核电站弹簧恒力支吊架的设计研究

冯杰

摘要：主要研究了核电站弹簧恒力支吊架的工作原理，并且对恒力支吊架的尺寸关系进行了研究，并提出简化的强度校核方法。通过对恒力支吊架的弹簧性能进行试验，确保核电站弹簧恒力支吊架满足设计要求。

关键词：核电站;恒力支吊架;弹簧

引言

在核电站中有很多管道系统，而这些管道的内悬吊点热位移很大，为了保证管道系统的弯曲变形在允许范围内，必须要用恒定的支撑力来支撑各个管道设备。

在核电站中有许多类似的支吊架，恒力支吊架的作用是最大的，弹簧恒力支吊架可以保证核电站管道系统安全可靠的运行。由于弹簧恒力支吊架工作环境相对恶劣，多使用在温度较热、位移大的管道位置。当温度升高时，管道会在垂直方向产生弯曲变形，保证其载荷不变，管道受到的应力就会变小，可以最大程度减小设备与管道接口处的力矩和作用力。本文是以常见的弹簧恒力支吊架为研究对象，在保证其满足核电站使用要求的基础上进一步对该弹簧恒力支吊架进行优化改进。

1.弹簧恒力支吊架工作原理

图1-1 弹簧恒力支吊架工作原理

图1-1中，ACD=90°，CA=CB=x（x是未知数），CD=y（y是弹簧恒力支吊架的行程）。假设弹簧的压缩长度Z和AB的长度相等。即Z=2xsin（/2）。当=DCE=30°，=ACB=60°时，说明恒力支吊架处于上限位置。当=DCE=30°，=ACB=120°时，说明恒力支吊架处于下限位置。施加在支吊架上的载荷力P作用到转轴上产生的力矩为：=Pycos;支吊架的弹簧力W对转轴产生的力矩为=Wxcos（/2）;显然，与互为余角，所以由力矩平衡可得方程：W=2Pysin（/2）/x，又因为Z=2xsin（/2），所以当支吊架的摆臂处于上限位置时，弹簧产生的拉力最小，即此时弹簧长度就是其安装长度。=Py/x，=x。当支吊架的摆臂处于下限位置时，=1.732Py/x，=1.732x。因此，可以计算得到支吊架弹簧的刚度K为：K=（-）/（-）/。因为一般情况下都是根据标准支吊架手册选取载荷P的值进行计算，所以弹簧刚度K的值也为标准值。因此，可以根据以上公式得出x的值。

当载荷点的位置不发上变化，而摆臂与水平方向的夹角改变时，根据以上计算公式可以导出，载荷点的载荷值是恒定不变的，只是弹簧的作用力会因为角度的改变而相应的变大或缩小。当摆臂丝杠和水平方向的夹角保持不变，载荷点的位置发生变化时，当载荷点越向摆臂末端靠近时，y值就会相应增大，支吊架的载荷就会减小，此时，作用在C点的力矩不发生改变，与此同时，弹簧产生的作用力也是恒定的。

2.弹簧恒力支吊架设计过程分析

支吊架在工作工程中受到多种形式的力和力矩，所以其关键部位的轴类件和其他主要的受力件要满足一定强度要求。所以在设计过程中要对支吊架的相关部件进行强度校核和应力分析。

2.1 弹簧恒力支吊架主要部件受力分析

根据恒力支吊架受力原理图可知，在工作过程中，主要是轴受力最大。主轴力Q=。对轴进行强度校核，计算可得轴受到的最大剪切应力为：=Q/（2π/4），受到的最大挤压应力为：=Q/2TD。工作工程中弹簧压盘产生的最大力矩为：M=/4×2/π×（D-）;由材料力学计算公式可计算弹簧压盘的抗弯界面系数为：=1/6××（）;计算弯曲应力为：=M/。弹簧支吊架在工作工程中，弹簧拉杆受到拉应力，为了保证其不别拉断，必须对其受到最大拉力过程中进行强度校核，拉杆受到拉应力为：=/S，式中S是拉杆的螺纹部分受到应力面积;拉杆与螺纹杆部分时焊接连接的，所以要对焊缝进行强度校核，焊缝处受到剪应力，计算公式为：=/2B;拉杆导槽处也是危险点，对其进行强度校核，受到拉应力为：=/2T（A-）。当弹簧支吊架在最大位移位置时，受到最大载荷，在此条件下计算以上各个对应数值，取安全系数为1.5，分别用计算值与许用应力值做比值，比值结果小于1.5说明满足强度要求，即零件可以正常使用，如果计算值与许用应力值比值大于1.5，则对应部件不满足使用要求，需要对其结构尺寸进行优化或者更换其使用材料，直至修改到满足强度要求位置。

2.2恒力支吊架主弹簧的选择

弹簧是恒力支吊架的主要部件。通常弹簧材料选用60Si2Mn，弹簧受到载荷属于Ⅲ类载荷，许用切应力大小为740MPa，查设计手册可得弹簧材料60Si2Mn的切边模量为80GPa。根据计算公式d=1.6，可求出弹簧丝的直径d。然后由计算式n=可以求得弹簧的圈数。弹簧的刚度大小为K=，根据实际应用情况计算弹簧对应值，确定弹簧刚度是否满足使用要求，如果不满足对弹簧尺寸进行修正，直至达到强度要求。

3.试验验证

在对核电站弹簧支吊架设计过程中，不仅要保证各个部件满足强度要求，而且也要确保作用在支吊架上的支撑力变化率在一定范围内。根据《GB/T 228-2002金属拉伸试验方法》的试验要求对支吊架做拉伸试验。保证其载荷变化率在16%以下就能满足使用要求。另外，还要对弹簧恒力支吊架进行合格鉴定试验。应为恒力支吊架的变形量与受到载荷成正比关系，即线性分布，所以，在支吊架受到4倍载荷时，要确保其不断裂，并且变形在允许范围内。在试验过程中，可用钢制套筒代替弹簧，并且将应变片安装在支吊架的多个位置以便更全面的了解恒力支吊架各个部分的受力情况。在实验过程中，如果恒力支架不发生断裂，并且变形在允许范围内，则去掉载荷后可以恢复原来形状，则说明恒力支吊架满足设计要求。

4.结语

本文主要阐述了核电站弹簧恒力支吊架的工作原理，详细介绍了其工作过程中各个部件的受力情况，并且根据受力平衡给出了受力点所受力和力矩的计算公式。对弹簧恒力支吊架的设计过程进行研究，根据工作条件，确定支吊架需要校核的位置，由具体强度校核公式计算确保其满足使用要求。在设计完成后要进行试验验证，进一步保证弹簧恒力支吊架可以安全可靠的工作。

参考文献：

[1]刘瑜，徐传海.恒力弹簧选项及恒力弹簧支吊架的设计与安装[J].华中电力，2004，17（5）：40-43.