核主泵转速传感器抗震反应谱试验的实现方法

2021-03-26丁多亮

动力工程学报 2021年3期

葛磊，卢星,丁多亮

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

根据三代核电的鉴定要求，核主泵转速传感器(下文简称转速传感器)需进行抗震反应谱试验，以保证其在抗震试验过程中和试验后能够满足设计要求[1]。抗震试验要求反应谱数值高，通过反演得到的时程加速度和速度均超过现有的地震试验台极限值，根据调研，国内现有地震试验台均无法满足此试验要求[2]。针对上述问题，笔者设计出一套放大装置，运用有限元软件对该放大装置进行频响分析，得到放大装置上转速传感器安装位置(即要求监测点)的频响曲线，并确定出放大装置的结构形式和尺寸。同时，运用有限元方法对该放大装置进行瞬态时程分析，得出放大装置所要求位置的反应谱曲线。最后，根据有限元分析结果及现有的地震试验台性能，对放大装置进行多次调试，即不断调整地震试验台的输入参数，通过放大装置放大得到转速传感器安装位置的实际加速度，并进行反应谱计算，最终使预期试验反应谱能够包络要求反应谱。

1 试验件描述及试验要求

试验件为核主泵转速传感器，安装于配套件(长方体铁块)内，用于模拟转速传感器在核主泵内的安装，两者总质量约为20 kg。转速传感器和配套件需同时进行试验，根据HAF·J0053—1995 《核设备抗震鉴定试验指南》[3]对监测点位置的要求，确定监测点为转速传感器与配套件的接口处。

抗震试验的预期试验反应谱和要求反应谱见图1，验收准则为水平向和垂直向预期试验反应谱应包络要求反应谱。

(a) 水平向预期试验反应谱及要求反应谱(b) 垂直向预期试验反应谱及要求反应谱图1 预期试验反应谱及要求反应谱Fig.1 Expected and required response spectrum

根据图1可知，水平向和垂直向预期试验反应谱的零周期加速度(ZPA)约为10g(g为重力加速度)，均超过了现有地震试验台的最大加速度7g。同时，水平向反应谱在4～16 Hz的谱值高，将对地震试验台的速度要求特别高。

现有地震试验台性能：X，Y，Z方向最大加速度均为7g；X,Y方向最大速度为±2.5 m/s，Z方向最大速度为±1.5 m/s[4]。

对图1的水平向和垂直向预期试验反应谱进行反演，得到水平向和垂直向的加速度和速度时程曲线，如图2所示。

(a) 水平向加速度时程曲线(反演)(b) 水平向速度时程曲线(反演)

(c) 垂直向加速度时程曲线(反演)(d) 垂直向速度时程曲线(反演)图2 水平向和垂直向加速度和速度时程曲线(反演)Fig.2 Acceleration and velocity time history curves in horizontal and vertical direction

根据图2可知，水平向反演得到的最大加速度和最大速度分别约为8g和2.8 m/s，大于现有地震试验台的最大加速度7g和最大速度2.5 m/s。垂直向反演得到的最大加速度约为5.8g，最大速度约为1.1 m/s，有一定的余量。综上可知，现有地震试验台的能力无法满足试验要求。

针对上述问题，考虑设计一套放大装置对地震试验台的输出进行放大，以便在地震试验台的能力范围内实现抗震试验要求。

2 放大装置设计

放大装置的工作原理和设计目的是：当放大装置发生共振时，对其共振频率带内的能量有明显放大作用，最终放大装置上要求位置的预期试验反应谱相对于地震试验台输出有明显提高，实现预期试验反应谱包络要求反应谱。

采用有限元方法对上述放大装置进行设计时，需要考虑的主要参数包括质量、一阶共振频率点、频响系数(等同于放大系数)、共振频率带宽以及衰减特性。

为了减小放大装置的质量对地震试验台输出性能的影响，放大装置的质量应尽可能小。试验件质量为20 kg，若其对放大装置的共振频率不产生影响，放大装置的质量至少为200 kg。综上考虑，设计放大装置的质量控制在200 kg左右。

根据图2可知，现有的地震试验台在水平向无法达到要求，垂直向也基本达到地震试验台极限。因此，在设计放大装置时主要考虑其水平向的一阶共振频率和频响系数，在保证水平向能够达到要求的前提下，再对垂直向的共振频率和频响系数进行一定考虑。这是为了在垂直向满足试验要求反应谱的前提下，使地震试验台在垂直向的输出尽量小，以便其拥有的能力更多地提供给地震试验台水平向，使水平向更容易实现抗震试验要求。

根据图1可知，反应谱的高能量区域主要集中在4～16 Hz，且数值很大，这是反应谱反演得到的时程曲线数值偏高的主要原因。为了使地震试验台加速度输出值在4～16 Hz之间有明显降低，要求所设计的放大装置的一阶共振频率在4～16 Hz。因此，放大装置的一阶共振频率应设计为上述频率带的中值，约为10 Hz。

所设计的放大装置应具有足够的共振频率带，以保证在共振时频率带内具有足够的能量来包络要求反应谱的高能量区域。反应谱的高能量区域主要集中在4～16 Hz，带宽为12 Hz，因此放大装置的共振频率带宽约为10 Hz。

水平向要求反应谱反演出的最大加速度(8g)约为地震试验台最大加速度(7g)的1.15倍，但一方面共振频率带的能量只是所要求的整个频率带总能量的一部分，另一方面共振频率带是实现要求反应谱的重要因素，因此一阶共振频率对应的放大系数应足够大，以保证共振频率带具有足够的能量。根据上述分析和以往经验，放大系数应不小于3。

由于放大装置的一阶共振频率包含了水平向和垂直向，在设计放大装置时，不一定能保证水平向和垂直向的共振频率同时在10 Hz左右。因此，对于有限元模型，放大装置的设计原则是：水平向一阶共振频率应在10 Hz左右，且频响系数大于3；垂直向共振频率也尽量靠近10 Hz，且频响系数尽可能大。若垂直向确实无法满足10 Hz的要求，可不做过多考虑。

对于结构而言，一般在经过共振区域后会出现衰减频率带，此频率带的能量随之降低。若衰减频率点出现过早，则可能出现反应谱高能量区域之后的频率带无法实现包络的情况。根据图1可知，反应谱的截止频率约为20 Hz，即在20 Hz之后反应谱的能量基本可以忽略不计，若衰减频率带从此处开始对反应谱的包络基本不会产生影响。保守考虑，衰减频率带的开始频率至少应为15 Hz。

2.1 结构设计

放大装置的结构设计无强制要求，考虑到选材的便利性，可直接选用型钢进行设计。前文要求放大装置的质量为200 kg左右，但在结构设计时，可考虑合理利用配套件的质量，即将配套件认为是放大装置的一部分。结构设计可采用“站立的悬臂梁”的形式，既减轻了整体的质量，也满足了水平向一阶共振频率的要求。

放大装置的垂直向对共振频率点的要求较低，可直接选用薄板的形式。但是薄板对水平向的共振频率也有一定影响，同时配套件为非完全对称结构，对水平X、Y2个方向的影响不完全相同，在下文计算分析时应进行综合考虑。

根据上述分析，设计的放大装置结构见图3，放大装置底座由H型钢焊接而成，两边H型钢之间焊接一块平板，平板中间焊接一根矩形钢立柱，立柱中间焊接一方形配套件。根据放大装置的结构可知，水平向加速度的放大主要通过矩形钢立柱及方形实现，垂直向加速度的放大主要通过底部平板实现。底座的H型钢主要用于与地震试验台连接，且保证足够的刚度。

图3 放大装置结构(含试验件)Fig.3 Structure of the amplifier (including test pieces)

2.2 频响校核计算

设计不同尺寸的放大装置，包括不同平板厚度、宽度、矩形钢的选型、配套件的高度等。对于放大装置的频响特性而言，必然会出现3个方向的耦合，如底部平板对水平向共振频率的影响。在尺寸设计时，需多次调整底部平板的尺寸，以使放大装置水平向和垂直向的共振频率和频响系数能够尽量满足设计要求。

根据设计的模型进行多次频响分析[5]和对比，最终确定放大装置尺寸如下：底部平板厚度为5 mm、宽度为190 mm，底座为550 mm×550 mm的形式(采用H型钢焊接)，配套件焊接高度为200 mm(相对于平板上部)，总质量为40 kg。

采用Patran-Nastran软件进行频响分析,模型见图4，共有单元2 565个，节点2 854个，阻尼比为5%。

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

计算得到转速传感器安装点(即要求监测点)与底座之间的频响曲线，如图5所示。根据图5得到放大装置3个方向的共振频率、放大系数、共振频率带宽和衰减频率带起始点等参数,见表1。

由表1可知，水平向各个参数基本能满足上述提出的设计要求，虽然个别参数相较之前的要求有所偏差，但总体而言可以接受，所设计的放大装置模型基本可靠合理。

图5 频响系数曲线Fig.5 Frequency response curve

表1 频响结果Tab.1 Frequency response results

2.3 瞬态时程响应分析

根据上述设计模型，采用Ansys软件进行瞬态时程分析[6]。在有限元模型中输入时程曲线，水平X向加速度约为原始反应谱的80%，Y向加速度约为原始反应谱的85%，垂直Z向加速度约为原始反应谱的80%。对应输入的时程中，水平向和垂直向的最大加速度分别为6.7g和4.3g，最大速度分别为2.3 m/s和0.8 m/s，上述参数均在地震试验台能力范围内。

根据计算结果，得到转速传感器安装位置的时程曲线以及其对应的反应谱[7]，见图6所示。根据图6可知，有限元计算得到的预期试验反应谱能够基本包络要求反应谱，同时输入的时程也在地震试验台能力范围内，进一步验证了放大装置的可行性。可以推断，根据上述输入条件进行调试能够满足试验要求。

3 测试过程与结果

根据有限元计算结果进行调试，在调试过程中出现4 Hz拐角处无法包络的情况，多次通过增加4 Hz左右的谱值或者增加共振频率点左右的谱值，或者两者同时增加，使地震试验台对此部分频率成分的输出增大，最终实现试验反应谱包络要求反应谱。在增加谱值的过程中，需进行多次反演，以保证反演得到的时程在地震试验台的能力范围内。