文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）06-072-04中圖分類號：TP29

關鍵詞：核電站；六自由度；抗震；顯示器支架；設計

顯示器是核電站控制室的主要顯示設備之一，其工作的安全可靠性對核電站安全、可靠、穩定運行至關重要。隨著科學技術的不斷發展，顯示器經歷了從小到大、從重到輕的不斷進步，與之對應的顯示器安裝方式也從傳統固定的嵌入式安裝轉向靈活的支架式安裝。在核電項目主控室OWP盤臺Mock up驗證過程中，操縱員提出了顯示器均勻、密集安裝的要求。如圖1所示，由于OWP盤臺柜體尺寸各異和多角度布置及顯示器傾斜安裝，要實現顯示器均勻密集安裝，顯示器必須前后左右位置均可調整。同時，為彌補盤臺相關結構加工制造的誤差，尤其要克服顯示器顯示角度與主控室燈光布置發生沖突而出現反光的問題，顯示器上下方向的可調與顯示角度的可調亦尤為重要。顯示器支架的六自由度調整，可最大限度地增加其應用范圍。

圖1部分OWP盤臺布置示意圖

商業級顯示器支架可以實現顯示器六自由度調整，但一般靠阻尼實現各個自由度的固定，同時商業級顯示器支架自身強度較低，無法滿足核電站抗震要求。應用到核電站的設備，除具備必要的功能外還要具備足夠的抗震性能。對顯示器支架而言，在實現相關人因要求的同時還要使各個自由度均能可靠鎖緊，從而保證其正常工作時可承受所安裝顯示器的重量、地震載荷下能夠保持顯示器的功能完整。

1　技術要求

1.1　抗震要求

核電站相關物項抗震等級共分為三個類別：抗震I類、抗震II類和非核抗震類。其中，抗震I類要求相關物項能承受S1（運行基準地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）載荷，并保證在地震發生時或（和）地震后能履行其安全功能；抗震II類要求物項在S1和S2載荷作用下自身完整或（和）不能影響抗震I類物項的安全性。

地震載荷一般由要求反應譜規定，即由用戶給出作為驗證試驗技術條件一部分，或人為產生已包括未來應用條件的反應譜。

顯示器支架要求滿足抗震I類要求-在地震載荷下，顯示器支架不僅自身保持完整，還要保證其安裝的顯示器功能完整。

1.2　人因要求

相關標準要求，坐姿操作控制臺高度一般不應超過最矮操作員坐姿時的眼高（1140mm）。坐姿操作控制臺顯示器的高度在操作位置處應在操作員視野上限（水平視線以上75°）之內，其安裝方向應使視角不小于45°。

不同需求對應的控制臺桌面高度、深度和寬度等不同。為提高通用性，顯示器支架上下方向、前后方向、左右方向及顯示角度應在一定范圍內可調。

2　結構設計

核電站主控室六自由度抗震顯示器支架可以實現顯示器在左右方向、前后方向、上下方向一定范圍內移動，以及繞豎直面各個方向一定范圍內轉動，而且每個自由度都能可靠鎖緊。

如圖2所示，核電站主控室六自由度抗震顯示器支架主要由六部分組成：基座組件①、主軸組件②、主擺臂組件③、裝飾軸組件④、副擺臂組件⑤和萬向轉軸組件⑥。

核電站主控室六自由度抗震顯示器支架的關鍵技術具有自主知識產權，受專利保護（專利號：ZL202111399503.7；ZL201921548682.4；ZL202330201797.1）。

圖2顯示器支架示意圖

2.1　設計原理

核電站主控室六自由度抗震顯示器支架完全展開狀態下的剖視圖如圖3所示。

圖3顯示器支架剖視圖

裝飾軸組件④固定“上下調節螺桿”。調節“上下調節螺桿”可帶動主軸組件②沿“軸1”軸向移動，實現顯示器上下方向移動（一個自由度）。“軸套1”限制主軸組件②繞“軸1”轉動。

主擺臂組件③可繞“軸1”轉動，副擺臂組件⑤可繞“軸2”轉動，萬向轉軸組件⑥可繞“軸3”轉動。三者共同配合實現顯示器前后左右方向移動（兩個自由度）。“軸套2”限制主擺臂組件③與主軸組件②在“軸1”軸向方向移動。

萬向轉軸組件⑥中“顯示器安裝板”可以繞“球體”中心在任意方向轉動，實現顯示器各個角度的調整（三個自由度）。

“上下調節螺桿”與基座組件①通過螺紋配合，無需額外緊固可鎖緊“上下方向移動”的自由度。通過“緊固螺栓1”可鎖緊主擺臂組件③繞“軸1”轉動的自由度，通過“緊固螺栓2”可鎖緊副擺臂組件⑤繞“軸2”轉動的自由度，通過“緊固螺栓3”可鎖緊萬向轉軸組件⑥繞“軸3”轉動的自由度，綜合作用可鎖緊“前后左右移動”的自由度，通過“緊固螺栓4”可鎖緊“各個角度調整”的自由度。

2.2　設計方案

2.2.1上下移動

上下移動范圍越大顯示器支架高度尺寸越大。如圖4所示，上下移動尺寸取決于基座尺寸A。尺寸A是主軸可伸縮尺寸，尺寸B是上下調節螺桿容納尺寸。一般B≥A，否則安裝基礎對應位置應開孔，以便容納上下調節螺桿。

圖4基座剖視圖

主軸組件②與基座組件①之間安裝復位彈簧，一方面可以為主軸組件②向上移動時提供助力，一方面可以消除由于零部件間存在縫隙而產生的松弛狀態。

“上下調節螺桿”和主軸需設計防脫結構，避免主軸組件②向上移動過量與基座組件①脫離而發生危險。

2.2.2前后左右移動

前后左右移動范圍的大小取決于主擺臂組件③、副擺臂組件⑤和萬向轉軸組件⑥的長度尺寸及相對可轉動角度。其長度尺寸越大，相對轉動角度越大，則前后左右可調整范圍越大。但同時也增加了懸臂尺寸，使地震載荷下顯示器的位移變大。

正常使用時，前后移動尺寸D如圖5所示；左右移動尺寸W如圖6所示。

主擺臂組件③與主軸組件②之間通過“緊固螺栓1”鎖緊。“緊固螺栓1”至少對稱設計兩處，待顯示器位置確定后，可按對應緊固力矩擰緊。“緊固螺栓1”與主軸通過摩擦力鎖緊，為鎖緊可靠，二者配合面可設計為“V”型以增加摩擦面積。

“緊固螺栓2”和“緊固螺栓3”為常規螺栓鎖緊結構，待顯示器位置確定后，按對應緊固力矩擰緊即可。此處的彈簧主要用于提供一定阻尼，消除緊固螺栓未緊固狀態下副擺臂組件⑤與主擺臂組件③、副擺臂組件⑤與萬向轉軸組件⑥之間的松弛狀態。

圖5前后移動示意圖（俯視圖）

圖6左右移動示意圖（俯視圖）

2.2.3　角度調整

角度調整范圍θ的大小取決于“顯示器安裝板”與“球體”的包覆尺寸，如圖7所示。

圖7角度調整示意圖

通過“緊固螺栓4”可鎖緊“顯示器安裝板”與“球體”的相對轉動。待顯示器角度確定后，按對應緊固力矩擰緊即可。此處的彈簧主要用于提供一定阻尼，消除緊固螺栓未緊固狀態下顯示器突然“低頭”的風險。

3　抗震鑒定

本文采用抗震分析的方式對核電站主控室六自由度抗震顯示器支架的抗震性能進行鑒定。支架自重載荷下的應力分析采用結構靜力分析；地震載荷下的振動分析采用結構動力學進行模態分析和譜分析。

3.1　設備參數

核電站主控室六自由度抗震顯示器支架的關鍵材質為Q235和304不銹鋼，材質相關物料屬性如表1所示。支架自身重量為10kg，顯示器重量為6kg。

表1材質屬性

3.2　載荷輸入

地震載荷如表2所示。

表2地震反應譜

3.3　驗證結果

（1）模態分析結果如表3所示。

表3模態計算結構

（2）結構應力分析結果如表4所示。

表4結構應力分析結果

（3）事故狀態下顯示器的最大位移分析結果為2.6mm。

通過上述分析可知，核電站主控室六自由度抗震顯示器支架各個方向的固有頻率均高于地震典型的寬頻帶隨機頻率范圍（1~33Hz），且相關材質所受應力均遠小于其許用應力，滿足相關核電站抗震要求。

4　結束語

核電站主控室六自由度抗震顯示器支架在一定范圍內可實現顯示器六自由度調整，尤其在遇到一些意想不到的情況時六自由度調整的靈活性更為重要。比如：當顯示器屏幕與水平面設計夾角與控制室燈光布置發生矛盾時，顯示器屏幕會出現反光的問題，此時則可以通過調整“顯示器安裝板”與“球體”相對角度改善。但核電站主控室六自由度抗震顯示器支架為懸臂梁結構，在地震載荷下顯示器會有一定的位移。尤其當加工精度不夠時，主軸與軸套之間會出現過大縫隙而擴大顯示器的最大位移。此時則應采取合適的方案消除縫隙對顯示器位移的影響。

目前，核電站主控室六自由度抗震顯示器支架已在相關核電項目中應用。

作者簡介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電廠數字化儀控系統產品結構設計的工作。

參考文獻：

[1]張偉,王詩峰,范輝先.核電站五自由度抗震顯示器支架的設計[J].自動化博覽,2018,35(299):98-99.

[2]GB13625-1992,核電廠安全系統電氣設備抗震鑒定[S].

[3]GB/T700-2006,碳素結構鋼[S].

[4]GB1220-2007,不銹鋼棒[S].

摘自《自動化博覽》2025年6月刊