大功率核电齿轮箱安装及抗震性能分析

王春霖，王立帅，梁明邦

（深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518026）

0 引言

核电厂循环水泵齿轮箱采用NGW行星减速机结构，功率四分流人字齿行星一级传动，主要由输入花键套、行星包、组合轴承、底座、输出法兰等零部件组成，动力由立式电机通过输入花键套，经过行星级减速后传到输出法兰上，驱动循环水泵工作，该齿轮箱传动系统总体结构紧凑、简单，属于满足核电高可靠性要求的理想传动形式（图1、图2）。齿轮箱长2720 mm、宽2720 mm、高3240 mm，重量约29 t，额定输入转速746 r/min，输出轴功率7530 kW，额定输出转速为182.84 r/min，减速比为4.08，齿轮箱与支架组装后，通过24颗地脚螺栓固定在基础上。本文针对大功率核电齿轮箱的特点介绍安装过程，基于现有支架和固定方案进行抗震分析，评定地脚螺栓受力。

图1 齿轮箱外形

图2 齿轮箱结构

1 齿轮箱安装

1.1 安装要求

齿轮箱安装前，应存放在干燥、防晒、防潮、洁净的库房内，安装前检查基础标高及地脚螺栓孔尺寸。吊装选用6×37（a）类钢芯钢丝绳，公称抗拉强度为1570 MPa，推荐选用钢丝绳直径≥40 mm，2根，每根约10 m；卸扣选用S-BW32或S-BW40以上等级，4件。吊装整机时应在钢丝绳与被吊物之间垫上软物，起吊吊耳上需加装卸扣，吊绳拉力方向不能超过60°斜角。为确保齿轮箱安装时精确定位及防止底面与基座锈蚀，基座表面上应均匀涂一层薄锂基润滑脂。齿轮箱未完全密封时，严禁在周围5 m内进行风动或电动砂轮打磨。装入螺栓前，螺纹要用清洗剂清洗干净，铰制螺栓用二硫化钼涂抹，各螺栓螺纹连接处，应涂厌氧胶以防松。同一零件紧固时，螺栓或螺钉需交叉、对称、逐步拧紧，拧紧力矩见表1：①拧紧力矩允许偏差为±5%；②表中数值适用于使用润滑剂螺栓，无润滑剂螺栓拧紧力矩应为表中值133%。

表1 拧紧力矩T N·m

1.2 安装步骤

安装流程如图3所示，首先进行安装前准备工作，然后输出端安装，最后输入端安装。安装前准备工作，包括拆卸运输工装、锁紧组合轴承径向轴瓦和安装盘车装置。齿轮箱盘车找正前，需对输出轴进行定心，通过锁紧组合轴承的径向轴瓦，单边留0.02 mm间隙来对输出轴定心。熟悉系统安装图及安装手册，对齿轮箱、联轴器、安装支架、预埋底座等零件的连接尺寸、标高、地脚螺栓孔分布对中等进行复查，确保顺利安装。齿轮箱支架如图4所示，组装支架与齿轮箱时，复检泵联轴器表面水平度≤0.05 mm/m，将齿轮箱支架吊起正确落在底座上，将齿轮箱和支架连在一起后，调整方向，将组件穿过地脚螺栓吊到安装位置上。测量齿轮箱输出法兰与水泵联轴器之间的间隙值u，通过调节底座下端的垫铁，保证偏差在±0.5 mm以内。

图3 安装流程

图4 齿轮箱支架

为避免设备干摩擦拉伤和启动转矩大等不足，齿轮箱进行盘车找正前应进行串油，将ISO VG100润滑油，经过滤精度10～20μm的不锈钢滤网过滤后注入箱体。加注齿轮油时，要求油位高于液位计18 cm刻度，加注油量约1200 L。串油时，进油管直接从上箱体观察盖板注油口处进油，电路接通后，启动齿轮箱电动泵，串油10 h。

找正包括粗找正和精找正。粗找正在不串油、不盘车条件下进行，要求径向跳动≤0.2 mm，端面跳动≤0.05 mm。精找正在串油盘车条件下进行，要求径向跳动≤0.05 mm、端面跳动≤0.05 mm。若端面跳动超差，采用调整垫铁调整校准支架水平；径向跳动超差，采用顶丝螺栓移动齿轮箱支架调整。输出端找正合格后，复检齿轮箱上箱盖水平度≤0.05 mm/m。

齿轮箱输入端安装时，拆除盘车装置、组装齿轮箱输入部套、输入联轴器装配及找正。输入联轴器安装参照系统图、安装图，对齿轮箱进行对中找正，径向跳动≤0.1 mm，端面跳动≤0.30 mm，找正合格后，对电机与支架进行定位、紧固。组立花键套，复检花键套相对高度，要求如图5所示（225 mm≤H≤235 mm）。电机与齿轮箱联轴器组立完后，组立罩壳。完成罩壳的组立后，进行两组预压式空气滤清器的安装。

图5 电机与齿轮箱联轴器连接

2 齿轮箱抗震分析

齿轮箱安装完毕后，利用通用有限元分析软件ANSYS对其进行了抗震分析，对地脚螺栓进行评定。

2.1 荷载参数

齿轮箱位于循环水泵房，计算采用循环水泵房+0.1 m，阻尼比为4%的楼层反应谱数据进行计算，反应谱数值见表2。

表2 楼层反应谱数值

2.2 有限元模型

对循环泵齿轮箱结构进行适当简化，删除主体结构中存在的圆角倒角及局部螺栓螺钉等，其与主体结构的连接看成一个整体，仪器仪表等附属件均不进行计算，对行星传动机构、传动主轴及上下连接的花键套看成是一个可变截面大小的梁进行处理，其与主体结构相连接的部分采用刚性单元进行绑定。

齿轮箱和支架组装外形如图6所示，循环泵齿轮箱中支撑裙座及筋板、方形观察孔由薄壁结构组成，这部分用Shell 181单元来模拟。其余结构用Solid185单元模拟，简化后的传动轴机构用Beam188单元模拟，简化后的循环泵齿轮箱网格划分情况如图7所示。在循环泵齿轮箱底板24个地脚螺栓处约束X、Y、Z方向。

图6 齿轮箱及支架组装

图7 循环泵齿轮箱总体网格

2.3 计算结果

通过模态分析，得到该设备模型的前20阶频率和3个方向的有效参与质量，前20阶频率见表3。前20阶频率X方向和Y方向参与质量为90.95%，补偿质量为9.05%；Z方向参与质量为91.56%，补偿质量为8.44%。

表3 前20阶频率Hz

事故工况下齿轮箱及支架的总体位移、Von Mises应力云图，如图8、图9所示。由图可知事故工况下最大总体位移为0.485 mm，出现在齿轮箱空气滤清器端部部位；最大Von Mises应力为147.292 MPa，出现在齿轮箱支架底部裙座与筋板连接处。

图8 事故工况齿轮箱及支架总体位移云图

图9 事故工况齿轮箱及支架Von Mises应力云图

事故工况下齿轮箱支架的总体位移、Von Mises应力云图，如图10、图11所示。由图可知事故工况下最大总体位移为0.137 mm，出现在齿轮箱支架上端部部位；最大Von Mises应力为147.292 MPa，出现在齿轮箱支架底部裙座与筋板连接处。

图10 事故工况支架总体位移云图

图11 事故工况支架Von Mises应力云图

2.4 地脚螺栓应力评定

根据RCC-M—2000《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的规定，应力评定准则见表4。其中，ft为拉伸应力，fv为剪切应力，ftb为拉伸许用应力，fvb为剪切许用应力；螺栓规格为M36，最小直径为31.7 mm，截面积为787.7 mm2。本文对24颗M36×630 mm的地脚螺栓进行评定，螺栓评定结果见表5。

表4 螺栓应力分析评定准则

表5 事故工况连接螺栓载荷及评定结果

3 结论

核电循环水泵大功率齿轮箱应按要求做好检查，按流程进行组装，组装完成后，应进行复检。在事故工况下，齿轮箱最大位移为0.485 mm，最大应力为147.292 MPa，低于许用应力，对齿轮箱支架地脚螺栓根据规范进行了评定，应力比均小于1，符合规范要求。