廢包殼傾倒裝置萬(wàn)向聯(lián)軸器及固定銷斷裂故障分析

(中國(guó)核電工程有限公司 北京核化工研究設(shè)計(jì)院設(shè)備所，北京 100840)

乏燃料后處理，作為核燃料循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)，一直備受世界各國(guó)的重視和關(guān)注[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)核電行業(yè)的安全和可持續(xù)發(fā)展，正確進(jìn)行乏燃料的后處理尤為關(guān)鍵[3]。由于乏燃料中含有大量的放射性元素，如果不能進(jìn)行有效處理，不僅僅是對(duì)資源和能源的浪費(fèi)，更有可能對(duì)自然環(huán)境和人類社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的輻射污染問(wèn)題，造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。而乏燃料中間試驗(yàn)廠作為我國(guó)第一個(gè)乏燃料后處理廠有著非常重要的意義。對(duì)乏燃料進(jìn)行有效處理，不僅僅可以更高效地利用鈾礦資源，也可去除長(zhǎng)半衰期的放射性廢物和減少毒性，這與國(guó)家“節(jié)能減排”的戰(zhàn)略完全切合。而在后處理廠首端系統(tǒng)中，作為幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備之一，廢包殼傾倒裝置的運(yùn)行狀態(tài)和可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況[6-7]。針對(duì)該類設(shè)備的研究，一方面是采用AGREE方法對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬手段對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)材料進(jìn)行疲勞和強(qiáng)度評(píng)估[3]。另一方面是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用實(shí)驗(yàn)手段并結(jié)合設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析結(jié)構(gòu)的可靠性[6]。但是由于乏燃料組件具有反射性，需要盡量減少系統(tǒng)故障和實(shí)驗(yàn)次數(shù)。因此本文針對(duì)廢包殼傾倒裝置在運(yùn)行過(guò)程中有可能出現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)軸萬(wàn)向聯(lián)軸器及其固定銷發(fā)生斷裂故障，本文建立了設(shè)備零部件(主要包括保障設(shè)備正常運(yùn)行的固定銷1、固定銷2和翻轉(zhuǎn)軸萬(wàn)向聯(lián)軸器)的物理簡(jiǎn)化模型，采用數(shù)值模擬手段對(duì)其進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)分析和故障原因分析，得到了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中固定銷和翻轉(zhuǎn)軸萬(wàn)向聯(lián)軸器出現(xiàn)的最大應(yīng)力和扭矩，并根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了疲勞和強(qiáng)度評(píng)估，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障以及原因。最后針對(duì)該故障發(fā)生的原因提出了避免該故障的改進(jìn)和預(yù)防措施，并對(duì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從而保障裝置的有效運(yùn)行，降低事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

1 廢包殼傾倒裝置簡(jiǎn)介

廢包殼傾倒裝置機(jī)構(gòu)原理及設(shè)備總裝示意圖如圖1所示，廢包殼傾倒裝置主要由傳動(dòng)頭、穿墻軸、萬(wàn)向聯(lián)軸器和倒料桶四部分組成。其中傳動(dòng)頭和穿墻軸分別用來(lái)提供和傳遞實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)以及振蕩功能所需的動(dòng)力，其中閥門電動(dòng)裝置和電機(jī)分別為翻轉(zhuǎn)和振蕩功能提供動(dòng)力。倒料桶用來(lái)承接溶解器大吊籃，并通過(guò)其附屬部件完成卡緊和振蕩功能。傳動(dòng)頭和倒料桶通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)頭帶動(dòng)倒料桶及其部件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

在首端系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，廢包殼傾倒裝置在翻轉(zhuǎn)工況往往運(yùn)行正常，而在對(duì)大吊籃進(jìn)行振蕩清空時(shí)，工作人員時(shí)常發(fā)現(xiàn)傾倒裝置翻轉(zhuǎn)軸的萬(wàn)向聯(lián)軸器的固定銷和連接套發(fā)生斷裂，使傾倒裝置不能繼續(xù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和振蕩操作。由于缺少故障的觀察和反饋手段，操作人員往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，導(dǎo)致設(shè)備在故障情況下繼續(xù)運(yùn)行，增大其他零部件出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員反饋以及對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行受力分析，可以發(fā)現(xiàn)：設(shè)備在振蕩工況下翻轉(zhuǎn)軸受到的扭矩要大于翻轉(zhuǎn)工況下收到的扭矩；設(shè)備翻轉(zhuǎn)軸系缺少類似于安全銷的安全保護(hù)措施，從而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)軸系扭矩過(guò)大而發(fā)生的失效故障；萬(wàn)向聯(lián)軸器涉及選型存在偏差導(dǎo)致其承載能力不能滿足振蕩工況。針對(duì)以上問(wèn)題，本文借助數(shù)值模擬的分析計(jì)算手段，對(duì)固定銷1、固定銷2和翻轉(zhuǎn)軸萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)分析。

2 設(shè)備多體動(dòng)力學(xué)分析

廢包殼傾倒裝置通過(guò)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)軸系，實(shí)現(xiàn)倒料筒的180°翻轉(zhuǎn)，再由動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)振動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)，使凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)倒料筒振動(dòng)。廢包殼傾倒裝置翻轉(zhuǎn)時(shí)，翻轉(zhuǎn)軸系會(huì)承受較大的轉(zhuǎn)矩，振動(dòng)時(shí)又對(duì)翻轉(zhuǎn)軸系施加了循環(huán)作用力，此時(shí)翻轉(zhuǎn)軸系還承受扭矩，可能造成翻轉(zhuǎn)軸系的損壞。針對(duì)設(shè)備的振蕩工況，本文利用ADMAS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件對(duì)設(shè)備振蕩工況進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真[8]。簡(jiǎn)化后的廢包殼傾倒裝置三維模型如圖2所示，分析過(guò)程中保證翻轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，而振動(dòng)軸通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)倒料筒上下振動(dòng)。該工況下的關(guān)鍵零部件為兩個(gè)銷以及翻轉(zhuǎn)軸，利用ANSYS制作構(gòu)件柔性體，導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?。剛?cè)狁詈戏治黾夹g(shù)路線如圖3所示，經(jīng)過(guò)建模、選擇材料、添加約束和輸入相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，最終通過(guò)計(jì)算得到在整個(gè)振蕩過(guò)程中設(shè)備翻轉(zhuǎn)軸的受力情況[9]。

在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，構(gòu)件材料類型：銷材料為14Cr17ni2，軸材料為07Cr17Ni7Al，其余為06Cr19Ni10。振動(dòng)頻率為72次/分。振動(dòng)時(shí)間設(shè)置為5 min。在ANSYS中生成關(guān)鍵部件的柔性體模型及網(wǎng)格如圖4所示。動(dòng)力裝置、基座添加全固定約束，軸與軸承座添加鉸鏈約束，萬(wàn)向聯(lián)軸器之間添加萬(wàn)向副約束，萬(wàn)向副與軸的一端添加滑動(dòng)副約束等2個(gè)凸輪與下面立柱添加碰撞約束，2個(gè)紫色軸承座與下面青色基座也施加碰撞約束，銷1與料筒轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間添加固定副約束，而萬(wàn)向節(jié)與銷1利用固定副來(lái)代替碰撞，銷2與動(dòng)力裝置傳動(dòng)軸之間添加固定副約束，而萬(wàn)向節(jié)與銷2利用固定副來(lái)代替碰撞。在翻轉(zhuǎn)軸系與紫色可旋轉(zhuǎn)軸承座之間添加旋轉(zhuǎn)副，在翻轉(zhuǎn)軸與吊籃、料筒之間添加萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)副，在凸輪與振動(dòng)軸之間也添加萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)副。進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析需按實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況進(jìn)行參數(shù)輸入，在動(dòng)力裝置與凸輪軸之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輸入?yún)?shù)為216°/s，而翻轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)為0，第三根軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度也設(shè)為0。設(shè)置運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真時(shí)間為3.0 s，仿真步數(shù)為200。

3 機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏治?/h2>

3.1 銷1剛?cè)狁詈戏治?/h3>

對(duì)銷1進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡?，后處理得到其?yīng)力云圖如圖5所示。從結(jié)果可以看到，銷1的最大應(yīng)力點(diǎn)集中在萬(wàn)向節(jié)與銷的接觸區(qū)域，上下各一個(gè)區(qū)域，分別編號(hào)位置為1與2。提取原始結(jié)構(gòu)銷1運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以看到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)編號(hào)為280號(hào)節(jié)點(diǎn)(位置1區(qū)域內(nèi))，最大應(yīng)力為600 MPa左右。提取出最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)280處的von_mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖5(b)所示?？梢悦黠@看到有4個(gè)尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，這是由于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的廢包殼翻轉(zhuǎn)裝置振動(dòng)，且每個(gè)周期的最大應(yīng)力時(shí)間點(diǎn)發(fā)生在凸輪開始上升的階段。因?yàn)榇藭r(shí)料筒由于慣性還不能立刻達(dá)到與凸輪運(yùn)動(dòng)同步，所以存在一定沖擊，最大應(yīng)力為600 MPa左右。隨后過(guò)渡到震蕩階段，應(yīng)力值在490 MPa左右波動(dòng)，凸輪上升階段完成自由下降時(shí)刻，銷的應(yīng)力快速降低。提取出銷1與萬(wàn)向節(jié)在接觸區(qū)域受到的合力隨時(shí)間變化曲線如圖5(c)所示?？梢悦黠@看到有4個(gè)尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，與應(yīng)力變化規(guī)律相同，最大受力為32 000 N左右。隨后過(guò)渡到震蕩階段，受力為26 000 N左右，然后迅速下降。

3.2 銷2剛?cè)狁詈戏治?/h3>

對(duì)銷2進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡妫筇幚淼玫狡鋺?yīng)力云圖如圖6所示。從結(jié)果可以看到，銷2的最大應(yīng)力點(diǎn)集中在萬(wàn)向節(jié)與銷的接觸區(qū)域，上下各一個(gè)區(qū)域，分別編號(hào)位置為1與2。提取原始結(jié)構(gòu)銷2運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以看到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1588號(hào)節(jié)點(diǎn)，最大應(yīng)力為650 MPa左右。提取出最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)1 588處的von_mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖6(b)所示?？梢悦黠@看到有4個(gè)尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，這是由于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的廢包殼翻轉(zhuǎn)裝置振動(dòng)，且每個(gè)周期的最大應(yīng)力時(shí)間點(diǎn)發(fā)生在凸輪開始上升的階段，因?yàn)榇藭r(shí)料筒由于慣性還不能立刻達(dá)到與凸輪運(yùn)動(dòng)同步，所以存在一定沖擊，最大應(yīng)力為650 MPa左右。隨后過(guò)渡到震蕩階段，應(yīng)力值在570 MPa左右波動(dòng)，凸輪上升階段完成自由下降時(shí)刻，銷的應(yīng)力快速降低。提取出銷1與萬(wàn)向節(jié)在接觸區(qū)域受到的合力隨時(shí)間變化曲線如圖6(c)所示?？梢悦黠@看到有4個(gè)尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，與應(yīng)力變化規(guī)律相同，最大受力為30 000 N左右。隨后過(guò)渡到震蕩階段，受力為27 000 N左右，然后迅速下降。

3.3 翻轉(zhuǎn)軸剛?cè)狁詈戏治?/h3>

對(duì)翻轉(zhuǎn)軸進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡妫瑸榱藴p少網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及計(jì)算量，截取階梯軸一部分進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡妗：筇幚淼玫狡鋺?yīng)力云圖如圖7所示，從結(jié)果可以看到，受翻轉(zhuǎn)軸模態(tài)影響，最大應(yīng)力集中在銷孔與階梯軸截面變化之間的位置。提取原始結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以看到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)編號(hào)為641號(hào)節(jié)點(diǎn)，最大應(yīng)力為180 MPa左右。提取出翻轉(zhuǎn)軸受到的合力矩與合力隨時(shí)間變化曲線分別如圖7(b)所示?？梢悦黠@看到有4個(gè)尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，這是由于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的廢包殼翻轉(zhuǎn)裝置振動(dòng)，最大受力時(shí)間點(diǎn)為凸輪剛開始上升的階段，為1 200 N·m左右。圖7(c)為翻轉(zhuǎn)軸受到的合力隨時(shí)間的變化曲線，從結(jié)果可以看到，翻轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的力很小，平均值在100 N以下，說(shuō)明其主要受到扭矩的作用，與事實(shí)相符。

3.4 疲勞與強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步疲勞與強(qiáng)度分析。設(shè)備萬(wàn)向聯(lián)軸器連接套的內(nèi)徑為40 mm，外徑為60 mm，固定銷為10 mm，而根據(jù)萬(wàn)向聯(lián)軸器的尺寸參數(shù)可知，連接套內(nèi)徑為32 mm，外徑為60 mm，固定銷為10 mm的萬(wàn)向聯(lián)軸器承載能力為640 N·m，而內(nèi)徑40 mm外徑75 mm的萬(wàn)向聯(lián)軸器承載能力為1 280 N·m。因此通過(guò)對(duì)比可知，設(shè)備中選用的萬(wàn)向聯(lián)軸器承載能力不能滿足振蕩工況下的扭矩。對(duì)于固定銷來(lái)說(shuō)，根據(jù)計(jì)算其最大應(yīng)力為650 MPa，固定銷材料為14Cr17Ni2，而根據(jù)陳冠峰等人[10]的研究?jī)?nèi)容可知，14Cr17Ni2的疲勞極限為310 MPa。由于固定銷在整個(gè)振蕩過(guò)程中的最大應(yīng)力超過(guò)了其材料的疲勞極限，因此在運(yùn)行一段時(shí)間以后，固定銷可能會(huì)發(fā)生斷裂故障。

4 結(jié)論與建議

本文針對(duì)中試廠廢包殼傾倒裝置在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障以及故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)等問(wèn)題，采用數(shù)值模擬手段建立了廢包殼傾倒裝置的翻轉(zhuǎn)軸萬(wàn)向聯(lián)軸器及其固定銷模型，并進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)分析和故障原因分析，主要結(jié)論如下：

(1)在凸輪開始上升的階段固定銷與萬(wàn)向節(jié)接觸區(qū)域存在最大應(yīng)力點(diǎn)，上下各一個(gè)區(qū)域，固定銷1的最大應(yīng)力為600 MPa左右，固定銷2最大應(yīng)力為650 MPa左右；

(2)受翻轉(zhuǎn)軸模態(tài)影響，翻轉(zhuǎn)軸最大應(yīng)力集中在銷孔與階梯軸截面變化之間的位置，最大應(yīng)力為180 MPa左右，最大受力時(shí)間點(diǎn)為凸輪剛開始上升的階段，而翻轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的力很小，平均值在100 N以下，說(shuō)明其主要受到扭矩的作用；

(3)通過(guò)疲勞與強(qiáng)度分析可知，設(shè)備中選用的萬(wàn)向聯(lián)軸器承載能力不能滿足振蕩工況下的扭矩，固定銷在整個(gè)振蕩過(guò)程中的最大應(yīng)力超過(guò)了其材料的疲勞極限，在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)故障。

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，本文提出如下改進(jìn)設(shè)計(jì)建議：增設(shè)安全保護(hù)裝置。在熱室外部，蝸輪蝸桿與翻轉(zhuǎn)軸之間增加一段翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，并通過(guò)梅花聯(lián)軸器與穿墻翻轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，梅花聯(lián)軸器與翻轉(zhuǎn)軸通過(guò)固定銷聯(lián)接，同時(shí)梅花聯(lián)軸器彈性體可起到一定的緩沖減

震作用，從而起到保護(hù)熱室內(nèi)零部件的作用；對(duì)設(shè)備全工況進(jìn)行受力分析并借助數(shù)值模擬等分析手段，得到設(shè)備在不同工況下的受力情況，從而根據(jù)全工況下的最大受力情況選擇和校核該設(shè)備的傳動(dòng)零部件；增加設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和觀察手段。提出加設(shè)窺視窗和攝像頭的要求，從而能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。