高温高压水介质轴承试验台设计与应用.pdf

:./.高温高压水介质轴承试验台设计与应用刘公平徐金超王玉飞吴易明黎建涛张伟岐(.洛阳轴承研究所有限公司河南 洛阳 河南省高性能轴承技术重点实验室河南 洛阳)摘 要:针对高温高压水介质轴承试验台系统的设计和测试进行了探究重点介绍了试验台系统的组成、各系统的配置等多模块化设计和联动功能 以核反应堆中控制棒驱动机构轴承为试验对象在 、高温高压条件下利用该试验平台对水介质轴承进行 长寿命性能测试 通过对轴承性能和耐久性寿命的长期考核以及试验过程中的转速、扭矩、温度、压力等参数的监测验证该试验平台的可靠性和稳定性满足设计要求 为我国国产化高温高压轴承的设计和稳定性提供了可靠的支撑和参考关键词:高温高压水介质轴承试验台系统设计试验验证中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言随着我国核电工业的发展对核反应堆中轴承的工作性能要求变得更加苛刻因此对轴承的耐高温性和耐磨损性提出更高的要求 为了保证轴承在核反应堆中长期运转的稳定性需对轴承进行高温高压台架考核试验 由于核动力领域的特殊性各国均对相关技术进行封锁可查阅的国外研究成果较少 刘宝秋等对深水防喷器进行高温高压工况性能试验 蔡龙等研制了高温高压试验台对小型反应堆核主泵的各项性能进行测试 韩恩厚等分析了核电高温高压条件下水中不锈钢和镍基合金的腐蚀电化学行为 在轴承材料选择上蒋蔚等根据轴承在高温水中运转的工作条件探讨了轴承的类型选择 综上所述高温环境下核泵组件及金属材料摩擦学性能的研究已经取得了一定的进展但是对于高温、高压水介质条件下轴承零件性能试验台架的研究很少涉及笔者主要以核反应堆中控制棒驱动机构轴承为试验对象自行研制了高温高压试验装备在模拟高温高压条件下对轴承性能和耐久性寿命进行长期试验以验证轴承的稳定性和可靠性是否达到设计要求 高温高压轴承试验台架的研究和建造为我国国产化高温高压轴承的设计和稳定性提供了可靠的保障 试验台总体结构组成试验台架结构如图 所示 设备工作原理为:试验轴系作为整个设备的核心部分为轴承旋转提供可靠支撑压力容器为轴承运行提供稳定耐压的壳体、为传感器提供安装基座、为轴径向加载提供导向驱动系统通过磁性联轴器对内部试验轴系进行驱动模拟轴承在驱动机构中的转速加载系统为试验轴承提供稳定的载荷模拟轴承在驱动机构中承受的载荷制水系统为轴承提供去离子水工作介质氮气增压系设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:刘公平()男安徽阜阳人硕士研究生工程师研究方向:大型非标设计和轴承试验台结构设计及研发统为容器提供稳定压力模拟轴承工作压力导热油加热系统通过加热容器夹层间接加热内部去离子水模拟轴承工作温度测控系统主要用于试验台架各种运行工况状态和过程参数的监测并具备报警后自动有序停机功能数采系统用于处理试验过程中测量参数的实时采集、信号转换、运算处理及数据存储图 试验台组成.试验主体.驱动系统.压力容器.氮气增压系统.导热油加热器.加载系统.制水系统.电气操作系统 试验台系统设计试验台采用模块化设计氮气增压系统、制水系统、导热油加热系统为独立模块这些模块通过管路和电气控制与试验主体相连接 试验主体是整个台架的核心部分其结构图如图 所示 被试轴承安装在试验轴系上试验轴系深入压力容器内部通过压力容器釜盖进行密封为被试轴承所需高压环境提供试验条件容器侧面设有进水和出水口用于去离子水的流入和流出 压力容器外部设置导热油加热管道对容器内的去离子水进行加热 导热油管道外围填充保温层防止加热时热量的散失 设计活塞波纹管组件对轴承径向和轴向进行加载和密封 磁力联轴器作为驱动单元与试验轴系的连接 通过磁性带动试验轴系进行转动 容器釜盖设置管路连接安全阀、爆破片对超出设计压力的气体进行安全排放图 试验主体图.试验轴系的设计试验轴系是试验主体的旋转部分可以模拟轴承在主机中的安装方式并为轴承运行提供可靠支撑轴系模拟驱动机构的立式结构 轴系布置 套 轴承其中上、下 套为试验轴承中部 套为工艺轴承主轴两端锁紧螺母可根据试验要求为轴承提供拧紧力矩搅拌桨叶可防止顶部轴承运行产生的磨屑颗粒落入底部轴承径向加载活塞为 套轴承提供径向力轴向加载活塞为 套试验轴承提供轴向力中部预紧弹簧为 套工艺轴承提供轴向预紧力试验轴系的结构图如图 所示图 试验轴系结构图.压力容器设计容器内部承压部分采用 不锈钢整体锻件下封头与器身一体化设计增强容器强度 压力容器外观图如图 所示 压力容器上封头采用不锈钢刀口密封金属石墨缠绕垫片的组合密封方式釜盖通过螺母和螺柱配合对釜盖进行压紧保证容器的密闭性加工过程中容器主体下定位内孔与上盖定位内孔的同心度.以保证上下两套轴承的同轴为验证腔体的密封性采用流体分析软件对压力容器进行压力和热力耦合分析容器应变分析云图如图 所示 当腔内温度达到 压力 时得出上盖的变形最大变形从内部向外围逐步扩散应变主要集中在中间密封处变形量最大为.计算结果表明容器强度和密封性完好满足测试要求图 压力容器外观图 图 容器应变分析云图 在压力容器外围采用复合硅酸盐保温材料中的硅酸铝陶瓷纤维保温棉作为试验装置的保温材料该机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发材料具有防火、阻热、隔音耐高温的特点.加载活塞的密封设计设备是在高温高压下进行加载为保证活塞前后运动并且达到可靠的腔体密封环境采用波纹管密封方式对加载活塞进行密封工作方式类似波纹管阀杆密封如图 所示图 加载结构设计图 由于腔体带压后会产生与加载活塞前进方向相反的压力为排除活塞反向压力对载荷施加的影响活塞向前运动与试验件未接触时记录力传感器读数前进活塞接触试验件时记录力传感器读数 贴合实际试验件受力为 贴合前进.磁性联轴器的设计机械密封可用于高转速、轴封泄漏要求较低的条件 其使用压力不高一般用于.以下场合填料密封一般用于低转速、轴封泄漏要求不是很高的条件下其最高压力一般可达到 填料密封维护和使用方便但转速受到填料种类及线速度限制另外填料密封在工作过程中会产生不可避免的磨损图 磁力联轴器组成图 此次试验设备最高压力达到 对轴系的密封要求比较苛刻 为保证釜内去离子水的洁净性、试验的安全性试验台架选择磁力传动密封 磁力传动密封由内外磁环和隔离罩组成具体结构如图 所示内外磁环多件 极、极瓦形永磁体按圆筒形交替叠加在轭铁表面所构成的磁性组合体内磁环与试验轴系通过螺钉紧固在一起外磁环与电机轴固定隔离罩将轴系密封在容器内外磁环在电机的带动下通过磁力作用带动内磁环转动间接带动试验轴系转动.电气测试系统设计电控系统主要由控制计算机、面板器件、信号调理单元、驱动单元、检测单元、操控台等组成它可对容器进行压力监测、分段加压、补压、卸压并保存试验记录还可显示去离子水液位状态实现对容器内水进行控制 其中控制计算机由工业控制计算机、显示器、采集卡等组成并配备键盘、鼠标等信号调理单元由信号放大电路、采集电路等组成 电控系统采用上下位机的方式进行控制分为热电控系统和驱动控制系统 系统原理如图 所示图 电控系统原理图 嵌入式系统通过接口电路控制试气泵机组进行增压与上位机采用串口进行通讯 通过继电器组电路控制导热油加热模块变频器控制驱动电机的转动与上位机采用 进行通信上位机软件主界面如图 所示主要包括显示区、操作区和信息提示区 显示区主要显示加压段数、每段的加压目标值等设备运行相关信息 操作区主要包括设置参数、启动、停止、历史曲线查询、打印曲线、退出系统等操作按钮 信息提示区主要显示报警信息和提示信息等图 上位机软件主界面 试验系统验证通过装配后的试验轴系连接各个模块进行高温高压测试并验证测试系统的可靠性.试验对象试验对象是核反应堆驱动控制系统中的控制棒驱动机构轴承 为提高控制棒驱动机构的可靠性模拟反应堆中高温、高压环境下的启堆、调节功率、维持功率对驱动机构轴承造成的间断、连续的径、轴向常规载荷以及正常停堆、安全保护停堆、海浪造成的船体摇摆倾斜、船体碰撞等对驱动机构轴承的影响.试验方法试验台架的操作如图 所示首先对试验信息进行记录信息无误后对轴承以及轴系进行装配轴设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用系吊装入容器内部安装容器上盖开启进出液阀门釜内添加去离子水达到工作液面后关闭进出液阀门确认试验轴系转动灵活无卡滞、轴径向加载活塞前后运动灵活无卡滞控制氮气增压系统工作待腔体压力达到试验规定压力.时启动导热油加热器按照试验要求设置腔体介质温度 待腔体介质温度达到 后开启轴向加载电动缸试验施加轴向 、径向 载荷启动驱动电机转速 /正转 停 再反转 循环转动 试验过程中观察转速、转矩、腔内压力、水温等参数是否稳定图 试验台操作流程.试验结果通过对设备各分系统调试及设备整体联调使设备连续运行了 期间各参数平稳且均在要求精度内图 为试验轴系转速变化曲线图 截取 试验数据曲线可以看到轴系转速从正向 /转动 停机 然后反转 驱动系统控制比较稳定图 试验轴系转速曲线图 图 为试验过程中扭矩的变化曲线图 在 内正转和反转扭矩基本维持在 和 之间波动扭矩测量信号稳定 可以长期监测试验轴系的扭矩以间接反映轴系轴承是否出现故障图 为试验过程中去离子水温度的变化曲线图在 内腔内水的温度在 之间波动加热系统温度控制比较精确保温层保温效果比较好加热系统可以为设备提供稳定且长期的加热条件图 试验轴系扭矩图图 容器内去离子水温度曲线图 图 为试验过程中腔内压力的变化曲线图 从图中可以看出在 内腔内压力在 之间波动当压力低于 时氮气增压系统启动对容器进行增压当压力高于 时通过排压阀对容器内压力进行降压 此曲线表明氮气增压装置在整个系统运行过程中控制比较稳定可以长期保证容器内压力在一定范围内图 容器内压力变化曲线图 结 论文章介绍了高温高压轴承试验台的设计方法综合以上试验测试结果得到以下结论()该试验台满足高温 、高压.下轴承承受轴向和径向的各项性能测试要求 试验台的各个系统模块控制精度和测试要求可以满足轴承的测试试验条件()通过试验台的搭建、调试及试验轴承安装后的高温高压循环试验证明研发出的试验台均满足此设计所有的预期技术指标为轴承的高压高温试验提供了新的试验平台(下转第 页)机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发 ():.王跃辉王 民.金属切削过程颤振控制技术的研究进展.机械工程学报():.():.():.魏协奔.轧机齿轮箱多通道振动监测系统设计与研究.机床与液压():.龚中良苏子贤.深通孔键槽铣床柔性转轴振动特性研究.机床与液压():.刘亚俊余昆庞国达等.基于 的液压振动锤启停共振控制技术研究.机床与液压():.魏协奔.数控冲床振动分析及缓冲系统研究.机床与液压():.():.(上接第 页)一种多连杆变胞蜂箱搬运机构构形通过对蜂箱及附件重力、搬运机构关键构件尺寸参数、人体施力大小以及操纵范围等因素的综合分析理清了各因素对搬运机构的影响规律获得了最优化搬运机构对搬运机构的实践应用可提供一定的理论参考和指导参考文献:李泽青许继明马 超等.天津市养蜂业的发展现状及对策建议.天津农林科技():.许正鼎.中国蜂产业 年度报告.北京:中国畜牧业协会蜂业分会.李 烨.浅谈养蜂机械化发展.中国蜂业():.潘军成金 帅.老龄化蜂农养蜂模式的现状与效益调查.中国蜂业():.周冰峰.论我国养蜂机械化发展.中国蜂业():.汪礼国尹 平丁向英等.谈我国养蜂机具的发展现状与方向.蜜蜂杂志():.张士泉张洪强.养蜂巧“搬家”.中国蜂业():.张曌楠杨萌.养蜂车发展历史与现状.中国蜂业():.唐黎标.中华蜜蜂养殖技术.蜜蜂杂志():.丁玉兰.人机工程学.版.北京:北京理工大学出版社.(上接第 页)参考文献:张一兵柯 瀛燕松山等.自润滑滚子轴承的高温摩擦学特性.润滑与密封():.刘宝秋曾家旭.深水防喷器高温高压试验台加热系统的研制.化学工程与装备():.蔡 龙陈 安徐 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