核電廠新型抓取工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賈保軍，劉永駿，張 遠(yuǎn)，周 禮，李會(huì)義，劉紅雨，鄒 鵬

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233； 2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

0 引 言

核電廠操抓取工具一般都需要通過抓頭的張開和閉合來完成對(duì)操作對(duì)象的抓取與釋放操作。該類設(shè)備具有種類多、數(shù)量大，結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。傳統(tǒng)操作工具都需要額外動(dòng)力(如氣動(dòng)、電動(dòng))或人力執(zhí)行抓取和釋放動(dòng)作，其中大部分為人工操作。在國(guó)產(chǎn)30萬機(jī)組中，燃料相關(guān)操作工具均為手動(dòng)操作，只有燃料抓取機(jī)的控制棒抓取機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)輔助操作。在AP1000機(jī)組中也基本如此，除驅(qū)動(dòng)桿裝拆工具和輻照監(jiān)督管安裝工具分別為氣動(dòng)、液壓操作外，其余均為手動(dòng)操作。純手動(dòng)方式往往操作比較繁瑣、人員工作量大，而且存在因誤操作造成跌落事故的風(fēng)險(xiǎn)。氣動(dòng)、電動(dòng)雖是自動(dòng)操作，但因需要額外動(dòng)力源，使其結(jié)構(gòu)及連接復(fù)雜，可靠性差。

為了滿足純機(jī)械自動(dòng)化操作需求，作者研發(fā)了一種基于星形輪裝置的新型抓取工具，能達(dá)到“無需動(dòng)力(如氣動(dòng)、電動(dòng))或人工進(jìn)行操作，抓具落到位后，自動(dòng)完成對(duì)操作對(duì)象的抓取和釋放”的功能，極大地提高了可操作性。目前該抓具已應(yīng)用于田灣核電廠換料大修的控制棒抓取中，解決了原先的故障問題，且性能大幅提高；同時(shí)也應(yīng)用在AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)及后續(xù)國(guó)產(chǎn)化核電廠輻照監(jiān)督管操作工具，秦山三廠乏燃料籃操作工具，以及恰希瑪核電廠阻力塞操作工具的設(shè)計(jì)上。

1 新型抓具設(shè)計(jì)

新型抓具主要由星形輪裝置、配屬結(jié)構(gòu)以及抓具專有結(jié)構(gòu)三部分組合而成，如圖1所示。

1.1 星形輪裝置

星形輪裝置如圖2所示。

圖1 新型抓具結(jié)構(gòu)功 圖2 星形輪裝置(連 能分解 接狀態(tài))

星形輪[1]是一個(gè)中間連接件，通過圓柱銷裝在芯軸的頭部開槽上，可以僅靠芯軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，卡或不卡在芯軸與套筒之間，按順序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩者的連接與脫開。

1.2 配屬結(jié)構(gòu)

星形輪裝置動(dòng)作復(fù)雜，為了保證所有動(dòng)作的準(zhǔn)確、可靠，設(shè)計(jì)上還配備了一些專用結(jié)構(gòu)[2]，主要有：

(1) 鋼珠：卡在內(nèi)、外套筒之間起限位作用，在抓具吊運(yùn)過程中形成機(jī)械自鎖，防止意外掉落；

(2) 止動(dòng)銷：頭部有45°臺(tái)階，對(duì)星形輪起防止逆轉(zhuǎn)作用；

(3) 彈片：卡在止動(dòng)銷一端，為止動(dòng)銷提供回彈力；

(4) 頂針及彈簧：通過彈簧擠壓，推頂星形輪旋轉(zhuǎn)。

1.3 抓具專有結(jié)構(gòu)

抓具本身還具有一些專有結(jié)構(gòu)，與星形輪及其配屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合，作為抓取和釋放的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要有：

(1) 抓頭：可以圍繞銷軸張開或閉合，從而與操作對(duì)象對(duì)接或脫開；

(2) 端頭：端頭上有開槽和銷孔，用以安放抓頭；

(3) 外套筒：端頭安裝在其下部，為連接桿、內(nèi)套筒的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用；

(4) 端蓋：安裝在外套筒頂部，當(dāng)連接桿碰到端蓋后，帶動(dòng)整個(gè)抓具提升。

圖3 核電廠新 型抓取工具

1.4 抓具總體

將上述星形輪裝置應(yīng)用到抓取工具上，通過其與抓具的配合，形成了一種基于星形輪裝置的核電廠新型抓取工具(見圖3)。

1.5 抓取工作原理

抓具的一次完整操作共有如下7個(gè)步驟：

(1) 為初始狀態(tài)，工具位于操作對(duì)象正上方，連接桿、內(nèi)套筒及推桿處于最上端，星形輪卡在內(nèi)套筒槽孔上端，抓頭處于閉合狀態(tài)，工具處于自鎖狀態(tài)；

(2) 工具下降到抓取位置，連接桿、內(nèi)套筒及推桿繼續(xù)下降，抓頭張開，星形輪對(duì)頂針及彈簧進(jìn)行壓縮，工具解鎖；

(3) 星形輪脫開槽孔約束，在彈簧及頂針作用下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，止動(dòng)銷彈出防止逆轉(zhuǎn)，工具重新自鎖；

(4) 連接桿帶動(dòng)工具及操作對(duì)象提升，鋼珠滑入到內(nèi)、外套筒之間起限位作用；

(5) 工具及操作對(duì)象下降到釋放位置后，連接桿繼續(xù)下降，星形輪對(duì)頂針及彈簧進(jìn)行壓縮，工具解鎖；

(6) 星形輪脫開槽孔約束，在彈簧及頂針作用下，發(fā)生逆時(shí)針正轉(zhuǎn)，工具重新自鎖；

(7) 連接桿提升，鋼珠滑入凹槽及內(nèi)套筒開孔間，星形輪卡到內(nèi)套筒的槽孔上端并帶動(dòng)內(nèi)套筒、推桿進(jìn)行提升，抓頭閉合，回到初始狀態(tài)。

2 推廣應(yīng)用

2.1 田灣控制棒抓取工具

田灣核電廠的控制棒抓具是裝換料機(jī)的一個(gè)重要部件，須自動(dòng)完成對(duì)控制棒組件的抓取、提升、下降和脫開功能，其對(duì)控制棒的操作是大修關(guān)鍵路徑上的工作項(xiàng)目。原有抓具在使用時(shí)，先后出現(xiàn)了對(duì)控制棒組件抓取、脫開困難等故障，這使裝換料時(shí)間延長(zhǎng)，影響了大修進(jìn)度，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

將新型抓具應(yīng)用在“裝卸料機(jī)控制棒抓具”上，通過在堆上實(shí)際使用，在連續(xù)多次大修中均順利完成對(duì)控制棒的一次性操作，中途無故障發(fā)生，并且縮短了整個(gè)電廠的換料大修周期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，抓具的首次成功應(yīng)用(也是本研究的項(xiàng)目來源)，證明了新型抓具的先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

圖4 抓具實(shí)物產(chǎn)品

2.2 AP1000輻照監(jiān)督管操作工具

AP1000輻照監(jiān)督管操作工具用于將輻照監(jiān)督管從下部堆內(nèi)構(gòu)件中移出后放入專用運(yùn)輸容器以移出反應(yīng)堆廠房。原有工具采用了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，為純手動(dòng)方式，人員須分別操作手柄和滑套來進(jìn)行抓取和釋放。原設(shè)計(jì)存在兩大不足：一是由于工具抓取位置位于堆芯，而存放位置在換料水池邊，兩者之間標(biāo)高差約5 m，因此，工具要求長(zhǎng)度很長(zhǎng)，在存放時(shí)必須拆成兩段，使得結(jié)構(gòu)和拆裝復(fù)雜；二是工具只有一個(gè)人工操作手柄，由于需要在不同標(biāo)高操作，操作繁瑣。

在AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)及后續(xù)國(guó)產(chǎn)化核電廠輻照監(jiān)督管操作工具設(shè)計(jì)中，通過對(duì)本文所述新型抓具的適應(yīng)性改進(jìn)，形成了工具的一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)如圖5所示)。該工具不但繼承了新型抓具的自動(dòng)操作優(yōu)勢(shì)，而且解決了原設(shè)計(jì)存在的問題。

2.3 秦山三廠乏燃料籃操作工具

乏燃料籃操作工具在乏貯水池使用，原來為氣動(dòng)工具，其具有抓取燃料籃和籃蓋兩個(gè)功能。抓取籃蓋時(shí)由四組氣缸分別驅(qū)動(dòng)抓頭，抓取燃料籃時(shí)由氣缸推動(dòng)頂頭將鋼珠壓入燃料籃連接柄。由于使用多臺(tái)氣缸分別操作，工具動(dòng)作不一致，經(jīng)過多年運(yùn)行出現(xiàn)的故障較多，可靠性不高。

圖5 新型輻照監(jiān)督管操作工具結(jié)構(gòu)

鑒于這些情況，需對(duì)工具進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)加工制作。新工具采用星形輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)燃料籃的自動(dòng)抓取，采用連桿機(jī)構(gòu)來抓取籃蓋，新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)工具兩種功能，操作安全、可靠、簡(jiǎn)便。

圖6 乏燃料籃操作工具1.操作機(jī)構(gòu) 2.抓取機(jī)構(gòu) 3.星形輪機(jī)構(gòu) 4.端頭 5.快速插銷

2.4 恰西瑪阻力塞操作工具

恰西瑪核電廠的可燃毒物組件和阻力塞組件原先使用同一個(gè)操作工具。使用時(shí)，工具吊掛在燃料抓取機(jī)的吊鉤上，操作人員在抓取機(jī)的操作平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行操作，對(duì)燃料組件中的可燃毒物組件抽拔或?qū)ψ枇θM件進(jìn)行更換。

由于可燃毒物很長(zhǎng)，在抽拔過程中需要對(duì)棒束進(jìn)行導(dǎo)向，該操作工具配有導(dǎo)向梳，而阻力塞長(zhǎng)度則很短，抽拔時(shí)無需導(dǎo)向，因此用同樣的工具操作顯得較為繁瑣。核電廠需要為阻力塞組件開發(fā)一種專用工具來簡(jiǎn)化操作，這同樣可以通過對(duì)本文所述新型抓具的適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)來達(dá)到。

圖7 阻力塞操作工具結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

本文所介紹的基于星形輪的核電廠新型抓取工具，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 開發(fā)的星形輪裝置，能夠僅依靠芯軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，按順序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸、套的間歇連接與脫開。

(2) 將星形輪應(yīng)用到抓取工具上，能達(dá)到無需動(dòng)力或人力進(jìn)行操作，抓具自動(dòng)完成對(duì)操作對(duì)象的抓取和釋放功能，極大地提高了可操作性。

(3) 抓具在吊運(yùn)過程中形成機(jī)械自鎖，確保操作對(duì)象不會(huì)因誤操作等發(fā)生跌落事故，操作安全可靠。

(4) 抓具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性高、可維護(hù)性好。

該抓具已在核電廠一系列操作設(shè)備上成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整，可廣泛運(yùn)用于核電站機(jī)械操作設(shè)備上，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。