核電廠重要廠用水泵聯軸器拆裝工具研究

耿加森

（三門核電有限公司，浙江臺州 317112）

1 廠用水泵聯軸器拆裝難點

AP1000 核電單堆機組設置有4 臺廠用水泵[1]，均為立式液下長軸泵，在無需拆卸電機的情況下，即可實現機械密封的更換，很大程度上減少了設備的不可用時間。此類型液下長軸泵機械密封更換過程主要為拆卸聯軸器中間節、拆卸泵側聯軸器、取出舊機械密封、回裝新機械密封、回裝泵側聯軸器、回裝聯軸器中間節等，整個機械密封更換的難點在于聯軸器的拆裝（圖1）。

圖1 廠用水泵電機支架

聯軸器難拆裝的原因為：①操作空間狹小，聯軸器位于電機支架內部，空間狹小，檢修人員在搬運重量113 kg 的中間節時無法站立，容易重心不穩導致傷人和設備損壞；②聯軸器重量大，泵側聯軸器重75 kg，聯軸器中間節重量113 kg，因場地因素限制無法使用吊裝工具，需人工進行拆裝；③徑向間隙狹小，泵側聯軸器與軸配合面較長，徑向間隙小，2 名檢修人員配合時由于受力不均易造成聯軸器傾斜，導致搬運時卡澀；④軸向距離小，電機側聯軸器與泵側聯軸器的軸向距離有限，人員在狹小的空間內很難將中間節水平放入兩聯軸器之間，長時間的人工操作導致人員疲勞，容易出現人員及設備的損傷現象。

目前AP1000 堆型機組，并未開發相應的工具來實現聯軸器的快速拆裝，導致整個檢修時間較長且風險較高，因此亟需一種可實現狹小空間內快速拆裝廠用水泵聯軸器及中間節的專用工具。

2 方案分析

根據以上分析，確認此快速拆裝工具需要達到以下目標：①取代人力搬運聯軸器中間節及泵側聯軸器，模擬聯軸器垂直上升及水平移動的關鍵動作；②能提高拆裝效率，盡量縮短拆裝時間，減少重要設備不可用時間；③工具的整體重量不得過大，滿足單人搬運需求；④工具的安裝不得破壞廠用水泵的任何本體結構；⑤整個裝置的剛度滿足要求。

3 方案設計

3.1 總體方案確認

為實現以上目標，此裝置主要設計有以下4 部分：①支撐掛點及調節機構，主要功能是將整個裝置掛置在電機支架的吊裝孔中，可避免破壞廠用水泵本體結構和實現調節的功能；②豎直提升組件，主要功能是采用梯形絲杠和輔助結構來模擬檢修人員豎直提升聯軸器的功能；③水平旋轉組件，主要功能是采用銷軸和水平臂配合的機構模擬檢修人員旋轉搬運聯軸器的功能[2]；④夾具組件設計，主要功能是有效抱緊聯軸器。

根據以上分析，確定整個聯軸器拆裝工具如圖2 所示。

圖2 聯軸器拆裝總體結構方案

3.2 支撐掛點及調節機構設計

支撐掛點是該裝置與泵體結構的連接點，通過支撐掛點將兩者結合，將所有提升、旋轉產生的力通過此支撐掛點轉移到泵安裝基礎上，結合泵的結構，可借用電機支架的吊裝孔來實現此功能，同時也可避免破壞泵的結構。調節機構方便調整裝置與泵軸的平行度，為后續豎直提升聯軸器提供基礎，支撐掛點與調節機構之間設置有經過熱處理的光軸進行連接（圖3）。

圖3 支撐掛點及調節機構

3.3 豎直提升組件設計

日常檢修常用的提升工具主要是螺旋千斤頂、液壓千斤頂、頂絲螺栓、絲杠、葫蘆等，由于現場空間受限，優先采用絲杠、頂絲等結構，結合支撐掛點結構，選用絲杠提升的原理來實現豎直提升。豎直提升組件主要包括固定搖臂、提升搖臂、平面推力軸承、絲杠、絲杠螺母、無油潤滑軸承等，豎直提升組件依靠支撐掛點結構負責實現整個裝置的豎直移動，可避免人員在狹小的電機支架內部搬運聯軸器（圖4）。

圖4 豎直提升組件

上部搖臂通過推力軸承和光軸夾具固定，使其只具有旋轉自由度，同時上部搖臂上安裝有兩列推力軸承、無油潤滑軸承、絲杠、間隔環、鎖緊螺母等部件，通過鎖緊緊固螺母，使絲杠具備旋轉的自由度。提升搖臂安裝在兩個光軸之間，提升搖臂上安裝有梯形螺母、無油潤滑軸承等部件，當絲杠旋轉時驅動梯形螺母上下運動，從而實現提升搖臂的豎直移動。

3.4 水平旋轉及夾具組件設計

水平旋轉組件安裝在提升搖臂上，通過銷軸和兩節水平搖臂進行連接，可實現整套工具的水平旋轉功能。夾具組件可實現抱緊聯軸器的功能，同時設置有防掉落工具。每個繞軸旋轉的部位都安裝有無油潤滑軸承，保證配合間隙小的同時，也可輕松旋轉水平旋轉及夾具組件（圖5）。

圖5 水平旋轉及夾具組件

3.5 整體結構穩定性分析

由于各個搖臂處鏈接部分因力臂的增加而遞增，所以當該裝置抓住聯軸器中間節且完全伸直時，第1 節搖臂的鏈接部位承受的扭矩是最大的，最后一節搖臂夾具的位移變形量是最大的，只要這兩處強度及位移變形量滿足要求，則可認為其他部位也滿足要求，因此對整個模型進行簡化處理，利用有限元分析工具SOLIDWORKS Simulation 進行整體結構安全及形變量分析。

已知中間節的重量約為120 kg，加上機械臂的自重約65 kg，總負荷約為185 kg，模擬試驗載荷以600 kg 計算，最終得出整個裝置最后一節搖臂夾具的位移變形量0.12 mm，精度滿足使用要求，第1 節搖臂的鏈接部位的最大應力44.8 MPa，小于材料的屈服應力51.5 MPa，滿足強度要求。

4 方案驗證

該工具可實現分體式安裝，無需借用行車，依靠工作組成員即可完成專用工具的運輸、安裝等工作，已成功應用在廠用水泵機械密封更換工作。

5 結論

通過現場分析具體結構及實際需求，開發出一套狹小空間內拆裝聯軸器的工具，有效解決了AP1000 廠用水泵聯軸器拆裝難題，同時該裝置可推廣應用到同類型大型液下長軸泵聯軸器拆裝上。

綜上所述，得出以下結論：①聯軸器拆裝工具方案滿足要求，能適應狹窄空間，能夠實現豎直移動、水平旋轉，實現省力操作，節省檢修工期；②利用有限元分析，在3 倍載荷的情況下，整個裝置的應力及應變均滿足要求，其結構穩定、精度可靠；③實際應用表明，整套裝置操作方便、轉動靈活，對人員技能要求較低，可有效降低傷人與設備損傷的風險。

與此前廠用水泵機械密封更換相比較，具有以下優點：①避免了聯軸器豎直移動過程中的卡澀；②避免了聯軸器無法水平移動至中間位置；③可減少重要設備不可用時間；④在保證質量與安全的同時，降低對人員檢修技能要求。