文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）06-072-04中图分类号：TP29

关键词：核电站；六自由度；抗震；显示器支架；设计

显示器是核电站控制室的主要显示设备之一，其工作的安全可靠性对核电站安全、可靠、稳定运行至关重要。随着科学技术的不断发展，显示器经历了从小到大、从重到轻的不断进步，与之对应的显示器安装方式也从传统固定的嵌入式安装转向灵活的支架式安装。在核电项目主控室OWP盘台Mock up验证过程中，操纵员提出了显示器均匀、密集安装的要求。如图1所示，由于OWP盘台柜体尺寸各异和多角度布置及显示器倾斜安装，要实现显示器均匀密集安装，显示器必须前后左右位置均可调整。同时，为弥补盘台相关结构加工制造的误差，尤其要克服显示器显示角度与主控室灯光布置发生冲突而出现反光的问题，显示器上下方向的可调与显示角度的可调亦尤为重要。显示器支架的六自由度调整，可最大限度地增加其应用范围。

图1部分OWP盘台布置示意图

商业级显示器支架可以实现显示器六自由度调整，但一般靠阻尼实现各个自由度的固定，同时商业级显示器支架自身强度较低，无法满足核电站抗震要求。应用到核电站的设备，除具备必要的功能外还要具备足够的抗震性能。对显示器支架而言，在实现相关人因要求的同时还要使各个自由度均能可靠锁紧，从而保证其正常工作时可承受所安装显示器的重量、地震载荷下能够保持显示器的功能完整。

1　技术要求

1.1　抗震要求

核电站相关物项抗震等级共分为三个类别：抗震I类、抗震II类和非核抗震类。其中，抗震I类要求相关物项能承受S1（运行基准地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）载荷，并保证在地震发生时或（和）地震后能履行其安全功能；抗震II类要求物项在S1和S2载荷作用下自身完整或（和）不能影响抗震I类物项的安全性。

地震载荷一般由要求反应谱规定，即由用户给出作为验证试验技术条件一部分，或人为产生已包括未来应用条件的反应谱。

显示器支架要求满足抗震I类要求-在地震载荷下，显示器支架不仅自身保持完整，还要保证其安装的显示器功能完整。

1.2　人因要求

相关标准要求，坐姿操作控制台高度一般不应超过最矮操作员坐姿时的眼高（1140mm）。坐姿操作控制台显示器的高度在操作位置处应在操作员视野上限（水平视线以上75°）之内，其安装方向应使视角不小于45°。

不同需求对应的控制台桌面高度、深度和宽度等不同。为提高通用性，显示器支架上下方向、前后方向、左右方向及显示角度应在一定范围内可调。

2　结构设计

核电站主控室六自由度抗震显示器支架可以实现显示器在左右方向、前后方向、上下方向一定范围内移动，以及绕竖直面各个方向一定范围内转动，而且每个自由度都能可靠锁紧。

如图2所示，核电站主控室六自由度抗震显示器支架主要由六部分组成：基座组件①、主轴组件②、主摆臂组件③、装饰轴组件④、副摆臂组件⑤和万向转轴组件⑥。

核电站主控室六自由度抗震显示器支架的关键技术具有自主知识产权，受专利保护（专利号：ZL202111399503.7；ZL201921548682.4；ZL202330201797.1）。

图2显示器支架示意图

2.1　设计原理

核电站主控室六自由度抗震显示器支架完全展开状态下的剖视图如图3所示。

图3显示器支架剖视图

装饰轴组件④固定“上下调节螺杆”。调节“上下调节螺杆”可带动主轴组件②沿“轴1”轴向移动，实现显示器上下方向移动（一个自由度）。“轴套1”限制主轴组件②绕“轴1”转动。

主摆臂组件③可绕“轴1”转动，副摆臂组件⑤可绕“轴2”转动，万向转轴组件⑥可绕“轴3”转动。三者共同配合实现显示器前后左右方向移动（两个自由度）。“轴套2”限制主摆臂组件③与主轴组件②在“轴1”轴向方向移动。

万向转轴组件⑥中“显示器安装板”可以绕“球体”中心在任意方向转动，实现显示器各个角度的调整（三个自由度）。

“上下调节螺杆”与基座组件①通过螺纹配合，无需额外紧固可锁紧“上下方向移动”的自由度。通过“紧固螺栓1”可锁紧主摆臂组件③绕“轴1”转动的自由度，通过“紧固螺栓2”可锁紧副摆臂组件⑤绕“轴2”转动的自由度，通过“紧固螺栓3”可锁紧万向转轴组件⑥绕“轴3”转动的自由度，综合作用可锁紧“前后左右移动”的自由度，通过“紧固螺栓4”可锁紧“各个角度调整”的自由度。

2.2　设计方案

2.2.1上下移动

上下移动范围越大显示器支架高度尺寸越大。如图4所示，上下移动尺寸取决于基座尺寸A。尺寸A是主轴可伸缩尺寸，尺寸B是上下调节螺杆容纳尺寸。一般B≥A，否则安装基础对应位置应开孔，以便容纳上下调节螺杆。

图4基座剖视图

主轴组件②与基座组件①之间安装复位弹簧，一方面可以为主轴组件②向上移动时提供助力，一方面可以消除由于零部件间存在缝隙而产生的松弛状态。

“上下调节螺杆”和主轴需设计防脱结构，避免主轴组件②向上移动过量与基座组件①脱离而发生危险。

2.2.2前后左右移动

前后左右移动范围的大小取决于主摆臂组件③、副摆臂组件⑤和万向转轴组件⑥的长度尺寸及相对可转动角度。其长度尺寸越大，相对转动角度越大，则前后左右可调整范围越大。但同时也增加了悬臂尺寸，使地震载荷下显示器的位移变大。

正常使用时，前后移动尺寸D如图5所示；左右移动尺寸W如图6所示。

主摆臂组件③与主轴组件②之间通过“紧固螺栓1”锁紧。“紧固螺栓1”至少对称设计两处，待显示器位置确定后，可按对应紧固力矩拧紧。“紧固螺栓1”与主轴通过摩擦力锁紧，为锁紧可靠，二者配合面可设计为“V”型以增加摩擦面积。

“紧固螺栓2”和“紧固螺栓3”为常规螺栓锁紧结构，待显示器位置确定后，按对应紧固力矩拧紧即可。此处的弹簧主要用于提供一定阻尼，消除紧固螺栓未紧固状态下副摆臂组件⑤与主摆臂组件③、副摆臂组件⑤与万向转轴组件⑥之间的松弛状态。

图5前后移动示意图（俯视图）

图6左右移动示意图（俯视图）

2.2.3　角度调整

角度调整范围θ的大小取决于“显示器安装板”与“球体”的包覆尺寸，如图7所示。

图7角度调整示意图

通过“紧固螺栓4”可锁紧“显示器安装板”与“球体”的相对转动。待显示器角度确定后，按对应紧固力矩拧紧即可。此处的弹簧主要用于提供一定阻尼，消除紧固螺栓未紧固状态下显示器突然“低头”的风险。

3　抗震鉴定

本文采用抗震分析的方式对核电站主控室六自由度抗震显示器支架的抗震性能进行鉴定。支架自重载荷下的应力分析采用结构静力分析；地震载荷下的振动分析采用结构动力学进行模态分析和谱分析。

3.1　设备参数

核电站主控室六自由度抗震显示器支架的关键材质为Q235和304不锈钢，材质相关物料属性如表1所示。支架自身重量为10kg，显示器重量为6kg。

表1材质属性

3.2　载荷输入

地震载荷如表2所示。

表2地震反应谱

3.3　验证结果

（1）模态分析结果如表3所示。

表3模态计算结构

（2）结构应力分析结果如表4所示。

表4结构应力分析结果

（3）事故状态下显示器的最大位移分析结果为2.6mm。

通过上述分析可知，核电站主控室六自由度抗震显示器支架各个方向的固有频率均高于地震典型的宽频带随机频率范围（1~33Hz），且相关材质所受应力均远小于其许用应力，满足相关核电站抗震要求。

4　结束语

核电站主控室六自由度抗震显示器支架在一定范围内可实现显示器六自由度调整，尤其在遇到一些意想不到的情况时六自由度调整的灵活性更为重要。比如：当显示器屏幕与水平面设计夹角与控制室灯光布置发生矛盾时，显示器屏幕会出现反光的问题，此时则可以通过调整“显示器安装板”与“球体”相对角度改善。但核电站主控室六自由度抗震显示器支架为悬臂梁结构，在地震载荷下显示器会有一定的位移。尤其当加工精度不够时，主轴与轴套之间会出现过大缝隙而扩大显示器的最大位移。此时则应采取合适的方案消除缝隙对显示器位移的影响。

目前，核电站主控室六自由度抗震显示器支架已在相关核电项目中应用。

作者简介：

张　伟（1979-），男，北京人，高级工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电厂数字化仪控系统产品结构设计的工作。

参考文献：

[1]张伟,王诗峰,范辉先.核电站五自由度抗震显示器支架的设计[J].自动化博览,2018,35(299):98-99.

[2]GB13625-1992,核电厂安全系统电气设备抗震鉴定[S].

[3]GB/T700-2006,碳素结构钢[S].

[4]GB1220-2007,不锈钢棒[S].

摘自《自动化博览》2025年6月刊