核电厂重要厂用水泵联轴器拆装工具研究

耿加森

（三门核电有限公司，浙江台州 317112）

1 厂用水泵联轴器拆装难点

AP1000 核电单堆机组设置有4 台厂用水泵[1]，均为立式液下长轴泵，在无需拆卸电机的情况下，即可实现机械密封的更换，很大程度上减少了设备的不可用时间。此类型液下长轴泵机械密封更换过程主要为拆卸联轴器中间节、拆卸泵侧联轴器、取出旧机械密封、回装新机械密封、回装泵侧联轴器、回装联轴器中间节等，整个机械密封更换的难点在于联轴器的拆装（图1）。

图1 厂用水泵电机支架

联轴器难拆装的原因为：①操作空间狭小，联轴器位于电机支架内部，空间狭小，检修人员在搬运重量113 kg 的中间节时无法站立，容易重心不稳导致伤人和设备损坏；②联轴器重量大，泵侧联轴器重75 kg，联轴器中间节重量113 kg，因场地因素限制无法使用吊装工具，需人工进行拆装；③径向间隙狭小，泵侧联轴器与轴配合面较长，径向间隙小，2 名检修人员配合时由于受力不均易造成联轴器倾斜，导致搬运时卡涩；④轴向距离小，电机侧联轴器与泵侧联轴器的轴向距离有限，人员在狭小的空间内很难将中间节水平放入两联轴器之间，长时间的人工操作导致人员疲劳，容易出现人员及设备的损伤现象。

目前AP1000 堆型机组，并未开发相应的工具来实现联轴器的快速拆装，导致整个检修时间较长且风险较高，因此亟需一种可实现狭小空间内快速拆装厂用水泵联轴器及中间节的专用工具。

2 方案分析

根据以上分析，确认此快速拆装工具需要达到以下目标：①取代人力搬运联轴器中间节及泵侧联轴器，模拟联轴器垂直上升及水平移动的关键动作；②能提高拆装效率，尽量缩短拆装时间，减少重要设备不可用时间；③工具的整体重量不得过大，满足单人搬运需求；④工具的安装不得破坏厂用水泵的任何本体结构；⑤整个装置的刚度满足要求。

3 方案设计

3.1 总体方案确认

为实现以上目标，此装置主要设计有以下4 部分：①支撑挂点及调节机构，主要功能是将整个装置挂置在电机支架的吊装孔中，可避免破坏厂用水泵本体结构和实现调节的功能；②竖直提升组件，主要功能是采用梯形丝杠和辅助结构来模拟检修人员竖直提升联轴器的功能；③水平旋转组件，主要功能是采用销轴和水平臂配合的机构模拟检修人员旋转搬运联轴器的功能[2]；④夹具组件设计，主要功能是有效抱紧联轴器。

根据以上分析，确定整个联轴器拆装工具如图2 所示。

图2 联轴器拆装总体结构方案

3.2 支撑挂点及调节机构设计

支撑挂点是该装置与泵体结构的连接点，通过支撑挂点将两者结合，将所有提升、旋转产生的力通过此支撑挂点转移到泵安装基础上，结合泵的结构，可借用电机支架的吊装孔来实现此功能，同时也可避免破坏泵的结构。调节机构方便调整装置与泵轴的平行度，为后续竖直提升联轴器提供基础，支撑挂点与调节机构之间设置有经过热处理的光轴进行连接（图3）。

图3 支撑挂点及调节机构

3.3 竖直提升组件设计

日常检修常用的提升工具主要是螺旋千斤顶、液压千斤顶、顶丝螺栓、丝杠、葫芦等，由于现场空间受限，优先采用丝杠、顶丝等结构，结合支撑挂点结构，选用丝杠提升的原理来实现竖直提升。竖直提升组件主要包括固定摇臂、提升摇臂、平面推力轴承、丝杠、丝杠螺母、无油润滑轴承等，竖直提升组件依靠支撑挂点结构负责实现整个装置的竖直移动，可避免人员在狭小的电机支架内部搬运联轴器（图4）。

图4 竖直提升组件

上部摇臂通过推力轴承和光轴夹具固定，使其只具有旋转自由度，同时上部摇臂上安装有两列推力轴承、无油润滑轴承、丝杠、间隔环、锁紧螺母等部件，通过锁紧紧固螺母，使丝杠具备旋转的自由度。提升摇臂安装在两个光轴之间，提升摇臂上安装有梯形螺母、无油润滑轴承等部件，当丝杠旋转时驱动梯形螺母上下运动，从而实现提升摇臂的竖直移动。

3.4 水平旋转及夹具组件设计

水平旋转组件安装在提升摇臂上，通过销轴和两节水平摇臂进行连接，可实现整套工具的水平旋转功能。夹具组件可实现抱紧联轴器的功能，同时设置有防掉落工具。每个绕轴旋转的部位都安装有无油润滑轴承，保证配合间隙小的同时，也可轻松旋转水平旋转及夹具组件（图5）。

图5 水平旋转及夹具组件

3.5 整体结构稳定性分析

由于各个摇臂处链接部分因力臂的增加而递增，所以当该装置抓住联轴器中间节且完全伸直时，第1 节摇臂的链接部位承受的扭矩是最大的，最后一节摇臂夹具的位移变形量是最大的，只要这两处强度及位移变形量满足要求，则可认为其他部位也满足要求，因此对整个模型进行简化处理，利用有限元分析工具SOLIDWORKS Simulation 进行整体结构安全及形变量分析。

已知中间节的重量约为120 kg，加上机械臂的自重约65 kg，总负荷约为185 kg，模拟试验载荷以600 kg 计算，最终得出整个装置最后一节摇臂夹具的位移变形量0.12 mm，精度满足使用要求，第1 节摇臂的链接部位的最大应力44.8 MPa，小于材料的屈服应力51.5 MPa，满足强度要求。

4 方案验证

该工具可实现分体式安装，无需借用行车，依靠工作组成员即可完成专用工具的运输、安装等工作，已成功应用在厂用水泵机械密封更换工作。

5 结论

通过现场分析具体结构及实际需求，开发出一套狭小空间内拆装联轴器的工具，有效解决了AP1000 厂用水泵联轴器拆装难题，同时该装置可推广应用到同类型大型液下长轴泵联轴器拆装上。

综上所述，得出以下结论：①联轴器拆装工具方案满足要求，能适应狭窄空间，能够实现竖直移动、水平旋转，实现省力操作，节省检修工期；②利用有限元分析，在3 倍载荷的情况下，整个装置的应力及应变均满足要求，其结构稳定、精度可靠；③实际应用表明，整套装置操作方便、转动灵活，对人员技能要求较低，可有效降低伤人与设备损伤的风险。

与此前厂用水泵机械密封更换相比较，具有以下优点：①避免了联轴器竖直移动过程中的卡涩；②避免了联轴器无法水平移动至中间位置；③可减少重要设备不可用时间；④在保证质量与安全的同时，降低对人员检修技能要求。