核電設備鑒定用地震臺最大性能優化

葛 磊， 李志永， 盧 星

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240；2. SERVOTEST測試系統有限公司， 北京 101102)

根據三代核電設備的抗震鑒定要求[1-3]，須要建設最大性能為6 t負載條件時，最大加速度達到68.67 m/s2的地震臺[4]。某地震臺按照上述參數進行了設計和建造，該地震臺在調試的過程中，發現原先的設計無法滿足最大性能的要求。筆者通過測量該地震臺作動器共振頻率，運用有限元軟件和理論公式進行計算，分析地震臺無法達到最大性能的原因，并根據經驗對作動器球鉸及過渡板進行改進，再對改進后的地震臺作動器的共振頻率進行測量以及對最大性能進行測試，最終該地震臺的最大性能能夠滿足6 t負載條件下68.67 m/s2的要求。

1 問題描述

該地震臺為三軸六自由度液壓臺，3個軸向的預期最大性能均為6 t負載條件時，最大加速度達到68.67 m/s2。水平方向采用4個作動器呈45°布置，每個作動器的最大動態推力為260 kN，地震臺的布置見圖1(X、Y向為水平向，Z向為垂直向)。

圖1 地震臺布置圖

在最大性能試驗調試的過程中，發現在6 t負載條件時，最大加速度無法達到68.67 m/s2的要求，測量數據見圖2。

圖2 最大性能試驗數據

由圖2可知：頻率小于32 Hz時，部分頻率點的加速度無法達到68.67 m/s2；頻率大于32 Hz時，X、Y向加速度有明顯衰減，Z向加速度衰減較慢。

2 原因分析

2.1 有限元分析

根據單個球鉸及臺面的尺寸，建立有限元模型，并進行模態分析，得到一階模態時，頻率為58.45 Hz，振型為水平向擺動，結果見圖3，AMPRES為虛位移。

圖3 一階模態振型圖

由圖3可知：與作動器連接的2個球鉸(圖中A、B處)及作動器與球鉸的過渡板(圖中A處)變形明顯，作動器的本體部分(缸體及伺服閥)的變形較小，因此作動器的共振主要由2個球鉸以及過渡板剛度不足造成的。

球鉸及過渡板的結構見圖4。作動器與球鉸的過渡板采用8個M12螺栓連接，球鉸擺耳總長為22 cm、厚度為20 mm。

圖4 球鉸結構

2.2 現場測量

根據分析結果，進行現場實測，以確定作動器的共振頻率及放大系數。

測試對象為水平向及垂直向作動器各一個，測試方法為1～100 Hz的正弦掃頻，臺面幅值為0.2g(g為重力加速度)，掃頻速率為2 oct/min。得到水平向及垂直向作動器的一階頻率分別為59.5 Hz和67.2 Hz，在此共振頻率點作動器不同位置的放大系數(共振頻率點響應加速度與0.2g的比)見圖5和圖6。

圖5 水平向作動器放大系數

圖6 垂直向作動器放大系數

由圖5和圖6可知：

(1) 由于水平向作動器的共振頻率為59.5 Hz，共振頻率帶為30～75 Hz，同時頻率大于32 Hz時，水平向加速度有明顯衰減，而垂直向作動器的共振頻率為67.2 Hz，高于工作頻率(64 Hz)，垂直向加速度衰減較小，因此共振是無法達到最大性能的直接原因。

(2) 作動器缸體段放大系數基本呈線性，且與作動器連接的2個球鉸及過渡板放大系數相比，其斜率明顯較小，因此可知作動器缸體剛度較高，球鉸及過渡板的剛度較低。

(3) 由于球鉸及過渡板的剛度較低，引起作動器共振時作動器缸體的放大系數較大，從而作動器在共振時須要提供更大的出力，即地震臺的一部分性能用于抵消共振所產生的力，導致在共振頻率帶內無法達到要求的最大性能，因此球鉸及過渡板剛度低是無法達到最大性能的根本原因。根據圖4可知：造成球鉸剛度低的原因是球鉸擺耳過長、厚度偏??；造成過渡板剛度較低的原因是2塊過渡板之間的連接螺栓數量小、尺寸小，提供的連接力不足。

3 改進方案及效果

3.1 改進方案

對球鉸及過渡板結構進行加強，以增強系統的剛度，主要是將球鉸擺耳加厚、變短，同時將球鉸與作動器之間的2塊過渡板換成1塊整體的過渡板。改進后的球鉸結構見圖7。

圖7 改進后球鉸結構

3.2 有限元分析

對改進后的模型重新進行模態分析，得到一階模態分析時，頻率為70.178 Hz，振型為垂直向擺動，結果見圖8。

圖8 改進后一階模態振型圖

對比改進前的模態結果可知，一階頻率有明顯增加，且振型由水平向擺動變為垂直向擺動，球鉸及過渡板處的變形明顯減小。

3.3 現場測試

3.3.1 測試結果

用與2.2節相同的測試方法，得到水平向及垂直向作動器的一階頻率分別為70 Hz和71.3 Hz，在此頻率點作動器不同位置的放大系數結果(改進前后對比)見圖9和圖10。

圖9 改進前后水平向作動器放大系數

圖10 改進前后垂直向作動器放大系數

根據圖9和圖10可知：球鉸改進后，水平向作動器的共振頻率有明顯提高，垂直向作動器共振頻率有一定的提高，同時作動器在共振點的放大系數均有明顯下降。

3.3.2 最大性能測試結果

對更換球鉸后的地震臺進行最大性能測試，結果見圖11。

圖11 改進后最大性能數據

根據圖11可知：更換球鉸后的地震臺X、Y、Z向加速度均大于68.67 m/s2，能夠滿足要求。

4 結語

(1) 更換球鉸前，地震臺最大性能無法滿足設計要求，水平向和垂直向作動器的共振頻率分別為59.5 Hz和67.2 Hz，共振時的最大放大系數分別為4.35和6.4，球鉸及過渡板剛度低是地震臺無法達到最大性能的根本原因。

(2) 改進球鉸后，水平向和垂直向作動器的共振頻率分別為70 Hz和71.3 Hz，共振時的最大放大系數分別為3.25和3.66。改進后的水平向作動器和垂直向作動器共振頻率均有所升高，共振時的最大放大系數有明顯下降，且地震臺最大性能能夠滿足6 t負載條件下68.67 m/s2的要求。

綜上，通過對作動器球鉸及過渡板的改進，使得作動器的共振頻率提高，放大系數降低，地震臺的最大性能達到設計要求。