核主泵屏蔽电机推力轴承装配冲击载荷估算分析①

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江　哈尔滨　150040)

非能动三代核电压水堆主泵电机种类为核主泵屏蔽电机[1]，水润滑推力轴承运行时的可靠性受到了各方面关注[2-4]。屏蔽电机一般采用水润滑推力轴承，推力轴承轴瓦一般采用石墨或碳碳复合材料，轴瓦瓦面材料耐冲击能力有限。在屏蔽电机总装时，先放入一个推力轴承装配，而后插入转子，转子装配中带有推力盘(有时也含飞轮)。总装配时将转子吊装插入定子，在插入的过程中，推力盘不断接近推力瓦；随着插入深度不断增加，定子法兰外侧已经无法直接观察推力盘与推力瓦的距离。装配用吊车每次点动下降距离为1～5mm，装配时凭借经验判断，在恰当位置处直接下落转子推力盘至推力瓦接触面。在下落接近结束的过程中，存在推力盘与推力瓦碰撞工况。在碰撞的瞬态，推力瓦将承受一定的冲击载荷[5]，推力瓦材料的耐冲击性能往往不高，这就需要研究装配过程碰撞允许最大高度。

1　碰撞冲击问题

装配过程中，推力盘与推力瓦碰撞属于一种冲击问题，其特点是转子冲击物接触后在瞬态速度快速变为零时，被冲击的推力瓦在此瞬间承受很大的冲击应力和应变，这种碰撞冲击属于冲击载荷。屏蔽电机转子存在两种结构，一种为推力盘热套在轴上，如图1所示；另外一种为飞轮和推力盘一起热套在轴上如图2所示。

图1　推力盘与推力瓦接触Fig.1　The contact between the reasoning disc and the thrust pad

图2　推力盘(含飞轮)与推力瓦接触Fig.2　Thrust disc (containing flywheel) contact with thrust pad

图3　冲击载荷数学模型Fig.3　Mathematical model of impact load

2　冲击载荷模型

图1与图2的物理模型进一步简化为碰撞数学模型，如图3所示，研究推力盘与一块瓦的碰撞问题，推力瓦的数量为n，转子的质量抽象为一个质点m，转子下降速度为v，推力盘距离推力瓦的高度为h，推力瓦简化一个两点简支梁，并且做以下假设，不考虑推力盘在轴向的微小偏转，不考虑推力瓦之间载荷不均匀性，不考虑推力瓦具体限位结构带来的周向和径向微小偏转，假设推力轴承为刚性支撑，冲击过程推力盘变形折算至推力瓦处，假设被冲击的推力瓦重量与转子重量相比很小而且可忽略不计，这个时候转子与推力瓦接触后，可认为附着与推力瓦上而成为一个系统，在随后的过程中转子沿着冲击方向的运动即可用一个单自由度系统的弹性扰动来模拟，其运动方程如式(1)所示[6]。

(1)

其中，k为弹性系数，它等于梁受冲击处点沿冲击方向产生单位静位移所需的外力；F为转子的重力沿冲击方向的分力；Δ为梁在冲击点沿冲击方向产生的动位移。

式(1)微分方程的解，见式(2)：

(2)

(3)

(4)

最大动位移：

(5)

若令：

(6)

则：

(7)

其中，Δst1是转子的重力沿冲击方向的分力作用在梁上所产生的静位移，Δst是假定重力沿冲击方向作用在梁上所产生的静位移。

若令：

(8)

则：

(9)

所以，a=1,b=1，代入式(9)，

则：

(10)

3　某型核主泵装配冲击分析

在转子插入屏蔽电机的过程，转子是匀速点动下降，转子的推力盘在与推力瓦接触前，初速度为0，在最后一次点动下降之前，推力盘距离推力瓦高度为h；在最后一次下降过程中，推力盘与推力瓦即将接触的一个微小时间前数值为v0，转子的重力势能G转化为转子动能E，根据能量守恒原则，重力势能的变化等于下落动能的增加。

(11)

则：

(12)

根据式(12)分析，当h无限接近0时，推力盘从静止状态下落至推力瓦时，

可见，安装过程中的动载荷冲击是不能简单忽略的，即便推力盘在与推力瓦之间无限接近处初速度为0的状态下发生碰撞，碰撞产生的冲击载荷至少为静载荷的两倍。

根据某型核主泵水润滑推力轴承静态载荷变形计算，推力瓦变形为0.02mm，推力盘变形为0.05mm，累计等效变形为0.07mm，可知Δst=0.07mm。

则，某型核主泵推力轴承装配对应的动载荷系数

(13)

对于某型核主泵，转子最后一次下落时的高度h不同时，其动态载荷系数K变动较为明显，如图4所示，随着高度h从0增加至100mm，动态载荷系数从2增加至54.46。

图4　某型核主泵装配冲击载荷动态载荷系数曲线Fig.4　Dynamic load coefficient curve of a nuclear main pump assembly under impact load

通过以上分析，屏蔽电机转子落入定子过程中，在吊车最后一次点动之前，推力盘与推力瓦之间要尽量接近；但受限于吊车每次最小点动行程和装配工艺尺寸限制，推力盘与推力瓦之间距离又不能无限接近0。根据大型屏蔽电机以往经验，装配h值建议小于5mm，此时动态载荷系数为13，此水润滑轴承静态等效压力为0.5MPa，对应的动态载荷为6.5MPa。

可见，控制装配高度h对避免推力瓦瓦面冲击过载而发生表面剥落具有重要意义。装配车间采用的吊车一般均满足标准GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》[7]，标准GB/T 14405—2011列举了常用起重机应满足的对应速度表，如表1所示；根据表1结合具体吊车供货说明书，可以推算出，吊车点动操作的最小高度移动值，也可为h值选择提供参考。

表1　常用起重机速度对应表

4　最大安装落入距离

核主泵水润滑推力轴承推力瓦材料一般选用石墨或碳碳复合材料，瓦面材料的抗折强度一般应大于90MPa，可以根据最小抗压强度推算装配过程发生冲击载荷时转子的最大安装落入距离hmax；瓦面抗折强度为P，最大取值90MPa，此推力瓦面瓦型为阶梯型，最大点静载荷为P0，取值约1.5MPa，若瓦型为柱面时，P0等效取值范围一般在1.5～2.5MPa左右。

根据以上设定，可知：

P=P0·K1

(14)

综合式(12)和式(13)，可知：

(15)

易知：

(16)

从式(16)可知，在核主泵推力轴承支撑结构固定时，瓦面抗折强度增加时，最大安装落入距离增加，瓦面最大点静载荷增加时，最大安装落入距离减小，其分布规律如图5所示。

图5　某型核主泵装配最大安装落入距离三维分布图Fig.5　The maximum installation of a nuclear main pump assembly falls into a three-dimensional distribution map.

将P=90，P0=1.5代入式(15)，可得hmax=121.8mm。根据以上分析，此核主泵插转子过程中，一旦落入距离大于122mm时，瓦面的局部区域将发生部分浅表层脱落，在安装过程中，推力瓦表面将产生的破碎颗粒。在核主泵启动后，破碎颗粒将会进入推力瓦与推力盘组成的摩擦副，破坏摩擦副进而影响核主泵的安全运行。

在核主泵总装配的过程中，可以通过测量推力轴承座与机座法兰面的高度值，作为判断是否最后一次点动下落转子到位，即推力盘与推力瓦接触。在确定推力盘与推力瓦间隙值小于5mm时，再决定一次落入到位。轴承安装也有另一种情况，下推力轴承先与转子推力盘通过工装把紧，然后转子与轴承一同落入定子机座。此时，虽然瓦面与推力盘无缝隙，但轴承座直接落入定子机座，还是会存在冲击载荷；由于推力轴承支撑系统存在一定的刚度阻尼，在这个瞬间，推力瓦还是会间接地受到冲击载荷作用，从可靠性角度还是要降低h值范围。

5　结语

本文利用振动分析方法通过弹性扰动微分方程，初步建立的核主泵推力轴承在总装过程所允许的最大安装落入距离解析表达式，并明确了碰撞瞬间的等效动载荷系数估算方法。经过本文分析研究得出几点初步结论：

1)在下落初速度为0时，推力盘与推力瓦碰撞瞬间的动载荷系数只与安装落入距离和静载荷等效变形有关系。

2)最大安装落入距离与瓦面抗折强度和最大点静载荷有关。瓦面抗折强度越大，最大安装落入距离越大；最大点静载荷越大，最大安装落入距离越小。

3)通过某型核主泵推力轴承总装过程分析，提出了具体安装建议，即安装落入距离不大于5mm，此时动态载荷系数为13；最大安装落入距离不能超过122mm。

4)提出了总装时可以采取的间接尺寸检测方法，以确保最大安装落入距离不超标。

5)推导出了碰撞时动态载荷系数和最大安装落入距离两个估算用解析表达式。