核反應(yīng)堆燃料傾翻機(jī)載荷在線校驗(yàn)系統(tǒng)的研制1)

(中核核電運(yùn)行管理有限公司維修支持處，浙江 海鹽 314300)

1 核燃料傾翻機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

核燃料傾翻機(jī)構(gòu)從屬于燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置是燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要換料設(shè)備之一，其主要服務(wù)對(duì)象是燃料組件。其主要功能是在反應(yīng)堆停堆換料期間，卸料時(shí)運(yùn)輸小車(chē)將燃料組件從反應(yīng)堆廠房經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)通道運(yùn)至燃料廠房，裝料時(shí)將燃料組件從燃料廠房運(yùn)至反應(yīng)堆廠房換料水池內(nèi)。燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置主要由運(yùn)輸、支承及傾翻機(jī)三大部件組成。

傾翻機(jī)作為三大主要部件之一，由提升機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)和傾翻架組成，共同實(shí)現(xiàn)承載器和燃料組件的傾翻動(dòng)作，其組成部件如圖1所示。在反應(yīng)堆換料期間，通過(guò)提升機(jī)構(gòu)的牽引作用，利用鋼絲繩的拉力和定位機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向，來(lái)實(shí)現(xiàn)傾翻架在水平和垂直位置之間的翻轉(zhuǎn)操作，從而使燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的承載器處于平躺和豎直兩種狀態(tài)。

1)提升機(jī)構(gòu)的主體是卷?yè)P(yáng)機(jī)，為傾翻架的翻轉(zhuǎn)提供拉力，在卷筒下方安裝有載荷傳感器，用于對(duì)載荷的監(jiān)測(cè)和對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。

2)定位機(jī)構(gòu)的主體是帶線槽的定滑輪，為鋼絲繩提供定位和導(dǎo)向。

3)傾翻架的作用是搭載承載器，利用提升機(jī)構(gòu)的牽引，來(lái)實(shí)現(xiàn)承載器的翻轉(zhuǎn)操作。

圖1 傾翻機(jī)的組成

2 載荷傳感器的校驗(yàn)及現(xiàn)用方法的弊端

2.1 載荷傳感器的校驗(yàn)

載荷傳感器用于對(duì)提升載荷的監(jiān)測(cè)，并將測(cè)量數(shù)值(欠載、正常載荷和超載)傳送到控制臺(tái)，用于觸發(fā)控制系統(tǒng)的超載、欠載保護(hù)，以確保核燃料傾翻過(guò)程中的操作安全。核燃料組件、承載器和傾翻架旋轉(zhuǎn)部分的重量在一定的幾何關(guān)系下傳遞給鋼絲繩，鋼絲繩的拉力通過(guò)定位機(jī)構(gòu)在提升機(jī)構(gòu)特定的幾何關(guān)系下轉(zhuǎn)化成對(duì)載荷傳感器的壓力，因此，傾翻架上整體旋轉(zhuǎn)部分的重量與提升機(jī)構(gòu)載荷傳感器所承受的壓力之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。如果載荷傳感器出現(xiàn)超載或欠載，則證明傾翻架轉(zhuǎn)動(dòng)部件存在卡澀或者其他機(jī)械故障，需觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，否則可能會(huì)損壞傾翻機(jī)構(gòu)或者燃料組件，因此，保證載荷傳感器的功能正常和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)傾翻系統(tǒng)的保護(hù)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，需要定期校驗(yàn)其載荷測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 現(xiàn)用方法的弊端

壓力載荷傳感器的電量信號(hào)與壓力是呈線性變化關(guān)系的，現(xiàn)實(shí)中常規(guī)起重設(shè)備通常采用已知定額的配重塊直接壓載荷傳感器進(jìn)行物理校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量載荷與實(shí)際載荷的匹配。對(duì)于傾翻機(jī)的提升機(jī)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩下端連接有專用載荷，無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)配重塊對(duì)鋼絲繩直接施加定額牽引載荷來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)?，F(xiàn)在的做法是使用專用配重塊，設(shè)置在卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒上方，通過(guò)增加卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的重量來(lái)對(duì)支撐底板上的載荷傳感器施加壓力，根據(jù)已知重量的專用配重塊來(lái)校核載荷傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。專用配重塊的示意圖如圖2所示。

圖2 專用配重塊示意圖

提升機(jī)構(gòu)的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)整個(gè)固定在平板上，該平板通過(guò)后端兩側(cè)的轉(zhuǎn)軸與支撐底板上的軸承座連接，可以轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)，平板前端坐落在載荷傳感器上，形成三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的支撐底板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)支撐底板結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)載荷傳感器進(jìn)行受力分析，由于配重塊在卷筒上方的位置是隨意放置的，并且有移動(dòng)的空間。因此，配重塊放置的位置不一樣時(shí)，配重塊和傳感器之間存在不同的相對(duì)軸線位置關(guān)系，傳感器的受力狀態(tài)也不一樣，配重塊不同位置下傳感器的受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 配重塊不同位置下傳感器的受力狀態(tài)

圖中，G為配重塊的重量，N為施加在傳感器上的壓力，N′為軸承座位置產(chǎn)生的額外作用力。根據(jù)受力平衡和轉(zhuǎn)矩平衡分析得出：

1) 當(dāng)配重塊與傳感器豎直方向同軸時(shí)，N=G；

2) 當(dāng)配重塊位置偏外時(shí)，N>G，同時(shí)，軸承座對(duì)平板產(chǎn)生額外的作用力，方向朝下；

3) 當(dāng)配重塊位置偏里時(shí)，N

由此看出，在配重塊重力與傳感器支撐力豎直方向不同軸的情況下，認(rèn)為G=N是存在誤差的。綜上所述，現(xiàn)用專用配重塊進(jìn)行載荷校準(zhǔn)的方法弊端有：

1) 難以保證配重塊和傳感器作用力同軸，校驗(yàn)方法存在原理上的誤差；

2) 在乏燃料水池和轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)上方進(jìn)行配重塊的吊裝，存在起重吊裝和異物落入水池的風(fēng)險(xiǎn)，增加了作業(yè)及防護(hù)難度。

鑒于以上兩點(diǎn)，擬利用傾翻機(jī)自身結(jié)構(gòu)，根據(jù)受力分析和傾翻系統(tǒng)的幾何位置關(guān)系，計(jì)算載荷傳感器的真實(shí)受力，來(lái)進(jìn)行載荷校驗(yàn)。由此引出載荷在線校驗(yàn)系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)能快捷地計(jì)算出傾翻架在各種角度下載荷傳感器的受力，及其傳感器載荷隨角度的變化關(guān)系。

3 載荷在線校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 建立傾翻機(jī)構(gòu)物理模型，確定重心

以搭載承載器的傾翻架為受力分析對(duì)象，需要已知其重量和重心。由于傾翻架和承載器均是形狀不規(guī)則的裝配體，本文以650 MW機(jī)組轉(zhuǎn)運(yùn)裝置為例，根據(jù)其設(shè)備竣工圖紙采用solidworks建立三維模型，來(lái)確定該裝配體的重量和重心，傾翻架三維模型如圖5所示。根據(jù)建模結(jié)果，其質(zhì)量為900 kg，以傾翻架的旋轉(zhuǎn)軸中心為原點(diǎn)，其重心的坐標(biāo)值(單位：m)為X=1.131,Y=0.000,Z=-0.112。

圖5 傾翻架三維模型

3.2 建立傾翻系統(tǒng)幾何模型，并受力分析

整個(gè)傾翻系統(tǒng)三大部件布局圖如圖6所示，從上到下依次為提升機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、傾翻架。建立幾何受力模型如圖7所示。

圖6 傾翻系統(tǒng)布局圖

圖7 傾翻系統(tǒng)的幾何力學(xué)模型

按照設(shè)備竣工圖紙和安裝圖紙，根據(jù)已知尺寸，可計(jì)算在特定傾翻角度θ或者卷筒旋轉(zhuǎn)角度下鋼絲繩的拉力F和載荷傳感器的壓力N。下面編制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的計(jì)算和繪制各關(guān)鍵參數(shù)間的關(guān)系曲線。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算軟件

利用傾翻系統(tǒng)的幾何力學(xué)模型，根據(jù)已知參數(shù)，編制公式計(jì)算未知參數(shù)，最終編制軟件和操作界面。出于載荷校驗(yàn)的需要，本文中以傾翻架的傾翻角度和卷筒旋轉(zhuǎn)角度為輸入?yún)?shù)，以鋼絲繩拉力、載荷傳感器壓力和鋼絲繩收繩量為軟件計(jì)算后的輸出參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)傾翻系統(tǒng)載荷傳感器的自我校驗(yàn)。計(jì)算軟件的界面如圖8和圖9所示，其中，圖8為傾翻架在水平狀態(tài)剛受力的瞬間各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，圖9為傾翻架垂直狀態(tài)下各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。該軟件可以進(jìn)行傾翻架空載時(shí)各狀態(tài)下的受力計(jì)算。

圖8 0°狀態(tài)下的受力計(jì)算

圖9 90°狀態(tài)下的受力計(jì)算

3.4 繪制各變量的關(guān)系曲線圖

在提升機(jī)構(gòu)牽引傾翻架翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，鋼絲繩拉力和載荷傳感器壓力是一直變化著的。為了進(jìn)一步研究鋼絲繩拉力和載荷傳感器壓力隨角度的變化規(guī)律，需繪制相應(yīng)的曲線圖。本文編制軟件，分別以角度0.01(弧度制)和收繩量1 mm為步序，進(jìn)行受力計(jì)算，并繪制關(guān)系曲線，得出F、N隨傾翻架角度的變化曲線如圖10所示，F(xiàn)、N、θ隨鋼絲繩收繩量的變化曲線如圖11所示。

從圖10可以看出，傾翻架角度越大，鋼絲繩所受的拉力越小，載荷傳感器的受力也越小，呈近似線性的變化規(guī)律。從圖11可以看出，鋼絲繩拉力和傳感器壓力隨鋼絲繩收繩量呈幾乎線性的變化規(guī)律。

圖10 F、N隨傾翻架角度的變化曲線

圖11 F、N、θ隨鋼絲繩收繩量的變化曲線

3.5 現(xiàn)場(chǎng)校正，誤差來(lái)源分析

分別采用定額配重塊的物理校驗(yàn)方法和理論計(jì)算方法，對(duì)載荷傳感器進(jìn)行校驗(yàn)并設(shè)置參數(shù)。理論計(jì)算的方法是按理論計(jì)算的結(jié)果為傳感器設(shè)置參數(shù)；物理校驗(yàn)的方法是在鋼絲繩松弛狀態(tài)下傳感器載荷設(shè)為0，放置定額配重塊時(shí)設(shè)置為配重塊的重量。兩種校驗(yàn)方法的數(shù)值比較如表1所示。

表1 兩種校驗(yàn)方法的數(shù)值比較

1) 設(shè)備竣工圖紙和安裝圖紙中的尺寸與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際尺寸之間存在偏差，導(dǎo)致幾何模型的偏差；

2) 采用配重塊物理校驗(yàn)的方法帶來(lái)的誤差。

兩種狀態(tài)下，理論計(jì)算的數(shù)值比配重塊校驗(yàn)的數(shù)值偏差基本相同，偏差量不隨傾翻角度變化，幾乎為定值。同時(shí)，理論分析表明，鋼絲繩拉力和傳感器壓力與鋼絲繩收繩量之間呈線性關(guān)系，因此，可以將這個(gè)偏差體現(xiàn)在截距里。用修正截距的辦法來(lái)修正理論計(jì)算的結(jié)果。

4 工程應(yīng)用

通過(guò)該理論計(jì)算以及計(jì)算軟件的編制，可以計(jì)算傾翻架在各個(gè)狀態(tài)下的受力情況。實(shí)際操作中，通過(guò)記錄卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)的卷數(shù)和角度，即可得出當(dāng)前的理論載荷，與載荷傳感器的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行比較，可間接判斷傾翻架機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損情況或者載荷傳感器的偏移程度，用于輔助缺陷的分析和判斷。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)核燃料傾翻機(jī)傾翻系統(tǒng)的幾何建模和力學(xué)計(jì)算，得出了載荷的理論值及其變化規(guī)律，并提出了因工程實(shí)際尺寸偏差而導(dǎo)致的理論計(jì)算偏差的修正方法，為載荷傳感器的校驗(yàn)提供理論數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)傾翻架各個(gè)狀態(tài)下的理論載荷與實(shí)測(cè)載荷的對(duì)比，為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)故障的分析提供參考和依據(jù)。