楊 墾，李宏博，王 穎

(核動力運行研究所，湖北 武漢 430070)

閥門的開啟/關(guān)閉是核電站閥門調(diào)試、維修、維護和保養(yǎng)過程中的常規(guī)操作[1]。目前，國內(nèi)核電站在執(zhí)行上述操作時通常采用手動啟閉的方法。對于部分啟動力矩及行程較大的閥門，手動啟閉時可能需要2～3人同時操作，耗時可達1 h以上。啟閉過程中需要操作人員持續(xù)對閥門手輪施加扭矩，對于所處區(qū)域輻射強度較高的閥門，過長的操作時間會增加操作人員的受照劑量。

針對上述問題，研制了一套閥門自動啟閉裝置，實現(xiàn)閥門開啟/關(guān)閉的自動化，有助于減小操作人員勞動強度，提高生產(chǎn)效率。該裝置整體輕巧，安裝便捷，支持電池、電源、氣源等多種供能方式，允許用戶遠程操作，減少操作人員受照劑量。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)與工作原理

以電動調(diào)節(jié)閥為例，閥門結(jié)構(gòu)可分為手輪、電動執(zhí)行機構(gòu)、軛架、閥桿、閥瓣、閥體等組成部分。其中，手輪用于在執(zhí)行機構(gòu)停止工作的狀態(tài)下實現(xiàn)閥門的開啟/關(guān)閉。手輪轉(zhuǎn)動時，帶動閥桿向上/向下運動，改變閥瓣與閥體間的間隙，從而實現(xiàn)閥門的開啟/關(guān)閉動作。

根據(jù)功能需求，設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置由動力源、傳動模塊、夾持模塊及自固定模塊組成。其中，動力源選用扭矩槍，可采用電池、電源或氣源功能，操作便捷；附帶遠程操作功能，可使操作人員作業(yè)時遠理高輻射區(qū)域，減少受照劑量。扭矩輸出范圍為70～300 N·m，可覆蓋大部分閥門的開啟扭矩需求范圍；傳動模塊通過齒輪盒組件、基座及支腿組件將扭矩傳遞至手輪；夾持模塊通過夾爪組件實現(xiàn)對手輪的夾持，帶動手輪轉(zhuǎn)動；自固定模塊通過軛架夾緊件及連桿組件保持正常工況下裝置主體與操作對象(閥門)間的相對位置恒定，確保裝置平穩(wěn)運行。

圖1 裝置總裝配圖Fig.1 General assembly of the device 1—扭矩槍；2—夾爪組件；3—齒輪盒組件；4—基座；5—連桿組件;6—支腿組件;7—軛架夾緊件;8—閥桿;9—軛架

2 功能模塊設(shè)計

2.1 傳動模塊

傳動模塊依照：扭矩槍—主動輪—從動輪—支腿組件—手輪的傳動鏈順序?qū)⑴ぞ貍鬟f給手輪。齒輪盒組件及基座結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 齒輪盒及基座結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the gear box and the base 1—主動輪;2—從動輪;3—基座

從動輪與基座間通過周向分布的卡齒及卡槽間的配合實現(xiàn)扭矩傳遞及周向定位；通過彈性擋圈、擋塊、從動輪內(nèi)表面周向分布的滑動槽間的配合實現(xiàn)軸向定位。從動輪及基座采用中空結(jié)構(gòu)，避免閥桿對裝置的安裝產(chǎn)生干涉。

非工作狀態(tài)下，可依次卸下彈性擋圈及擋塊實現(xiàn)基座與齒輪盒組件的分離，并收起支腿以減小占用空間，如圖3所示。

圖3 收起狀態(tài)下的傳動模塊Fig.3 Transmission module in a collapsed state

2.2 夾持模塊

夾持模塊與手輪及支腿裝配關(guān)系如圖4所示[2]。夾爪上瓣開有方形槽，與傳動模塊末端的支腿相連組成導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)，可適應(yīng)不同手輪半徑，實現(xiàn)快速裝夾。通過調(diào)整上、下爪瓣間的張角，可適應(yīng)不同手輪的環(huán)形表面，增大接觸面積[3]。該模塊可實現(xiàn)外圈直徑300～800 mm，環(huán)形表面直徑20～40 mm的手輪夾持。

圖4 夾持模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the clamping module 1—夾爪上瓣;2—夾爪連接件;3—夾爪下瓣; 4—鎖緊螺母;5—手輪

2.3 自固定模塊

自固定模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊通過軛架夾緊件對閥門軛架兩平行外表面施加夾持作用以實現(xiàn)裝置的自固定，以允許裝置安裝完成后用戶遠程操作扭矩槍控制裝置的啟停，減小操作人員受照劑量。連桿間通過末端互相嚙合的梯形齒實現(xiàn)桿間夾角定位，允許在非工作狀態(tài)下以15°為單位進行夾角調(diào)整，達到調(diào)整裝置高度，適應(yīng)不同的軛架—手輪間距的目的[4]。工作狀態(tài)下，通過螺紋連接實現(xiàn)桿間夾角的鎖死。

圖5 自固定模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of the self-securing module 1—扭矩槍連接件;2—齒輪盒連接件;3—連桿組件;4—軛架夾緊件

3 重要結(jié)構(gòu)有限元分析

分別以裝置的自固定模塊及傳動模塊為研究對象進行有限元分析，以對其強度進行驗證。

3.1 基本參數(shù)

裝置整體采用7075-T6鋁合金制造，其主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

7075-T6鋁合金為塑性材料，其安全系數(shù)取值通常為1.5～2，取自固定模塊安全系數(shù)為1.5，傳動模塊安全系數(shù)為2，則許用應(yīng)力[σ]1=336.7 MPa，[σ]2=252.5 MPa。

表1 7075-T6鋁合金主要力學(xué)性能指標(biāo)

3.2 邊界條件

為便于計算，對齒輪單獨進行強度校核，不納入傳動模塊分析范圍。該模塊計算邊界由基座開始。根據(jù)裝置工作原理，對研究對象施加相應(yīng)約束及載荷。自固定模塊的約束位于扭矩槍連接件與齒輪盒連接件的接觸面以及軛架夾緊件與軛架的接觸面；載荷位于扭矩槍連接件上，取載荷大小為300 N·m(扭矩槍最大輸出載荷)。傳動模塊的約束位于基座及夾爪上；載荷位于基座上，載荷大小為312 N·m。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)ANSYS Workbench的計算結(jié)果，自固定模塊及傳動模塊的應(yīng)力分布分別如圖6(a)(b)所示。自固定模塊最大應(yīng)力為309.1 MPa< [σ]1，位于扭矩槍連接件與扭矩槍接觸面。傳動模塊應(yīng)力主要集中分布在基座與支腿連接處及基座與從動輪連接處；最大應(yīng)力為162.7 MPa<[σ]2，位于基座與支腿接觸面。材料強度滿足要求。

圖6 關(guān)鍵模塊應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of key modules

4 裝置穩(wěn)定性實驗

根據(jù)啟閉工具設(shè)計方案完成進行加工及安裝，完成了自動啟閉裝置的研制。為驗證該裝置的穩(wěn)定性，分別將該裝置應(yīng)用于水平流向及豎直流向的閥門上進行穩(wěn)定性實驗，如圖7所示。其中閥門(a)手輪直徑300 mm，環(huán)形表面直徑20 mm；閥門(b)手輪直徑500 mm，環(huán)形表面直徑40 mm。

圖7 裝置穩(wěn)定性實驗Fig.7 Stability test for the device

該裝置在用于上述閥門的自動啟閉過程中安裝牢固、定位可靠，在閥門全行程中傳動平穩(wěn)，無卡澀、晃動等現(xiàn)象。

5 結(jié)論

根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)特征及動作原理，提出設(shè)計需求，設(shè)計了一種閥門自動啟閉裝置，通過關(guān)鍵部分的有限元計算對其強度進行了校核，完成裝置的制造并進行穩(wěn)定性實驗。實驗結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，具有傳動平穩(wěn)，固定、裝夾可靠的特點，有助于降低閥門調(diào)試、維修、維護保養(yǎng)過程中的人力消耗，減小操作人員受照劑量，提高生產(chǎn)效率。