估算装配部件冲击载效应

伟光

/ Q1 H. b. O8 P$ N1 f
三代核电压水堆采用非能动安全策略，
采用无轴封的屏蔽式核主泵，
核主泵为一回路压力边界，
# V/ L$ `% J- D6 _推力轴承为水润滑，
' c" o( k+ \7 [( Y惰转飞轮与推力盘复合结构，
# M6 B) c4 ~" o  ^推力瓦往往为石墨或碳碳复合材料，不耐冲击
) h$ W* L1 a; @3 z在设计阶段如何估算安装时安全落入高度？
) o% G- H9 ~5 D% |1 u2 F: I, b
上图的物理模型可以进一步简化为下图碰撞数学模型

推力瓦的数量为n，转子的质量抽象为一个质点m，转子下降速度为v，
推力盘距离推力瓦的高度为h，推力瓦简化一个两点简支梁，
并且做以下假设：
a、不考虑推力盘在轴向的微小偏转
8 ?0 C4 p6 Y5 l4 bb、不考虑推力瓦之间载荷不均匀性
" V# K, N8 D4 X, ~$ y& fc、不考虑推力瓦具体限位结构带来的周向和径向微小偏转
d、假设推力轴承为刚性支撑，冲击过程推力盘变形折算至推力瓦处，
e、假设被冲击的推力瓦重量与转子重量相比很小而且可忽略不计，
% L: L; W- d, i0 _, B, t0 x  m这个时候转子与推力瓦接触后，可认为附着与推力瓦上而成为一个系统，
: D, r9 K& p+ h  S在随后的过程中转子沿着冲击方向的运动即可用一个单自由度系统的弹性扰动来模拟：
% j  ^' s/ A( X. v8 ~
（dangdangdang，敲下黑板）
1 T7 A' i( U0 f3 c
$ q8 o! c5 [+ R, o
力的本质是什么？相互作用，惯性系中的相互作用，
) @! @& I( T' d3 {在这个碰撞工况下，梁的变形应力F1，就是相互作用，
4 X4 l+ y/ N% k: p碰撞物所在的惯性体系中的等效力F2=Ma.

# i6 j6 z; z* I4 v, y& `
) i8 v, f/ h! w& n7 z& l5 o- W5 ^好啦，冲击力F=F1+F2，
假设梁的静态变形值为Δ，即位移，
根据胡克定律F1=k*Δ，k为梁弹性系数，
# l, G1 z1 M6 S% B既然是位移，一阶导数为速度，二阶导数为加速度a，
所以F2=（Δ的二阶导）*m/n


整理一下：

/ M6 x: ]; D7 [
哦原来是一个二阶微分方程，对他求解一下：
+ P3 `7 Q+ Y: Q/ p2 \
8 R( h6 f' i& Z6 C, p" O+ _6 Y% `
根据前面假设，Δ一阶导为V0，Δ在0秒时值为Δ，继续简化为：
) D0 q5 J  w8 c( G% \& o( G& _7 ~5 k
9 u  {8 V' s8 @8 Z/ S3 X: |
: M/ S. A- x: [  d在转子插入屏蔽电机的过程，转子是匀速点动下降，
转子的推力盘在与推力瓦接触前，初速度为0，
在最后一次点动下降之前，推力盘距离推力瓦高度为h；
在最后一次下降过程中，
推力盘与推力瓦即将接触的一个微小时间前数值为v0，
转子的重力势能G转化为转子动能E，根据能量守恒原则，重力势能的变化等于下落动能的增加。
/ |6 P! B" B) H* K3 s5 R
  W% i7 X# T) W4 h

! Z" y! o$ S/ z0 P: {6 [2 J5 K' y% q可见，安装过程中的动载荷冲击是不能简单忽略的，
& m0 x) @+ C, d4 Q0 W4 F即便推力盘在与推力瓦之间无限接近处初速度为0的状态下发生碰撞，
5 |. B  n8 I- Z7 K) V碰撞产生的冲击载荷至少为静载荷的两倍。
9 K6 Z) u0 M+ }' t+ Q7 l
3 v/ o- |0 {4 o2 U; F* c根据某型核主泵水润滑推力轴承静态载荷变形计算，累计等效变形为0.07mm，

  N, m$ ?, K/ u/ O% r6 V) h
& h  t) B( ?/ U+ x1 k% Y& T5 f. t某型核主泵推力轴承装配对应的动载荷系数
# }, }/ \0 S' x; N9 y( y6 }# P
5 H/ b2 X. ]* Z0 r- u. {6 X对于某型核主泵，转子最后一次下落时的高度h不同时，
( ?$ F. l/ `: q+ ^! E% T其动态载荷系数K变动较为明显，如下图所示，
随着高度h从0mm增加至100mm，动态载荷系数从2增加至54.46。
3 S  b- H- `% O3 ^/ X3 Y% i
4 Z3 Q+ Q+ w+ j! s! a

9 _( M) v) ?8 W5 c  {核主泵水润滑推力轴承推力瓦材料一般选用石墨或碳碳复合材料，
# l1 F! n- F( R7 w三代核电瓦面材料的抗折强度一般应大于90MPa，
9 a7 C9 R( c( m可以根据最小抗压强度推算装配过程发生冲击载荷时转子的最大安装落入距离hmax；
瓦面抗折强度为P，最大取值90MPa，此推力瓦面瓦型为阶梯型，最大点静载荷为P0，取值约1.5MPa，

' f  |1 ]8 j' b

4 J8 O& t& }0 j2 G
从上可知，在核主泵推力轴承支撑结构固定时，
瓦面抗折强度增加时，最大安装落入距离增加，
$ A5 w% S" f/ k7 L0 t, S6 j瓦面最大点静载荷增加时，最大安装落入距离减小，其分布规律如下图所示。



将P=90，P0=1.5代入，可得hmax=121.8mm。
根据以上分析，此核主泵插转子过程中，一旦落入距离大于122mm时，
: n; n- l$ ?/ f3 A7 I瓦面的局部区域将发生部分浅表层脱落，在安装过程中，推力瓦表面将产生的破碎颗粒。

+ I4 _% K3 p; j4 l9 N可见当初速度为0时，冲击载荷主要和两个因素有关，静载荷变形和碰撞距离。

PS：江湖传言天下武功唯快不破乎？为何武功高手劈树不砍树梢，请诸君自解。



7 J- J1 R# [2 N8 O5 u6 h* }

未来第一站

啧啧！连装配下落高度都要严格计算！
相比之下我等都是干粗活的苦力了！
; r) x1 G0 U$ f7 g$ i3 Z谢谢大侠分享！

+ Z4 Y# S7 C2 T5 b- x, G; o2 f

生存于山水

敬礼

454141017

自由落体动能与承接材料的应力平衡距离为121.8mm. 计算出来之后，减半脱手即可无忧。

pengzhiping

大侠你在电机论坛的发的手写帖子怎么没有找到！

pengzhiping

向这务实的大侠学习致敬！

成形极限

高手！这才是工程师应该干的事情！分析推理循序渐进，有理有据！典型范本

菜鸟科学

高手的帖子差点错过了。