核电设备鉴定用地震台最大性能优化

葛 磊， 李志永， 卢 星

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240；2. SERVOTEST测试系统有限公司， 北京 101102)

根据三代核电设备的抗震鉴定要求[1-3]，须要建设最大性能为6 t负载条件时，最大加速度达到68.67 m/s2的地震台[4]。某地震台按照上述参数进行了设计和建造，该地震台在调试的过程中，发现原先的设计无法满足最大性能的要求。笔者通过测量该地震台作动器共振频率，运用有限元软件和理论公式进行计算，分析地震台无法达到最大性能的原因，并根据经验对作动器球铰及过渡板进行改进，再对改进后的地震台作动器的共振频率进行测量以及对最大性能进行测试，最终该地震台的最大性能能够满足6 t负载条件下68.67 m/s2的要求。

1 问题描述

该地震台为三轴六自由度液压台，3个轴向的预期最大性能均为6 t负载条件时，最大加速度达到68.67 m/s2。水平方向采用4个作动器呈45°布置，每个作动器的最大动态推力为260 kN，地震台的布置见图1(X、Y向为水平向，Z向为垂直向)。

图1 地震台布置图

在最大性能试验调试的过程中，发现在6 t负载条件时，最大加速度无法达到68.67 m/s2的要求，测量数据见图2。

图2 最大性能试验数据

由图2可知：频率小于32 Hz时，部分频率点的加速度无法达到68.67 m/s2；频率大于32 Hz时，X、Y向加速度有明显衰减，Z向加速度衰减较慢。

2 原因分析

2.1 有限元分析

根据单个球铰及台面的尺寸，建立有限元模型，并进行模态分析，得到一阶模态时，频率为58.45 Hz，振型为水平向摆动，结果见图3，AMPRES为虚位移。

图3 一阶模态振型图

由图3可知：与作动器连接的2个球铰(图中A、B处)及作动器与球铰的过渡板(图中A处)变形明显，作动器的本体部分(缸体及伺服阀)的变形较小，因此作动器的共振主要由2个球铰以及过渡板刚度不足造成的。

球铰及过渡板的结构见图4。作动器与球铰的过渡板采用8个M12螺栓连接，球铰摆耳总长为22 cm、厚度为20 mm。

图4 球铰结构

2.2 现场测量

根据分析结果，进行现场实测，以确定作动器的共振频率及放大系数。

测试对象为水平向及垂直向作动器各一个，测试方法为1～100 Hz的正弦扫频，台面幅值为0.2g(g为重力加速度)，扫频速率为2 oct/min。得到水平向及垂直向作动器的一阶频率分别为59.5 Hz和67.2 Hz，在此共振频率点作动器不同位置的放大系数(共振频率点响应加速度与0.2g的比)见图5和图6。

图5 水平向作动器放大系数

图6 垂直向作动器放大系数

由图5和图6可知：

(1) 由于水平向作动器的共振频率为59.5 Hz，共振频率带为30～75 Hz，同时频率大于32 Hz时，水平向加速度有明显衰减，而垂直向作动器的共振频率为67.2 Hz，高于工作频率(64 Hz)，垂直向加速度衰减较小，因此共振是无法达到最大性能的直接原因。

(2) 作动器缸体段放大系数基本呈线性，且与作动器连接的2个球铰及过渡板放大系数相比，其斜率明显较小，因此可知作动器缸体刚度较高，球铰及过渡板的刚度较低。

(3) 由于球铰及过渡板的刚度较低，引起作动器共振时作动器缸体的放大系数较大，从而作动器在共振时须要提供更大的出力，即地震台的一部分性能用于抵消共振所产生的力，导致在共振频率带内无法达到要求的最大性能，因此球铰及过渡板刚度低是无法达到最大性能的根本原因。根据图4可知：造成球铰刚度低的原因是球铰摆耳过长、厚度偏薄；造成过渡板刚度较低的原因是2块过渡板之间的连接螺栓数量小、尺寸小，提供的连接力不足。

3 改进方案及效果

3.1 改进方案

对球铰及过渡板结构进行加强，以增强系统的刚度，主要是将球铰摆耳加厚、变短，同时将球铰与作动器之间的2块过渡板换成1块整体的过渡板。改进后的球铰结构见图7。

图7 改进后球铰结构

3.2 有限元分析

对改进后的模型重新进行模态分析，得到一阶模态分析时，频率为70.178 Hz，振型为垂直向摆动，结果见图8。

图8 改进后一阶模态振型图

对比改进前的模态结果可知，一阶频率有明显增加，且振型由水平向摆动变为垂直向摆动，球铰及过渡板处的变形明显减小。

3.3 现场测试

3.3.1 测试结果

用与2.2节相同的测试方法，得到水平向及垂直向作动器的一阶频率分别为70 Hz和71.3 Hz，在此频率点作动器不同位置的放大系数结果(改进前后对比)见图9和图10。

图9 改进前后水平向作动器放大系数

图10 改进前后垂直向作动器放大系数

根据图9和图10可知：球铰改进后，水平向作动器的共振频率有明显提高，垂直向作动器共振频率有一定的提高，同时作动器在共振点的放大系数均有明显下降。

3.3.2 最大性能测试结果

对更换球铰后的地震台进行最大性能测试，结果见图11。

图11 改进后最大性能数据

根据图11可知：更换球铰后的地震台X、Y、Z向加速度均大于68.67 m/s2，能够满足要求。

4 结语

(1) 更换球铰前，地震台最大性能无法满足设计要求，水平向和垂直向作动器的共振频率分别为59.5 Hz和67.2 Hz，共振时的最大放大系数分别为4.35和6.4，球铰及过渡板刚度低是地震台无法达到最大性能的根本原因。

(2) 改进球铰后，水平向和垂直向作动器的共振频率分别为70 Hz和71.3 Hz，共振时的最大放大系数分别为3.25和3.66。改进后的水平向作动器和垂直向作动器共振频率均有所升高，共振时的最大放大系数有明显下降，且地震台最大性能能够满足6 t负载条件下68.67 m/s2的要求。

综上，通过对作动器球铰及过渡板的改进，使得作动器的共振频率提高，放大系数降低，地震台的最大性能达到设计要求。