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摘要 本文从恒力支吊架的力学原理入手，对比分析了核电站常用恒力支吊架的结构形式，得出主辅弹簧式恒力支吊架更适宜在核电站推广使用的结论；总结了核电站恒力支吊架的选型设计方法及注意事项。
关键词 恒力支吊架；力学原理；选型设计；注意事项
中图分类号 TM623.4 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0082-02
1 恒力支吊架在管系中的功能
核电站一回路的主蒸汽、主给水系统及二回路的专设安全设施、核辅助系统的部分管道经常在较高的温度下工作，如果这些管道因材料热胀冷缩产生的变形受阻，就会在管系中产生较大的二次应力，对管系中的管件造成破坏，此时就需在适当的位置设置弹簧支吊架来使管系具有一定的柔性，以释放这种热变形。
由于管道在运行过程中（冷态或热态）会受到弹簧支吊架与其重量不平衡的附加力，而且管道竖直位移愈大，其载荷变化率也愈大。RCC-M中H篇规定，变力弹簧载荷变化率：
Δ=≤25%（其中：K为弹簧刚度系数；位移量是指弹
簧运行过程中最远点和最近点的距离；Pmax为正常工况下的最大载荷）。为了把载荷变化率控制在这个范围，弹簧支吊架只适用于管道垂直位移不太大的场合，以减少弹簧的变形量。但是部分悬吊点的位移很大，会产生几十甚至上百毫米的位移，此时若仍采用变力弹簧支吊架，弹簧的载荷变化率就会超过规范要求，此时就必须采用恒力支吊架。
恒力支吊架是一种支承力不随支承力方向的位移发生变化的柔性支承，可避免系统运行过程中弹簧带来的附加力。RCCM中H篇规定，恒力支吊架在整个移动范围内包括摩擦力在内的支承力变化
率Δ=2≤16%，此支承力变化率由载荷试验确定。
2 核电站常用恒力支吊架的力学原理分析
核电站常用恒力支吊架按结构类型可分为重锤式恒力支吊架和弹簧式恒力支吊架，重锤式恒力支吊架的原理是依据配重箱内配重块所产生的重力矩和管道载荷力矩平衡的原理制造的，此类型恒力吊架虽然可以达到不错的恒定度，但由于受到配重块数量的限制，只适用于小载荷工况，不能满足大载荷的要求；弹簧式恒力支吊架按其设计原理可分为力平衡原理和力矩平衡原理两大派别，力矩平衡原理又分为三连机构和四连机构两大类别，均采用弹簧为储能元件，解决了载荷的问题。
力平衡原理的代表是德国LESEGA公司，力平衡原理恒力支吊架主要由主弹簧、两辅助弹簧和摆动的刀形凸轮组成。因此又称主辅弹簧式恒力支吊架，其工作原理及结构简图如图1所示，两辅助弹簧和刀形凸輪分别设置在主压缩弹簧的两侧。主弹簧压缩时的力-位移特性曲线为三角形，辅助弹簧和刀形凸轮在运动中可将此三角形补成矩形，达到恒力输出的结果。
由图1可以看出，载荷直接作用在主弹簧上，当主弹簧向下移动时，主弹簧上的小凸轮沿刀形凸轮移动，主、辅压缩弹簧产生的力均呈线性变化，主弹簧产生的力始终呈线性增大。在最高位置时，中间的主压缩弹簧不受力，机构的额定载荷全部由两侧的两个辅助弹簧在垂直向上方向上的合力产生，而两个辅助弹簧的水平力相互平衡；当小轮由最高位置向下运行至中间位置时辅助弹簧产生的合力为零，这时只有主弹簧承受载荷；在凸轮继续向下运行至最低位置时，辅助弹簧产生的合力方向与主弹簧相反。主、辅压缩弹簧产生的两组力叠加，从而实现恒力支吊架在位移范围内输出为恒力。
图1 力平衡式恒力支吊架力学原理图
图2 力矩平衡式恒力支吊架原理图
力矩平衡式恒力支吊架的主要代表是四连杆机构恒力支吊架，四连杆结构在设计上虽存在比较大的误差，可是这种误差是相对稳定的误差，所以四连机构原理的恒吊相应制定了部标和国标。而四连杆恒力弹簧在运行过程中，其轴线始终固定不动，便于对弹簧导向，从而改善工作性能。
四连杆弹簧式恒力支吊架的结构简图见图2，四根杆分别为OA，OB，BC和CD，O为回转中心，杆OA和OB为刚性连接，E为滑道，M为圆柱螺旋压缩弹簧，B和C为铰接。在机构运行过程中，忽略支铰和滑道处的摩擦，根据力矩平衡原理，杆AOB上的力对回转中心O的力矩应该是平衡的。这就是四连杆弹簧式恒力支吊架的力学原理。
从上述力学原理的分析可以看出，四连杆弹簧式恒力支吊架的缺点是：1）支吊点的运动轨迹是弧线，在垂直位移时必定会伴随着水平位移的产生，从而给支吊点带来额外的水平力；2）生根部分相对支吊点不对称，因而其生根部分的受力和空间布置比较复杂。
主辅弹簧式恒力支吊架在布置及使用则有比较明显的优势：1）支吊点在运行中无侧移及水平附加力；2）整个机构的摩擦副减少了，此类恒力支吊架摩擦副仅存在于凸轮和轴承之间的一对，且这种摩擦副只需在凸轮表面的精度上下点功夫，就可迎刃而解；3）安装方便。由于整个机构对称布置，只需配置一个悬吊点或直接搁置在钢梁上。4）调节载荷方便，只需调节中间主簧的预压量就可以达到调节载荷的目的。5）结构紧凑。整个机构的厚度尺寸小，可适用于空间紧张的位置布置。
从上述分析可以看出主辅弹簧式更适合于核电站的使用环境，在核电站恒力支吊架类型的选择中，应优先选择此类恒力支吊架。
3 恒力支吊架的选型设计
核电站管道系统恒力支吊架的选型依据管道力学计算报告提供的支承点各工况受力及位移，参照恒力支吊架供货商所提供的恒力支吊架“载荷位移及B值表”按照“热态吊零”的原则进行恒力支吊架的选型，并按照手册中提供的外形参数计算确定恒力支吊架的冷态安装参数。
因核电站在管道布置设计时需要考虑地震、管道破裂等事故工况下管系的应力情况，而不同于常规热力管道只考虑热态的运行情况，所以核电站用恒力支吊架在选型及冷态安装高度的确定时会不同于一般的热力管道。
3.1 选择恒力支吊架安装形式 核电站常用的重锤式和弹簧式恒力支吊架均有拉杆式、吊板式、搁置式三种安装方式。拉杆式、吊板式均为平式布置，需要的水平布置空间较大，其中载荷较小的为单吊点，载荷较大的为双吊点，双吊点安装方便，固定牢靠，可以承受较大的载荷，单吊点支架布置方便，安装时如遇障碍物，可以自由旋转，以避开障碍。搁置式需要把支吊架安置在支承构件上面。
安装方式的选取应综合考虑支吊架本身需要的安装空间尺寸和管道设备布置、吊装等整体布置的要求。
3.2 计算恒力支吊架工作载荷
恒力支吊架的工作载荷P工作= （P正常+P可动）/n，
其中，P正常为支承点正常工况载荷（见管道力学报告中的Normal栏）；
P可动可动载荷（作用在恒力支吊架上的，管道力学计算中未考虑的载荷）；
n为恒吊并联数。
3.3 计算恒力支吊架总位移
因核电站核级管道在事故工况下的位移有向上或者向下两种情况，并不像常规管道那样只考虑热态时的位移，所以管道支承点在设计工况下会出现正、负两个设计位移，为保证恒力支吊架在事故工况下仍能包容管道的位移，在此处应将设计工况下支承点位移的绝对值之和计为Δh设计，以扩大恒力支吊架的位移范围。
3.4 选择恒力支吊架规格号
由P工作、Δh总在“载荷位移及B值表”中选取恒吊规格；P工作不应超过表列载荷的±6%。
恒吊规格的选取应同时考虑位移和载荷，根据计算所得恒力支吊架总位移在“载荷位移及B值表”中就近选择比Δh总大的位移值作为本恒吊的设计总位移值，然后在所选择的位移栏中选择接近恒力支吊架工作载荷的载荷作为恒吊的额定载荷，并且恒力支吊架工作载荷不得超过表列额定载荷的±6%。
3.5 计算恒力支吊架安装（冷态）高度
恒力支吊架安裝高度的计算原则参考变力弹簧支吊架“热态吊零”的原则，即恒力支吊架冷态的安装位置应保证支吊架在热态（工作状态）时，弹簧的工作载荷正好等于管道支承点的分配载荷（管道力学计算报告中热态载荷），因恒力支吊架在整个行程中载荷恒定，所以冷态安装高度的选择宜保证其在热态时，弹簧处于整个行程的中间位置。
在进行核级恒力支吊架选型计算过程经常发现某些恒力支吊架支承点在热态是位移比较小，但是在事故工况下支承点的位移就会很大，并且是沿某个方向的位移较大，而相反方向的位移却较小，此时如果仍按热态时弹簧在行程中间位置的原则计算冷态安装高度，就会出现在事故工况下，支承点的位移会很接近恒力支吊架行程的某一端，甚至会超出其设计行程。所以在核级恒力支吊架安装高度的计算时，需要核算支承点在事故工况下是否会超出其设计行程。因恒力支吊架在整个行程内载荷恒定，所以在确定恒力支吊架的冷态安装高度时也可直接按设计工况下，正、负位移的中间点作为冷态安装高度，这样可确保在任何工况下支承点的位移均在恒力支吊架的设计行程之内。
4 恒力支吊架设计注意事项
4.1 吊杆直径的选择
恒力支吊架中吊杆成本虽然较低，但由于安装调试不当造成的吊杆过载时有发生，如果吊杆出现断裂将造成严重的后果，此外管道热位移及事故工况下的位移将导致管道双吊架受力不均或者单侧脱载，所以双吊杆恒力支吊架单侧吊杆应设计成可承受该支承点的全部载荷。如果恒力支吊架厂家所提供的配对拉杆尺寸不能满足此要求，则要求恒力支吊架厂家对恒吊设备进行变径。
4.2 冷态吊杆安装角度的选择
恒力支吊架载荷螺栓相对于垂直方向允许有4°左右的摆动以使吊架适应管道的水平位移。当管道从冷态到热态（即安装状态到工作状态）水平位移较大时，恒力弹簧支吊架与管道相接的吊杆冷态安装位置应充分考虑这个水平位移量和和位移方向后确定，以使工作状态下吊杆位置最合适（呈垂直状态）。
参考文献
[1]沈重光.恒力支吊架.电站辅机，2002，2：31-34.
[2]张继峰，刘明华.四连杆弹簧式恒力支吊架的设计计算.水利电力机械，2004，26（5）：4-6.
[3]王红杨.核电站标准支吊架设计手册.2010.
关键词 恒力支吊架；力学原理；选型设计；注意事项
中图分类号 TM623.4 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0082-02
1 恒力支吊架在管系中的功能
核电站一回路的主蒸汽、主给水系统及二回路的专设安全设施、核辅助系统的部分管道经常在较高的温度下工作，如果这些管道因材料热胀冷缩产生的变形受阻，就会在管系中产生较大的二次应力，对管系中的管件造成破坏，此时就需在适当的位置设置弹簧支吊架来使管系具有一定的柔性，以释放这种热变形。
由于管道在运行过程中（冷态或热态）会受到弹簧支吊架与其重量不平衡的附加力，而且管道竖直位移愈大，其载荷变化率也愈大。RCC-M中H篇规定，变力弹簧载荷变化率：
Δ=≤25%（其中：K为弹簧刚度系数；位移量是指弹
簧运行过程中最远点和最近点的距离；Pmax为正常工况下的最大载荷）。为了把载荷变化率控制在这个范围，弹簧支吊架只适用于管道垂直位移不太大的场合，以减少弹簧的变形量。但是部分悬吊点的位移很大，会产生几十甚至上百毫米的位移，此时若仍采用变力弹簧支吊架，弹簧的载荷变化率就会超过规范要求，此时就必须采用恒力支吊架。
恒力支吊架是一种支承力不随支承力方向的位移发生变化的柔性支承，可避免系统运行过程中弹簧带来的附加力。RCCM中H篇规定，恒力支吊架在整个移动范围内包括摩擦力在内的支承力变化
率Δ=2≤16%，此支承力变化率由载荷试验确定。
2 核电站常用恒力支吊架的力学原理分析
核电站常用恒力支吊架按结构类型可分为重锤式恒力支吊架和弹簧式恒力支吊架，重锤式恒力支吊架的原理是依据配重箱内配重块所产生的重力矩和管道载荷力矩平衡的原理制造的，此类型恒力吊架虽然可以达到不错的恒定度，但由于受到配重块数量的限制，只适用于小载荷工况，不能满足大载荷的要求；弹簧式恒力支吊架按其设计原理可分为力平衡原理和力矩平衡原理两大派别，力矩平衡原理又分为三连机构和四连机构两大类别，均采用弹簧为储能元件，解决了载荷的问题。
力平衡原理的代表是德国LESEGA公司，力平衡原理恒力支吊架主要由主弹簧、两辅助弹簧和摆动的刀形凸轮组成。因此又称主辅弹簧式恒力支吊架，其工作原理及结构简图如图1所示，两辅助弹簧和刀形凸輪分别设置在主压缩弹簧的两侧。主弹簧压缩时的力-位移特性曲线为三角形，辅助弹簧和刀形凸轮在运动中可将此三角形补成矩形，达到恒力输出的结果。
由图1可以看出，载荷直接作用在主弹簧上，当主弹簧向下移动时，主弹簧上的小凸轮沿刀形凸轮移动，主、辅压缩弹簧产生的力均呈线性变化，主弹簧产生的力始终呈线性增大。在最高位置时，中间的主压缩弹簧不受力，机构的额定载荷全部由两侧的两个辅助弹簧在垂直向上方向上的合力产生，而两个辅助弹簧的水平力相互平衡；当小轮由最高位置向下运行至中间位置时辅助弹簧产生的合力为零，这时只有主弹簧承受载荷；在凸轮继续向下运行至最低位置时，辅助弹簧产生的合力方向与主弹簧相反。主、辅压缩弹簧产生的两组力叠加，从而实现恒力支吊架在位移范围内输出为恒力。
图1 力平衡式恒力支吊架力学原理图
图2 力矩平衡式恒力支吊架原理图
力矩平衡式恒力支吊架的主要代表是四连杆机构恒力支吊架，四连杆结构在设计上虽存在比较大的误差，可是这种误差是相对稳定的误差，所以四连机构原理的恒吊相应制定了部标和国标。而四连杆恒力弹簧在运行过程中，其轴线始终固定不动，便于对弹簧导向，从而改善工作性能。
四连杆弹簧式恒力支吊架的结构简图见图2，四根杆分别为OA，OB，BC和CD，O为回转中心，杆OA和OB为刚性连接，E为滑道，M为圆柱螺旋压缩弹簧，B和C为铰接。在机构运行过程中，忽略支铰和滑道处的摩擦，根据力矩平衡原理，杆AOB上的力对回转中心O的力矩应该是平衡的。这就是四连杆弹簧式恒力支吊架的力学原理。
从上述力学原理的分析可以看出，四连杆弹簧式恒力支吊架的缺点是：1）支吊点的运动轨迹是弧线，在垂直位移时必定会伴随着水平位移的产生，从而给支吊点带来额外的水平力；2）生根部分相对支吊点不对称，因而其生根部分的受力和空间布置比较复杂。
主辅弹簧式恒力支吊架在布置及使用则有比较明显的优势：1）支吊点在运行中无侧移及水平附加力；2）整个机构的摩擦副减少了，此类恒力支吊架摩擦副仅存在于凸轮和轴承之间的一对，且这种摩擦副只需在凸轮表面的精度上下点功夫，就可迎刃而解；3）安装方便。由于整个机构对称布置，只需配置一个悬吊点或直接搁置在钢梁上。4）调节载荷方便，只需调节中间主簧的预压量就可以达到调节载荷的目的。5）结构紧凑。整个机构的厚度尺寸小，可适用于空间紧张的位置布置。
从上述分析可以看出主辅弹簧式更适合于核电站的使用环境，在核电站恒力支吊架类型的选择中，应优先选择此类恒力支吊架。
3 恒力支吊架的选型设计
核电站管道系统恒力支吊架的选型依据管道力学计算报告提供的支承点各工况受力及位移，参照恒力支吊架供货商所提供的恒力支吊架“载荷位移及B值表”按照“热态吊零”的原则进行恒力支吊架的选型，并按照手册中提供的外形参数计算确定恒力支吊架的冷态安装参数。
因核电站在管道布置设计时需要考虑地震、管道破裂等事故工况下管系的应力情况，而不同于常规热力管道只考虑热态的运行情况，所以核电站用恒力支吊架在选型及冷态安装高度的确定时会不同于一般的热力管道。
3.1 选择恒力支吊架安装形式 核电站常用的重锤式和弹簧式恒力支吊架均有拉杆式、吊板式、搁置式三种安装方式。拉杆式、吊板式均为平式布置，需要的水平布置空间较大，其中载荷较小的为单吊点，载荷较大的为双吊点，双吊点安装方便，固定牢靠，可以承受较大的载荷，单吊点支架布置方便，安装时如遇障碍物，可以自由旋转，以避开障碍。搁置式需要把支吊架安置在支承构件上面。
安装方式的选取应综合考虑支吊架本身需要的安装空间尺寸和管道设备布置、吊装等整体布置的要求。
3.2 计算恒力支吊架工作载荷
恒力支吊架的工作载荷P工作= （P正常+P可动）/n，
其中，P正常为支承点正常工况载荷（见管道力学报告中的Normal栏）；
P可动可动载荷（作用在恒力支吊架上的，管道力学计算中未考虑的载荷）；
n为恒吊并联数。
3.3 计算恒力支吊架总位移
因核电站核级管道在事故工况下的位移有向上或者向下两种情况，并不像常规管道那样只考虑热态时的位移，所以管道支承点在设计工况下会出现正、负两个设计位移，为保证恒力支吊架在事故工况下仍能包容管道的位移，在此处应将设计工况下支承点位移的绝对值之和计为Δh设计，以扩大恒力支吊架的位移范围。
3.4 选择恒力支吊架规格号
由P工作、Δh总在“载荷位移及B值表”中选取恒吊规格；P工作不应超过表列载荷的±6%。
恒吊规格的选取应同时考虑位移和载荷，根据计算所得恒力支吊架总位移在“载荷位移及B值表”中就近选择比Δh总大的位移值作为本恒吊的设计总位移值，然后在所选择的位移栏中选择接近恒力支吊架工作载荷的载荷作为恒吊的额定载荷，并且恒力支吊架工作载荷不得超过表列额定载荷的±6%。
3.5 计算恒力支吊架安装（冷态）高度
恒力支吊架安裝高度的计算原则参考变力弹簧支吊架“热态吊零”的原则，即恒力支吊架冷态的安装位置应保证支吊架在热态（工作状态）时，弹簧的工作载荷正好等于管道支承点的分配载荷（管道力学计算报告中热态载荷），因恒力支吊架在整个行程中载荷恒定，所以冷态安装高度的选择宜保证其在热态时，弹簧处于整个行程的中间位置。
在进行核级恒力支吊架选型计算过程经常发现某些恒力支吊架支承点在热态是位移比较小，但是在事故工况下支承点的位移就会很大，并且是沿某个方向的位移较大，而相反方向的位移却较小，此时如果仍按热态时弹簧在行程中间位置的原则计算冷态安装高度，就会出现在事故工况下，支承点的位移会很接近恒力支吊架行程的某一端，甚至会超出其设计行程。所以在核级恒力支吊架安装高度的计算时，需要核算支承点在事故工况下是否会超出其设计行程。因恒力支吊架在整个行程内载荷恒定，所以在确定恒力支吊架的冷态安装高度时也可直接按设计工况下，正、负位移的中间点作为冷态安装高度，这样可确保在任何工况下支承点的位移均在恒力支吊架的设计行程之内。
4 恒力支吊架设计注意事项
4.1 吊杆直径的选择
恒力支吊架中吊杆成本虽然较低，但由于安装调试不当造成的吊杆过载时有发生，如果吊杆出现断裂将造成严重的后果，此外管道热位移及事故工况下的位移将导致管道双吊架受力不均或者单侧脱载，所以双吊杆恒力支吊架单侧吊杆应设计成可承受该支承点的全部载荷。如果恒力支吊架厂家所提供的配对拉杆尺寸不能满足此要求，则要求恒力支吊架厂家对恒吊设备进行变径。
4.2 冷态吊杆安装角度的选择
恒力支吊架载荷螺栓相对于垂直方向允许有4°左右的摆动以使吊架适应管道的水平位移。当管道从冷态到热态（即安装状态到工作状态）水平位移较大时，恒力弹簧支吊架与管道相接的吊杆冷态安装位置应充分考虑这个水平位移量和和位移方向后确定，以使工作状态下吊杆位置最合适（呈垂直状态）。
参考文献
[1]沈重光.恒力支吊架.电站辅机，2002，2：31-34.
[2]张继峰，刘明华.四连杆弹簧式恒力支吊架的设计计算.水利电力机械，2004，26（5）：4-6.
[3]王红杨.核电站标准支吊架设计手册.2010.