CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)主起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

劉建文

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院， 上海 200235)

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CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)主起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

劉建文

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院， 上海 200235)

摘要：通過(guò)對(duì)AP1000裝卸料機(jī)主起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的消化、吸收和分析，對(duì)CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在維護(hù)便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了改進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)了裝卸料機(jī)的國(guó)產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：CAP1000項(xiàng)目； 裝卸料機(jī)； 主起升機(jī)構(gòu)

裝卸料機(jī)是核電站反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的主要設(shè)備之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)堆芯內(nèi)燃料組件的裝載和卸出。裝卸料機(jī)主要由橋架、小車、主起升機(jī)構(gòu)、內(nèi)套筒、外套筒、抓取機(jī)構(gòu)、輔起升機(jī)構(gòu)等部件組成。

裝卸料機(jī)的操作對(duì)象是堆芯區(qū)域內(nèi)、反應(yīng)堆廠房?jī)A翻機(jī)燃料籃及堆內(nèi)暫存格架內(nèi)的燃料組件。由于操作對(duì)象的重要性和特殊性，從堆芯中卸出的乏燃料組件具有很強(qiáng)的放射性，這就給操作燃料組件的起升機(jī)構(gòu)提出了較高的要求，在保證功能的前提下，需要有足夠的安全性及可靠性。

AP1000的裝卸料機(jī)是由美國(guó)的PaR公司設(shè)計(jì)并制造的。筆者介紹和研究對(duì)象為裝卸料機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，針對(duì)PaR公司設(shè)計(jì)的裝卸料機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，從其設(shè)計(jì)布置、原理、特點(diǎn)等方面進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上介紹CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)起升機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[1-2]。

1AP1000裝卸料機(jī)的起升機(jī)構(gòu)

1.1 AP1000裝卸料機(jī)主起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

AP1000裝卸料機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)直接采用了外購(gòu)件——成品電動(dòng)葫蘆作為主起升機(jī)構(gòu)。

該電動(dòng)葫蘆為特殊定制而成，采用同軸布置形式，由電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、鋼絲繩卷筒等部件同心裝配而成，其中電動(dòng)機(jī)為伺服電動(dòng)機(jī)，同軸式布置更為緊湊。

1.2 CAP1000國(guó)產(chǎn)化主起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的必要性

插有最大重量?jī)?nèi)插件的燃料組件質(zhì)量約為880 kg，裝卸料機(jī)內(nèi)套筒與抓具的質(zhì)量約為510 kg，起升機(jī)構(gòu)的起重量設(shè)計(jì)約為1 400 kg，采用電動(dòng)葫蘆作為主起升機(jī)構(gòu)，在功能上是滿足要求的，并且由于葫蘆本身結(jié)構(gòu)的緊湊小巧，因此簡(jiǎn)化了起升機(jī)構(gòu)平臺(tái)的布置和設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于同為美國(guó)企業(yè)的AP1000裝卸料機(jī)設(shè)計(jì)、制造廠家PaR公司，采用葫蘆作為主起升機(jī)構(gòu)，也簡(jiǎn)化了其設(shè)計(jì)、裝配、采購(gòu)及維護(hù)等工作。

在我國(guó)自主建設(shè)的CAP1000核電廠中，采用美方電動(dòng)葫蘆形式的主起升機(jī)構(gòu)，雖然也是可行的，但存在以下問(wèn)題：

(1) 定制要求特殊。由于裝卸料機(jī)的操作對(duì)象為燃料組件，起升機(jī)構(gòu)的安全性就顯得尤為重要，因此往往采用保守設(shè)計(jì)，需要設(shè)置一些特殊的機(jī)構(gòu)，如雙卷繞鋼絲繩系統(tǒng)、冗余的制動(dòng)器設(shè)置、失電手搖機(jī)構(gòu)、載荷保護(hù)裝置等，一般的電動(dòng)葫蘆外購(gòu)件并不能滿足這樣的要求，AP1000裝卸料機(jī)選擇特殊定制，增加了上述諸多特別功能和機(jī)構(gòu)后，整個(gè)葫蘆的要求就大大提高了，目前市場(chǎng)上這類產(chǎn)品并不多。

(2) 采購(gòu)、選型困難。在我國(guó)設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的CAP1000項(xiàng)目核電廠，將完全由中方自主建造，在設(shè)計(jì)時(shí)就需要充分考慮到外購(gòu)件在本土選型、采購(gòu)的便捷性和可實(shí)施性，這也是以后業(yè)主所關(guān)心的問(wèn)題。AP1000所選的特殊定制電動(dòng)葫蘆為進(jìn)口產(chǎn)品，在中國(guó)并沒有生產(chǎn)線和工廠，這給選型、采購(gòu)和供貨等都帶來(lái)了諸多不便。

(3) 維護(hù)不便。采用葫蘆形式的起升機(jī)構(gòu)，雖然裝配得比較緊湊，體積方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性卻大大提高了，設(shè)備可維修性較差，給日后的維護(hù)帶來(lái)了諸多不便。

(4) 經(jīng)濟(jì)性不佳。與普通起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比，特殊定制的電動(dòng)葫蘆，在經(jīng)濟(jì)性上是處于劣勢(shì)的，價(jià)格上相差幾倍至數(shù)十倍之多。

綜上所述，雖然電動(dòng)葫蘆形式的起升機(jī)構(gòu)有著緊湊、小巧等特點(diǎn)，但是采用該設(shè)計(jì)方案也有諸多問(wèn)題，尤其是在國(guó)產(chǎn)化的CAP1000項(xiàng)目中，考慮到供應(yīng)商、采購(gòu)、日常維護(hù)等方面的因素，不利于設(shè)備國(guó)產(chǎn)化[3-5]。

低蛋白日糧飼料的倡導(dǎo)或?qū)⒂行p少豆粕等蛋白飼料原料用量。新標(biāo)準(zhǔn)全面推行后，理論上有望使得養(yǎng)殖業(yè)豆粕年消耗量降低約1100萬(wàn)噸，帶動(dòng)減少大豆需求約1400萬(wàn)噸。

2CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 主起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

在消化、吸收AP1000的裝卸料機(jī)主起升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究和理解其主要原理和功能，對(duì)CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多處改進(jìn)，甚至全新設(shè)計(jì)，具體如下：

(1) 結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)論證，CAP1000項(xiàng)目的裝卸料機(jī)主起升機(jī)構(gòu)采用分布式布置。

(2) 鋼絲繩系統(tǒng)的倍率為2，在內(nèi)套筒上端增加一組動(dòng)滑輪，這樣可以將平衡梁裝置設(shè)計(jì)安裝到起升機(jī)構(gòu)平臺(tái)上。

(3) 在(2)的基礎(chǔ)上，增加平衡梁檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

(4) 重新設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)的稱重模塊，并利用平衡梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合裝配，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩系統(tǒng)超重、失重的檢測(cè)保護(hù)。

(5) 重新設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)的管線布置。

AP1000及CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　主起升機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的比較

2.2 分布式布置

起升機(jī)構(gòu)的分布式布置是指電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、鋼絲繩卷筒等部件之間采用獨(dú)立式、外置式的連接裝配方式，而不像AP1000設(shè)計(jì)中電動(dòng)葫蘆的形式。設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)每一個(gè)外購(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，并考慮相互之間的裝配關(guān)系。分布式的布置形式在外形體積方面不如電動(dòng)葫蘆方式緊湊，但在維護(hù)便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。每個(gè)外購(gòu)件都相對(duì)獨(dú)立，可以單獨(dú)維護(hù)，采購(gòu)更換等都比較方便。

圖1為主起升機(jī)構(gòu)的分布式裝配布置方案效果。通過(guò)對(duì)外購(gòu)件供應(yīng)商的調(diào)研，確保國(guó)內(nèi)采購(gòu)的便捷及供貨的通暢。

該方案選用了傘齒式減速機(jī)，與卷筒軸之間采用套軸式安裝，并直角布置，通過(guò)防扭臂與起升平臺(tái)連接固定。電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器與減速器之間采用法蘭連接，直接掛在減速器箱體上，不占用起升機(jī)構(gòu)平臺(tái)的地面空間并且更加緊湊。電動(dòng)機(jī)尾部帶出軸，供手搖輪插入連接，在失電或故障模式下，可采用手搖機(jī)構(gòu)對(duì)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。起升機(jī)構(gòu)采用雙卷繞系統(tǒng)，兩套獨(dú)立的鋼絲繩繞過(guò)內(nèi)套筒端部的動(dòng)滑輪組與布置在鋼絲繩卷筒對(duì)面的平衡梁模塊連接。

事實(shí)上，通過(guò)以上合理選型及布置，分布式起升機(jī)構(gòu)在外形體積方面完全可以滿足空間布置的要求，使CAP1000項(xiàng)目的設(shè)計(jì)達(dá)到與AP1000相當(dāng)?shù)木o湊程度，不影響整個(gè)起升機(jī)構(gòu)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和布置。

2.3 動(dòng)滑輪組

CAP1000項(xiàng)目的卷繞系統(tǒng)的倍率設(shè)計(jì)為2，因此在內(nèi)套筒上端增設(shè)了動(dòng)滑輪組(見圖2)，每一個(gè)動(dòng)滑輪對(duì)應(yīng)一根鋼絲繩，這樣的設(shè)計(jì)使得平衡梁機(jī)構(gòu)能夠布置到起升機(jī)構(gòu)平臺(tái)上，并且方便平衡梁檢測(cè)系統(tǒng)的布置。

2.4 平衡梁及稱重模塊

CAP1000項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，平衡梁采用杠桿式機(jī)構(gòu)，與稱重傳感器組合裝配，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩拉力的監(jiān)測(cè)，當(dāng)所提示的載荷質(zhì)量超重或失重時(shí)，可以立即停止起升的動(dòng)作以做保護(hù)。稱重傳感器選用的是壓式傳感器，在安全性上比拉式傳感器好，因?yàn)椴捎眠@種形式的稱重模塊，稱重傳感器不串聯(lián)入鋼絲繩承力鏈，就算壓潰失效，鋼絲繩承力鏈仍然保持完好。

平衡梁傾斜的檢測(cè)由一對(duì)限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)，見圖3。

當(dāng)某根鋼絲繩伸長(zhǎng)過(guò)度或者發(fā)生斷裂時(shí)，對(duì)應(yīng)一端的平衡梁將翹起，對(duì)面一端的平衡梁將下沉，下沉端通過(guò)緩沖橡膠墊支承，使平衡梁形成新的支點(diǎn)不至于過(guò)度翻轉(zhuǎn)；而翹起的一端將撥動(dòng)行程開關(guān)的觸發(fā)桿，使限位開關(guān)發(fā)生動(dòng)作并報(bào)警。

3設(shè)計(jì)驗(yàn)證及成果

3.1 設(shè)計(jì)評(píng)估

在完成了國(guó)產(chǎn)化的自主設(shè)計(jì)后，對(duì)分布式的結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性進(jìn)行了評(píng)估和比較，見表2。

表2　AP1000和CAP1000裝卸料機(jī)起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較

在裝卸料機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有設(shè)計(jì)建模、裝配工作采用了Autodesk公司的三維設(shè)計(jì)軟件Inventor進(jìn)行，在該平臺(tái)上進(jìn)行直觀地驗(yàn)證，確保機(jī)構(gòu)裝配的合理性及不發(fā)生干涉現(xiàn)象。圖4為在Inventor平臺(tái)內(nèi)CAP1000項(xiàng)目裝卸料機(jī)的總裝效果。

3.2 試驗(yàn)樣機(jī)及成果

對(duì)國(guó)產(chǎn)化的起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了樣機(jī)的研制，并完成了靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn)、故障模式檢測(cè)等各項(xiàng)性能測(cè)試，結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)的要求。圖5為樣機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)架。

通過(guò)裝卸料機(jī)全新主起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研發(fā)，申請(qǐng)并授權(quán)了三項(xiàng)專利，見表3。

表3　申請(qǐng)并授權(quán)的專利

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)AP1000裝卸料機(jī)的消化、吸收，分析了主起升機(jī)構(gòu)的利弊，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用分布式機(jī)構(gòu)替代了AP1000的特殊定制電動(dòng)葫蘆結(jié)構(gòu)，具有國(guó)內(nèi)可采購(gòu)、經(jīng)濟(jì)性好、易于維修等優(yōu)點(diǎn)；并且通過(guò)樣機(jī)的試制，完成了各項(xiàng)功能試驗(yàn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)自主設(shè)計(jì)，形成3項(xiàng)專利，確保了關(guān)鍵技術(shù)的掌握及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林誠(chéng)格. 非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

[2] 孫漢虹. 第三代核電技術(shù)AP1000[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 張質(zhì)文,虞和謙，王金諾，等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)鐵道工業(yè)出版社，1998.

[4] 賈旺興，房師平. 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)輕量化的研究[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2013(6):62-65.

[5] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3卷)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Design of the Main Hoist for Refueling Machine in a CAP1000 Project

Liu Jianwen

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200235, China)

Abstract：Through deep analysis on the function and principle of the main hoist for refueling machines of AP1000 nuclear power stations, an innovative design was carried out to the main hoist for refueling machines of a CAP1000 project, with improvements on the maintainability and economy, so as to achieve localization of the refueling machines.

Keywords：CAP1000 project; refueling machine; main hoist

收稿日期：2015-10-12

作者簡(jiǎn)介：劉建文(1983—)，男，工程師，主要從事裝換料設(shè)備設(shè)計(jì)及研發(fā)。E-mail: liujianwen@snerdi.com.cn

中圖分類號(hào)：TL353.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)03-0164-04