核電廠裝卸料機(jī)管嘴抱卡機(jī)構(gòu)故障機(jī)理分析

張連生

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

坎杜6 重水堆核電站是世界上在役的先進(jìn)核電站之一。它的一大特點(diǎn)是不停堆換料。裝卸料機(jī)就是專門為實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。每個(gè)重水堆有2 臺裝卸料機(jī)，分別位于反應(yīng)堆兩側(cè)，它們通常一起工作，以完成燃料更換。

管嘴抱卡機(jī)構(gòu)是裝卸料機(jī)的一部分，其功能是將裝卸料機(jī)與燃料通道端部件進(jìn)行可靠連接，保證換料過程中壓力邊界的完整性。

管嘴機(jī)構(gòu)包括抱卡螺栓、抱卡螺母、卡爪及連桿、驅(qū)動(dòng)油缸、齒條、軸承、彈簧等。當(dāng)油缸中的齒條驅(qū)動(dòng)抱卡螺栓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，抱卡螺母做軸向直線運(yùn)動(dòng)，卡爪收縮并后撤壓住燃料通道端部件（圖1）。

圖1 管嘴抱卡組件

近幾年裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)出現(xiàn)過幾次不能正常解除抱卡的問題（圖2）。下面以1#裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)為研究對象，對管嘴組件的故障機(jī)理進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論傳動(dòng)螺紋（ACME 螺紋）的性能參數(shù)。

圖2 裝卸料機(jī)

1 故障原因排除

1#裝卸料機(jī)換料結(jié)束后，出現(xiàn)了管嘴抱卡機(jī)構(gòu)無法從燃料通道解除抱卡的故障?，F(xiàn)場檢查，排除了液壓控制回路和儀表回路的故障可能，確認(rèn)故障集中表現(xiàn)在管嘴抱卡機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)部件（圖3）。通過增加解抱卡油壓（5.4 MPa 時(shí)解鎖）的方式將裝卸料機(jī)解抱卡并轉(zhuǎn)運(yùn)至檢修間檢修。

對管嘴抱卡機(jī)構(gòu)進(jìn)行抱卡和解抱卡動(dòng)作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在正常工作情況下無論在管嘴抱卡和解抱卡時(shí)，抱卡螺母都先發(fā)生約0.1 mm 的圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)，被導(dǎo)向塊限制圓周運(yùn)動(dòng)然后再軸向動(dòng)作。而在管嘴解抱卡故障時(shí)，隨著解抱卡油壓的升高，抱卡螺母也是先轉(zhuǎn)動(dòng)約0.1 mm，然后卡住，之后繼續(xù)增大到一定油壓后才軸向運(yùn)動(dòng)并解除抱卡。由此判斷，無法解抱卡的主要阻力來源于抱卡螺栓螺母ACME 螺紋之間，內(nèi)外螺紋承載面仍緊貼在一起沒有相對位移。

圖3 管嘴抱卡組件

對故障管嘴抱卡機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體檢查后，排除了軸承、預(yù)載彈簧和卡爪等其他零部件的故障可能。但是發(fā)現(xiàn)，抱卡螺栓的ACME 螺紋承載面有較嚴(yán)重的拉傷，ACME 外螺紋中徑超出誤差范圍，因此將問題焦點(diǎn)鎖定在了ACME 外傳動(dòng)螺紋上。為了探究ACME 螺紋的故障機(jī)理，需要進(jìn)一步分析計(jì)算。

2 管嘴抱卡機(jī)構(gòu)ACME 螺紋傳動(dòng)性能參數(shù)計(jì)算

2.1 ACME 螺紋的計(jì)算方法

ACME 螺紋參數(shù)見表1。

表1 ACME 螺紋參數(shù)

實(shí)測結(jié)果顯示，中徑低于標(biāo)準(zhǔn)0.5 mm，表面光潔度略超標(biāo)，硬度滿足要求。

（1）抱卡夾緊力計(jì)算見式（1）。

式中 F——抱卡筒夾緊力

M——液壓缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩

d2——螺紋中徑

λ——螺紋升角

ρ＇——螺紋副的當(dāng)量摩擦角

已知d2=9.722 in（246.938 8 mm），λ=3.75°。當(dāng)λ＜ρ＇時(shí)，滿足自鎖條件。

（3）油缸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算公式為M=P0×A×D0。其中，P0為驅(qū)動(dòng)液壓缸壓力計(jì)算假設(shè)壓力，3.5 MPa；A 為單個(gè)液壓缸受力面積受力面積，4200 mm2；D0為齒輪中徑。

2.2 計(jì)算結(jié)果

（1）抱卡狀態(tài)下的當(dāng)量摩擦系數(shù)計(jì)算。1#裝卸料機(jī)的正常管嘴抱卡力為64 000 磅（29 000 kg），油壓為3.5 MPa，帶入式（1），計(jì)算得螺紋副當(dāng)量摩擦系數(shù)為約0.039 5。

（2）自鎖角計(jì)算。根公式計(jì)算可知，當(dāng)管嘴抱卡力64 000 磅時(shí)，螺紋實(shí)際自鎖角為2.37°。此時(shí)螺紋升角λ＞自鎖角ρ＇。螺紋不能自鎖。

（3）故障工況時(shí)的螺紋自鎖角。發(fā)生故障時(shí)抱卡力預(yù)計(jì)仍為64 000 磅，解抱卡油壓約5.4 MPa，計(jì)算得ACME 螺紋副當(dāng)量靜摩擦系數(shù)約0.226，自鎖角為約13.14°，遠(yuǎn)大于螺紋升角。

由以上計(jì)算可以知道，正常情況下管嘴機(jī)構(gòu)抱卡動(dòng)作完成時(shí)，ACME 螺紋副的當(dāng)量動(dòng)摩擦系數(shù)為0.046。抱卡動(dòng)作完成后，抱卡機(jī)構(gòu)不再動(dòng)作，抱卡力維持64 000 磅不變。

而在故障工況下，管嘴機(jī)構(gòu)開始解除抱卡時(shí)，抱卡螺栓和抱卡螺母之間未發(fā)生相對移動(dòng)，因此將此時(shí)的摩擦阻力視為靜摩擦阻力，計(jì)算得知當(dāng)量靜摩擦系數(shù)變?yōu)?.226，自鎖角約13.14°，螺紋實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)量靜摩擦系數(shù)顯著變大，說明ACME 螺紋副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在嚴(yán)重問題，螺紋副之間的配合在抱卡動(dòng)作完成后發(fā)生了突變。

3 故障原因確定

考慮影響螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)的可變因素，主要包括接觸率和表面光潔度。而接觸率又受中徑影響。對故障螺栓進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)故障螺栓螺紋承載面解觸率較低。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，ACME 外螺紋的中徑低于標(biāo)準(zhǔn)0.52 mm，且圓柱度差，螺紋承載面表面存在損傷。另外，測量了軸向和徑向竄動(dòng)量：徑向竄動(dòng)0.88 mm，軸向竄動(dòng)1.06 mm，超標(biāo)比較明顯，該參數(shù)與ACME 螺紋中徑相關(guān)。表面光潔度略超標(biāo)，判斷影響較小。抱卡螺母的內(nèi)螺紋狀態(tài)較好，不做進(jìn)一步分析。

螺紋中徑和接觸率等參數(shù)的下降，將影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能，會使管嘴抱卡機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定。在ACME 螺紋狀態(tài)惡化的情況下螺紋面當(dāng)量摩擦系數(shù)增大，使螺紋自鎖角增大。通過計(jì)算可知，當(dāng)量靜摩擦系數(shù)增加到約0.068 時(shí)自鎖角等于螺紋升角3.75°。即當(dāng)量靜摩擦系數(shù)增大到大于0.068 時(shí)螺紋副實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)量靜摩擦系數(shù)增大到0.168 時(shí)，管嘴機(jī)構(gòu)不能解除抱卡。根據(jù)計(jì)算當(dāng)量摩擦系數(shù)增加到0.226 時(shí)，油壓需要增加到5.4 MPa以上才能夠解鎖。

因此裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)不能解除抱卡原因?yàn)楸Э菟ˋCME 螺紋狀態(tài)下降，管嘴抱卡螺母螺紋在抱卡過程中相對抱卡螺栓螺紋傾斜，導(dǎo)致傳動(dòng)螺紋面局部受力過大，當(dāng)量摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，抱卡后急劇增大，使得該套抱卡螺栓螺母組件的傳動(dòng)螺紋產(chǎn)生自鎖，并且自鎖后所需的解鎖力量大于驅(qū)動(dòng)油缸提供的解抱卡力量，需要增大油壓才能完成解抱卡動(dòng)作，即解鎖螺紋。根據(jù)目前已知的情況可以判斷，本次管嘴抱卡故障主要是長期運(yùn)行磨損造成ACME 螺紋表面狀態(tài)下降造成的。

由于ACME 螺紋中徑已超標(biāo)，并且螺紋承載面劃痕不可修復(fù)，因此用備件進(jìn)行了更換。更換后，設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)正常。

4 總結(jié)與展望

對裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)ACME 螺紋的性能參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析，初步確定了裝卸料機(jī)管嘴機(jī)構(gòu)不能解抱卡的原因?yàn)锳CME 螺紋參數(shù)改變、狀態(tài)下降，造成傳動(dòng)性能不穩(wěn)定，當(dāng)量摩擦系數(shù)和摩擦阻力存在突變的現(xiàn)象。當(dāng)量摩擦系數(shù)的變化對管嘴抱卡機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率、自鎖角等影響較大，而影響螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)和摩擦阻力的主要因素為結(jié)構(gòu)尺寸，建議對其進(jìn)行進(jìn)一步的測量和研究，明確預(yù)防措施，使傳動(dòng)螺紋處于良好的工作狀態(tài)，從而確保裝卸料機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。