摘要：设计一套反力架拉力测量装置，本套装置使用标定过的压力传感器，通过将拉力转化为压力的方式进行测量，解决了超过200吨拉力传感器的制作及标定问题。
关键词：拉力传感器；压力传感器；反力架
1工程概况
AP1000一体化堆顶组件（IHP）的三角架提升机构，是核岛反应堆压力容器顶部重要的部件之一。按照设计要求，三角架在制造完成出厂前，需要对三角架机构的三个角点分别测量其拉伸荷载值，三点的拉力均大于200吨。目前国内传感器生产厂家对拉力传感器的最大标定范围为0~200吨，超过200吨的拉力传感器通常根据0~200吨的线性情况来判定。而对三角架提升机构的拉伸试验需要使用至少500吨的拉力传感器，500吨的拉力传感器体积大，且标定设备已达到极限。考虑到拉压力相互转换，可将压力传感器用作拉力传感器，配合使用穿心压式传感器，设计一套拉力测量装置，解决了拉力传感器标定难题，提高了数据准确性，结构形式见图1。
此拉力测量装置最大设计测量值为500吨，在竖直轴向方向受力，因此穿心传感器与施力部件之间没有摩擦，仅将拉力转换为压力，测量精度取决于压力传感器的精度。
2技术原理
利用力的相互作用关系，见图2；F1与F2为作用力与反作用力，而F1与F2之间的物体受拉力，此处将F1与F2之间的物体在端面A与B处断开，F1对A面产生拉力，同样F2对B面产生拉力，在A与B之间增加两端面为A'与B'的物件，使得F1对A面的力F1'通过面A'来平衡，A'受压力；同样F2对B面的力F2'通过面B'来平衡，B'受压力；这样就可以将拉力转换为压力，而端面为A'与B'的物件就是压力传感器。
相互作用的两组力都在传感器的外部将会使反力装置体积很大，因此将传感器制作成穿心形式。反力架结构采用螺纹连接，既可以满足受力要求又能够保证连接角度并实现高度调节。
3钢结构设计及螺纹连接计算
3.1传感器结构尺寸计算
吊耳和拉力杆与穿心称重传感器之间的间隙控制在2mm，既保证拉力测量时不会有摩擦，同时也保证在不受力及安装时间隙过大而引起碰撞；依据公式估算钢结构大小，截面积A≥21235mm²，考虑螺纹连接及传感器接线口的开口等界面削弱影响，施力螺母取外径为Φ460螺纹为M380，吊耳螺纹与施力螺母为M380，内径取Φ301。
3.2强度校核
采用Workbench建立实体有限元模型，利用ANSYS[3][4]软件进行受力分析。施力方式为一端加载设计力值，另一端采用固结约束，划分网格。设计测量拉力F=500吨，计算钢结构时按照N=1.2×1.1×F进行设计计算（其中1.2为不均衡系数，1.1为动载系数）[5]，为保证反力架材料性能均匀，采用锻制35CrMo[2]材料制作，抗拉强度=460Mpa；计算结果表明反力架整体受力均匀，在接触的两个面的边角处出现应力集中现象，因此在拐角处要做圆滑过渡以减小应力集中；从应力云图可以看出最大应力约为350Mpa。
3.3内壁螺纹计算
根据外形的设计及有限元分析确定的壁厚要求设计管螺纹M380，取最大螺距8，则小径为：351.34mm。
根据公式 
=343.1mm[2]，符合要求，为使受力稳定且易于拆卸螺纹，取最大螺距值，因此螺纹设计为M380×8；螺纹旋合长度设计为150mm，则旋合牙数为z=H/8=18.75，取z=18；通过验证螺纹根部剪切力及牙根弯曲强度以最终确定螺纹是否满足要求：
螺纹根部剪切力校核：ζ=
=42.5MPa≤（155MPa/2）[2]满足要求，螺纹根部弯曲强度校核： 
=93.3MPa≤（310MPa/1.48）[4]满足要求。
3.4螺杆螺纹计算
根据受力要求及设计计算值确定螺杆的螺纹大小。
根据公式
=166综合考虑圆钢的大小及连接尺寸取小径为171.34mm，为使受力稳定且易于拆卸，取最大螺距值，因此螺纹设计为M180×8；螺纹旋合长度设计为200mm，则旋合牙数为z=H/8=25，取z=25；通过验证螺纹根部剪切力及牙根弯曲强度以最终确定螺纹是否满足要求：
螺纹根部剪切力校核：ζ=
=62.8MPa≤（155MPa/2）[2]，满足要求。
螺纹根部弯曲强度校核：
=137.8MPa≤（310MPa/1.48）[2]，满足要求。
综上所述，设计符合要求。
4安装维护
安装时制作安装支撑架，以便于各构件能够顺利方便的安装，避免安装倾斜时非受力部位受力损坏称重传感器。安装时需吊车配合，安装传感器时需将传感器受力面装于受力卡槽内，螺纹旋合长度要达到设计值。安装好后此装置要竖直悬挂。
由于此拉力测量装置测量吨位大，拉力的转换全部作用在螺纹上，因此安装前要注意检查螺纹的表面缺陷；同时考虑保养、标定等必需拆卸因素，螺纹的受力是否均匀非常重要，要求在安装前除锈，外表面涂油漆，内部涂防锈油，螺纹连接处涂二硫化钼锂基脂，以防止受力不均匀产生变形导致拆卸困难；在使用的过程中，要经常转动螺纹以防止局部受力过大。
5结语
大型压水堆IHP三角架拉伸试验用拉力测量装置的应用，可以有效的解决大吨位拉力传感器在制作上体积大、成本高的缺点；解决了超过200吨拉力传感器的标定问题；极大地提高了大吨位拉力器的测量精度。另外，此套装置能够应用于很多大吨位测量领域及大吨位拉力试验领域。
参考文献
[1]NB/T_47008-2010承压设备用碳素钢和合金钢锻件[S].
[2]机械设计手册（新版）第一卷3版[M]，北京，机械工业出版社，2004.8.
[3]李皓月，周田朋，刘相新，ANSYS工程计算应用教程[M]，北京，中国铁道出版社，2002.11.
[4]王新敏，ANSYS工程结构数值分析[M]，北京，人民交通出版社，2007.10.
[5]GB50017-2003钢结构设计规范[S].
论文作者:吴伟,樊永生,刘茂平
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/26
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