(wěn)定后，將開向凸輪撥到剛好觸碰到開向微動(dòng)開關(guān)作用點(diǎn)位置，再鎖緊固定螺母，即可完成開方向的切斷力矩調(diào)試，關(guān)方向用同樣的方式在關(guān)向運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)試，此時(shí)需要注意的是切斷力矩通常在出廠時(shí)就按要求設(shè)定為公稱值，考慮到力矩保護(hù)裝置對(duì)核電廠閥門使用安全的重要性，一般該力矩不可進(jìn)行調(diào)整和重設(shè)。

4 結(jié)語及建議

通過理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)N90核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩保護(hù)裝置的功能進(jìn)行了充分的論證。本文對(duì)這種可應(yīng)用于核電站閥門控制的新型的力矩保護(hù)裝置的研究，得到如下結(jié)果：

1）因核電站對(duì)抗輻照和抗地震環(huán)境的要求，采用機(jī)械式的力矩和行程保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)在上述環(huán)境的安全應(yīng)用。

2）本文研究的力矩保護(hù)裝置經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)力矩保護(hù)功能，是一種具有良好調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)方式的機(jī)械式力矩保護(hù)裝置，今后不僅可以在核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用，也可推廣到適用于普通開關(guān)型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

3）用理論計(jì)算與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)合的方法進(jìn)行電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有利于新結(jié)構(gòu)的快速成熟應(yīng)用，能有效加快研發(fā)進(jìn)度。