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案例頻道★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司張偉
關(guān)鍵詞：抗震；OWP；顯示器；屏風(fēng)；顯示器支架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，顯示器經(jīng)歷了從單色到彩色、從模糊到清晰、從小到大、從笨重到輕便的不斷進(jìn)步。與之對(duì)應(yīng)的顯示器的安裝方式也從傳統(tǒng)的大體積的嵌入式安裝方式逐漸向簡(jiǎn)單靈活的支架式安裝方式轉(zhuǎn)變，先后出現(xiàn)了抗震嵌入式OWP盤臺(tái)（如圖1所示）和抗震支架式OWP盤臺(tái)（如圖2所示）。
圖1 嵌入式OWP盤臺(tái)
圖2 支架式OWP盤臺(tái)
在C項(xiàng)目主控室Mock Up驗(yàn)證過(guò)程中，基于B項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)反饋操作員針對(duì)OWP盤臺(tái)提出了一些新要求，其中關(guān)于顯示器的安裝要求主要有兩點(diǎn)：一是要求顯示器密集安裝，即顯示器和顯示器之間的間距盡量減小，且間距均勻；二是要求顯示器和顯示器之間的縫隙不能漏光。該要求提出的主要目的是最大限度地提高操作員操作的舒適度，同時(shí)保持OWP盤臺(tái)顯示器布置整齊一致，提升OWP盤臺(tái)整體外觀質(zhì)量。
根據(jù)上游輸入及人因設(shè)計(jì)要求，C項(xiàng)目主控室OWP盤臺(tái)呈弧形布置，其中US-OWP（以US-OWP為例）布置如圖3所示。C項(xiàng)目US-OWP由6個(gè)盤臺(tái)組成：1#盤臺(tái)和2#盤臺(tái)為ACP系統(tǒng)盤臺(tái)；3#和4#盤臺(tái)為安裝NC-VDU及S-VDU設(shè)備盤臺(tái)；5#盤臺(tái)為辦公電腦盤臺(tái)；6#盤臺(tái)為安裝第三方通訊設(shè)備盤臺(tái)。為滿足盤臺(tái)內(nèi)部設(shè)備安裝空間要求，并盡量將盤臺(tái)整體尺寸控制到最小，各個(gè)盤臺(tái)寬度尺寸不同，因此導(dǎo)致顯示器之間間距過(guò)大且間距各異。
B項(xiàng)目主控室采用的是支架式OWP盤臺(tái)，如果C項(xiàng)目采用支架式OWP盤臺(tái)，則其US-OWP布置如圖4所示。由于OWP盤臺(tái)呈弧形布置，同時(shí)顯示器屏幕與豎直面也成一定角度安裝，導(dǎo)致顯示器與顯示器之間會(huì)形成一個(gè)三角形的縫隙。因此，支架式OWP盤臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)“顯示器與顯示器之間的縫隙不漏光”的要求。
圖3 C項(xiàng)目US-OWP布置示意圖
圖4 C項(xiàng)目采用支架式OWP盤臺(tái)效果圖
A項(xiàng)目主控室采用的是嵌入式OWP盤臺(tái)，如果C項(xiàng)目采用嵌入式OWP盤臺(tái)，則其US-OWP布置如圖5所示。可見(jiàn)，采用嵌入式OWP盤臺(tái)可實(shí)現(xiàn)“顯示器與顯示器之間的縫隙不漏光”的要求，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)“顯示器密集安裝且間隙均勻”的要求。
圖5 C項(xiàng)目采用嵌入式OWP盤臺(tái)效果圖
因此，要使C項(xiàng)目OWP盤臺(tái)滿足核電站操作員提出的顯示器密集安裝和顯示器之間縫隙不能漏光的新要求，需研發(fā)新的顯示器安裝方式，即研發(fā)繼抗震嵌入式OWP盤臺(tái)和抗震支架式OWP盤臺(tái)之后的新形式的抗震OWP盤臺(tái)。
1 理論研究
如圖6所示，在甲、乙、丙三個(gè)顯示器呈弧形布置的情況下，要減小三者之間的間距，最優(yōu)方案是：
（1）保持顯示器乙不動(dòng)；
（2）將顯示器甲往右移動(dòng)，顯示器丙往左移動(dòng)；
（3）然后再將甲、丙兩個(gè)顯示器往前移動(dòng)。
可見(jiàn)，在顯示器呈弧形布置的情況下，要實(shí)現(xiàn)其間距的變化需將其在左右方向和前后方向上同時(shí)移動(dòng)。若只是單方向移動(dòng)會(huì)出現(xiàn)如圖6“第一步”所示的顯示器參差不齊的情況。保持中間顯示器不動(dòng)而移動(dòng)兩側(cè)顯示器可將顯示器的最大位移降至最小。
圖6 縮小顯示器間距原理
2 方案設(shè)計(jì)
以往嵌入式OWP盤臺(tái)和支架式OWP盤臺(tái)都無(wú)法同時(shí)滿足顯示器密集安裝和顯示器之間縫隙不漏光的要求。結(jié)合二者各自的特點(diǎn)，將C項(xiàng)目OWP盤臺(tái)顯示器按圖7所示方式安裝可解決上述問(wèn)題。根據(jù)嵌入式OWP盤臺(tái)和支架式OWP盤臺(tái)的命名方法，將C項(xiàng)目OWP盤臺(tái)命名為屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)。
圖7 屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)
嵌入式OWP盤臺(tái)、支架式OWP盤臺(tái)和屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)均基于顯示器的安裝方式命名。嵌入式OWP盤臺(tái)顯示器如圖1所示安裝到安裝罩中，安裝罩再安裝到盤臺(tái)；支架式OWP盤臺(tái)顯示器如圖2所示安裝到顯示器支架，顯示器支架再安裝到盤臺(tái)；屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)顯示器如圖7所示安裝到顯示器支架，顯示器支架再安裝到屏風(fēng)，屏風(fēng)再安裝到盤臺(tái)。
C項(xiàng)目采用屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)，其US-OWP的布置如圖8所示。根據(jù)圖3可知，③④⑤⑥⑦五臺(tái)顯示器為NC-VDU，①②兩臺(tái)顯示器為ACP-NC-VDU，⑧顯示器為辦公電腦顯示器。其中①②兩臺(tái)顯示器功能獨(dú)立，無(wú)需與③顯示器緊密布置；⑧顯示器也無(wú)需與⑦顯示器緊密布置。五臺(tái)NC-VDU中⑤顯示器的使用頻繁最高，因此應(yīng)以⑤顯示器為中心，左側(cè)③④顯示器和右側(cè)⑥⑦顯示器向其靠攏。如圖9所示，保持顯示器之間的最小間距為10mm，可測(cè)量得出顯示器左右移動(dòng)的最大位移為177.29+175.19=352.48mm，前后移動(dòng)的最大位移為700-626.61=73.39mm。
根據(jù)實(shí)際情況可以判定，顯示器左右移動(dòng)范圍不會(huì)超出其對(duì)應(yīng)屏風(fēng)的寬度；通過(guò)人因分析，顯示器前后移動(dòng)73.39mm亦滿足人因設(shè)計(jì)要求。
綜上所述，C項(xiàng)目采用屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)，要實(shí)現(xiàn)顯示器密集安裝且其間距設(shè)計(jì)為10mm，需按以下方案進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
（1）屏風(fēng)結(jié)構(gòu)需實(shí)現(xiàn)顯示器支架在水平方向上左右移動(dòng)，且在353mm范圍內(nèi)可移動(dòng)任意距離，在任意位置可可靠安裝固定；
（2）顯示器支架需實(shí)現(xiàn)顯示器在水平方向上前后移動(dòng)，且在74mm范圍內(nèi)可移動(dòng)任意距離，在任意位置可可靠鎖緊；
（3）屏風(fēng)和顯示器支架要有足夠的剛度，安裝顯示器后在地震載荷下產(chǎn)生盡量小的位移，根據(jù)最終位移量修正顯示器最小間距（10mm）。
圖8 C項(xiàng)目屏風(fēng)式US-OWP布置示意圖
圖9 顯示器密集安裝位移
3 詳細(xì)設(shè)計(jì)
如上所述，無(wú)論抗震嵌入式OWP盤臺(tái)、抗震支架式OWP盤臺(tái)還是抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)，其關(guān)鍵技術(shù)均在于顯示器的安裝技術(shù)。對(duì)于抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)而言，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于屏風(fēng)和顯示器支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.1 屏風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
屏風(fēng)結(jié)構(gòu)需滿足兩個(gè)關(guān)鍵要求：一是滿足上述功能要求，可實(shí)現(xiàn)顯示器支架在左右方向353mm范圍內(nèi)任意位置移動(dòng)，且在任意位置可可靠固定；二是滿足C項(xiàng)目抗震要求，盡量提高屏風(fēng)結(jié)構(gòu)的剛性，避免在地震載荷下放大顯示器的位移（顯示器位移越大，間距要求越大）。
參考以往OWP盤臺(tái)抗震結(jié)構(gòu)，將屏風(fēng)設(shè)計(jì)為“框架+蒙皮”的抗震結(jié)構(gòu)，如圖10所示。屏風(fēng)由框架和蒙皮兩部分焊接成型：框架主要起承載作用，由6mm鋼板焊接制作；蒙皮主要起裝飾作用，由3mm鋼板加工制作。
屏風(fēng)前部中間設(shè)計(jì)滑道結(jié)構(gòu)，用于安裝和左右調(diào)節(jié)顯示器支架，如圖11所示。屏風(fēng)后部預(yù)留足夠空間，滿足顯示器支架前后調(diào)節(jié)空間需要。
顯示器支架通過(guò)前后兩個(gè)法蘭夾緊的方式固定，實(shí)現(xiàn)其在左右任意位置移動(dòng)，如圖12所示。
如圖10所示，屏風(fēng)滑道長(zhǎng)度與屏風(fēng)寬度保持一致，最大限度地保證了顯示器支架左右移動(dòng)的距離。顯示器支架固定法蘭從屏風(fēng)左側(cè)進(jìn)入滑道，除進(jìn)入口外，其他區(qū)域均將顯示器固定法蘭包圍，即使安裝螺釘脫落顯示器支架也不會(huì)脫離滑道而發(fā)生脫落危險(xiǎn)。
圖10 屏風(fēng)成型結(jié)構(gòu)方式
圖11 屏風(fēng)結(jié)構(gòu)（截面）
圖12 顯示器支架安裝示意
3.2 顯示器支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
顯示器支架需滿足兩個(gè)關(guān)鍵要求：一是滿足上述功能要求，可實(shí)現(xiàn)顯示器在前后方向74mm范圍內(nèi)任意位置移動(dòng)；二是滿足C項(xiàng)目抗震要求，在任何位移位置都可以可靠鎖緊。
屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)顯示器支架整體結(jié)構(gòu)樣式如圖13所示。該顯示器支架主要由8部分組成，其中：
（1）顯示器支架本體，是顯示器支架的主要承載部分，其固定法蘭是與屏風(fēng)的安裝接口。該部分使用Q235B材質(zhì)制作。
（2）伸縮軸，是顯示器支架的重要承載部分，通過(guò)調(diào)節(jié)⑥調(diào)節(jié)螺栓可以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。該部分使用304不銹鋼材質(zhì)制作。
（3）萬(wàn)向調(diào)整球，可實(shí)現(xiàn)顯示器各個(gè)角度的調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)⑦鎖緊螺栓可以改變其與⑤顯示安裝板之間的阻尼直至可靠鎖緊。
（4）活動(dòng)法蘭，與①顯示器支架本體中的固定法蘭和⑧安裝螺釘配合將顯示器支架固定在屏風(fēng)。
（5）顯示器安裝板，用于安裝顯示器，顯示器安裝孔為上下方向的長(zhǎng)孔，可以彌補(bǔ)上下方向上的加工和安裝誤差。
（6）調(diào)節(jié)螺栓，通過(guò)工具調(diào)節(jié)該螺栓帶動(dòng)②伸縮軸前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)顯示器的前后移動(dòng)。螺紋傳動(dòng)，同時(shí)保證②伸縮軸可以在任意位置可靠鎖緊。
（7）鎖緊螺栓，通過(guò)工具調(diào)節(jié)該螺栓，可以調(diào)整③萬(wàn)向調(diào)整球與⑤顯示安裝板之間的阻尼，待顯示器角度確定后可緊固該螺栓使調(diào)整角度可靠鎖緊。
（8）安裝螺釘，連接④活動(dòng)法蘭和①顯示器支架本體中的固定法蘭，通過(guò)緊固力矩將顯示器支架整體安裝固定在屏風(fēng)。
圖13 顯示器支架結(jié)構(gòu)樣式
圖14 顯示器支架結(jié)構(gòu)組成示意圖
根據(jù)屏風(fēng)空間尺寸，將顯示器支架前后調(diào)節(jié)量設(shè)計(jì)為100mm，約25mm的裕量可以擴(kuò)大其使用范圍。
3.3 人因設(shè)計(jì)要求
除上述功能和抗震要求外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮人因設(shè)計(jì)要求。例如：坐姿操作的控制臺(tái)高度一般不應(yīng)超過(guò)最矮操作員坐姿時(shí)的眼高1140mm，因此顯示器安裝到屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)后，其（包括屏風(fēng)）最高尺寸不能超過(guò)1140mm；坐姿操作控制臺(tái)顯示器的高度在操作位置處應(yīng)在操作員視野上限水平視線以上75°之內(nèi)，其安裝方向應(yīng)使視角不小于45°，因此顯示器支架③萬(wàn)向調(diào)整球的角度調(diào)整范圍要滿足要求。
4 相關(guān)驗(yàn)證
C項(xiàng)目屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)US-OWP最終效果如圖14所示。為證明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目相關(guān)需求而制作樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。
4.1 加工驗(yàn)證
抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)通過(guò)樣機(jī)加工，證明其具有可加工性，滿足加工要求。
圖15 C項(xiàng)目US-OWP盤臺(tái)效果示意圖
4.2 成套驗(yàn)證
抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)樣機(jī)加工后，對(duì)其進(jìn)行成套驗(yàn)證。通過(guò)調(diào)節(jié)顯示器支架，可實(shí)現(xiàn)顯示器之間縫隙均勻且最小間距10mm的要求；屏風(fēng)可實(shí)現(xiàn)避免顯示器之間縫隙漏光的要求。
4.3 操作員評(píng)審
邀請(qǐng)C項(xiàng)目核電站操作員對(duì)抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行評(píng)審，并一次性通過(guò)評(píng)審。
4.4 抗震驗(yàn)證
C項(xiàng)目抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)樣機(jī)一次性通過(guò)了第三方抗震試驗(yàn)驗(yàn)證。其中屏風(fēng)及顯示器支架的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示?？梢?jiàn)：屏風(fēng)結(jié)構(gòu)X向固有頻率最小為37.385Hz，大于典型地震頻率范圍1-33Hz；顯示器支架（顯示器）X向位移為3.614mm，2×3.614=7.228mm小于10mm。因此顯示器最小間距設(shè)計(jì)為10mm在地震載荷下不會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象。
表1 抗震試驗(yàn)測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)
注：表1坐標(biāo)X、Y、Z的方向定義為：
（1）X—面對(duì)盤臺(tái)水平面左右方向；
（2）Y—面對(duì)盤臺(tái)水平面前后方向；
（3）Z—面對(duì)盤臺(tái)水平面垂直方向。
4.5 驗(yàn)證結(jié)論
針對(duì)C項(xiàng)目研發(fā)的核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)可滿足操作員提出的顯示器密集安裝且間距均勻和顯示器之間縫隙不漏光的要求。通過(guò)樣機(jī)加工驗(yàn)證，核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)符合加工要求；通過(guò)抗震試驗(yàn)驗(yàn)證，核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)滿足C項(xiàng)目抗震要求，可以實(shí)現(xiàn)顯示器之間最小間距10mm安裝要求。
核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)是繼核電站抗震嵌入式OWP盤臺(tái)和核電站抗震支架式OWP盤臺(tái)之后又一種新型的滿足核電站使用要求的OWP盤臺(tái)。
5 工程應(yīng)用
目前，C項(xiàng)目1#機(jī)組屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)已經(jīng)在核電現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢，2#機(jī)組屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)已經(jīng)加工完成，正處于成套過(guò)程中；D項(xiàng)目1#機(jī)組和2#機(jī)組屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)均已加工完成，正處于成套過(guò)程中；E項(xiàng)目1#機(jī)組和2#機(jī)組屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)正在加工過(guò)程中。
集團(tuán)已經(jīng)將核電站抗震屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)作為華龍一號(hào)堆型的標(biāo)準(zhǔn)OWP盤臺(tái)，其在后續(xù)華龍一號(hào)核電站項(xiàng)目中將有廣泛的應(yīng)用前景。
6 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)論是嵌入式OWP盤臺(tái)、支架式OWP盤臺(tái)，還是屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)，均滿足核電站相關(guān)人因設(shè)計(jì)要求，均通過(guò)抗震試驗(yàn)驗(yàn)證滿足相關(guān)核電站的抗震要求。
不同形式的OWP盤臺(tái)有其各自特點(diǎn)，例如：嵌入式OWP盤臺(tái)有外觀簡(jiǎn)潔整齊、加工簡(jiǎn)單容易等優(yōu)點(diǎn)，但也有顯示器無(wú)法調(diào)整、不易維護(hù)、安裝結(jié)構(gòu)尺寸較大而外觀略顯笨重的缺點(diǎn)；支架式OWP盤臺(tái)有外觀輕盈時(shí)尚、顯示器安裝簡(jiǎn)單、顯示器獨(dú)立可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但也有顯示器支架設(shè)計(jì)加工要求較高、無(wú)法隱藏線纜等缺點(diǎn)；屏風(fēng)式OWP盤臺(tái)有可實(shí)現(xiàn)顯示器密集安裝、避免顯示器縫隙漏光的優(yōu)點(diǎn)，但也有結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜、設(shè)計(jì)加工難度較大、重量較大等缺點(diǎn)。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，應(yīng)該根據(jù)具體上游輸入及客戶要求確定OWP盤臺(tái)的具體樣式。
作者簡(jiǎn)介：
張 偉（1979-），男，北京人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電廠非安全級(jí)儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作。
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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)