一種慢化器多層套管切割器的研制

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(1.東莞中子科學(xué)中心， 廣東東莞 523803； 2.中國科學(xué)院高能物理研究所， 北京 100049；3.中國科學(xué)院物理研究所， 北京 100190； 4.奧來救援科技有限公司， 山東德州 253400)

引言

中國散裂中子源(CSNS)是我國“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置，高能質(zhì)子入射靶體后通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生高能中子，這些中子經(jīng)過慢化器慢化后，能量降至適合中子散射的能量區(qū)域，供中子散射實(shí)驗(yàn)使用[1-2]。慢化器冷卻管由三層套管組成，內(nèi)層為進(jìn)出冷卻液管、中間為真空絕熱層、外層為氦氣氛管[3]， 套管材料為316L，尺寸和結(jié)構(gòu)見圖1。慢化器安裝于深井氦容器內(nèi)，慢化器套管最長(zhǎng)達(dá)5 m多，壽命期滿后先在深井內(nèi)進(jìn)行首次縮容，然后被運(yùn)至熱室進(jìn)行二次縮容[4]。放射性廢物處理應(yīng)遵循二次廢物最少化的原則[5-6]。工程上通用的火花切割機(jī)因?yàn)榛鸹w濺存在安全隱患以及產(chǎn)生二次廢液不在考慮范圍之內(nèi)；調(diào)研發(fā)現(xiàn)兩種可用于熱室的剪切器：剪刀型液壓剪和斬?cái)嘈鸵簤呵懈钇?。剪刀型液壓剪類似常?guī)剪刀，兩刀片之間鉸接且存在一定的間隙，剪切力較大時(shí)，間隙將逐漸增大，從而引起側(cè)向力，造成剪切效果不理想[7]。斬?cái)嘈颓懈钇鲃?dòng)刀片和定刀片垂直布置，動(dòng)刀片起切割作用，定刀片起支撐作用。日本散裂中子源(J-PARC)和英國散裂中子源(ISIS)采用剪刀型液壓剪作為熱室管道縮容設(shè)備，同時(shí)配備了管道夾持機(jī)構(gòu)。遙控維護(hù)的基本原則：減少操作工序和維護(hù)人員的操作時(shí)間。由于CSNS慢化器維護(hù)方式與J-PARC以及ISIS不同，采用了斬?cái)嘈颓懈钇?，無需壓管或夾管機(jī)構(gòu)，僅利用機(jī)械手將管道放置在定位槽處即可。傳統(tǒng)切割器動(dòng)刀片通常設(shè)計(jì)為平直狀，切割的最后階段與定刀片互頂接觸，若剪切力很大將造成刀片的開裂和崩刃[8]。本研究基于傳統(tǒng)斬?cái)嘈颓懈钇鞯毒咴O(shè)計(jì)的弊端，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖1 慢化器套管尺寸和結(jié)構(gòu)圖

套管剪切是一個(gè)邊擠壓邊剪切的過程，隨著剪切截面的不斷增加，剪切力不斷增加，當(dāng)剪切截面達(dá)到最大時(shí)，剪切力達(dá)到最大。因此剪切截面是影響套管剪切力的最大因素，而實(shí)際套管剪切截面是不斷變化的，剪切力很難確定。目前國內(nèi)外有十幾組剪切力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，適用范圍各不相同，各系數(shù)很難準(zhǔn)確確定[9]。為了縮短研制時(shí)間，降低成本，保證切割器的切割性能，本研究通過試驗(yàn)來確定套管的剪切力。

1 切割器主要組成

切割器是由高壓液壓油驅(qū)動(dòng)液壓活塞桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力來完成切割作業(yè)。機(jī)械部分主要由鐵屑收集盒、V形定位槽、底座(定刀片)、導(dǎo)軌板、動(dòng)刀片、刀座、液壓缸支撐板、液壓缸、側(cè)板、頂板、吊耳等組成。主體材料選用42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)熱處理后加工而成，保證切割器的強(qiáng)度和耐磨性。

切割器工作于熱室環(huán)境，轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)程控制，工作人員在操作間借助鉛玻璃窺視窗和攝像頭進(jìn)行遙控切割。油管穿墻進(jìn)入熱室，與液壓缸利用機(jī)械手專用快速接頭實(shí)現(xiàn)連接和斷開，切割器設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 切割器設(shè)計(jì)圖

2 切割器參數(shù)確定

2.1 套管切斷力確定

切割器工作于放射性環(huán)境，應(yīng)具備安全再安全的特點(diǎn)，因此應(yīng)留有足夠的安全系數(shù)，按照切割1.5倍壁厚的套管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

采用CSNS工程上已研制成功的強(qiáng)剪力雙刃液壓剪來確定套管的剪切力。該液壓剪用于深井內(nèi)慢化器套管的首次縮容，對(duì)套管的剪切過程與本研究所要研制的切割器切割過程類似，切割器刀片采用尖角型，刀片尖角先與套管接觸，套管中部被壓扁后先進(jìn)入切割狀態(tài)，隨著切割的進(jìn)行，切割區(qū)域逐漸向兩側(cè)移動(dòng)。液壓剪剪切時(shí)，先將套管初步壓扁，外側(cè)進(jìn)入剪切狀態(tài)，隨著剪切進(jìn)行，剪切區(qū)域向內(nèi)側(cè)移動(dòng)。相同點(diǎn)：剪切過程分區(qū)域逐點(diǎn)剪切，在剪切的最后階段壓力均達(dá)到最高值，然后迅速下降。

強(qiáng)剪力雙刃液壓剪液壓缸內(nèi)徑為150 mm，最大工作壓力為40 MPa。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：剪切過程壓力表測(cè)試的最大壓力為30 MPa，結(jié)合液壓缸內(nèi)徑換算為所需的最大推力為530 kN，套管剪切力測(cè)試見圖3。

圖3 套管剪切力測(cè)試

已知液壓缸的最大推力，根據(jù)液壓剪的結(jié)構(gòu)形式，可確定刀片對(duì)應(yīng)的剪切力，液壓剪運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖4a，單刀片受力分析簡(jiǎn)圖見圖4b。

圖4 液壓剪運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及單刀片受力分析簡(jiǎn)圖

假設(shè),剪切過程是勻速的[10],則有：

(1)

式中，F(xiàn)p為液壓缸的拉力，kN；Fs為單側(cè)刀刃剪切點(diǎn)的剪切反力，kN；θ為刀片與活塞桿的傳動(dòng)角；lAB為點(diǎn)A，B間的距離，mm；lAC為點(diǎn)A，C間的距離，mm。

即刀刃剪切點(diǎn)的剪切反力|Fs|為：

(2)

通過多次重復(fù)試驗(yàn)，剪斷套管所需的最大壓力為30 MPa。因此當(dāng)壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，測(cè)量液壓剪A，B，C點(diǎn)間的距離以及傳動(dòng)角θ，將各參數(shù)代入式(2)可得，|Fs|=215 kN。單側(cè)剪切力為215 kN，則雙側(cè)剪切力為430 kN。

2.2 液壓缸缸徑計(jì)算

液壓缸缸徑計(jì)算公式[11]：

(3)

式中，D為切割器油缸內(nèi)徑，mm；F為套管最大剪切力，N；p為液壓缸工作壓力，MPa；η為液壓缸的效率，取η=0.85[12]。

為了節(jié)約成本，強(qiáng)剪力雙刃液壓剪與切割器共用動(dòng)力單元，動(dòng)力單元最大工作壓力為40 MPa，取p=40 MPa。雖然切割器與液壓剪的剪切過程相似，但剪切方式畢竟不同，剪切力會(huì)存在一定的差異，F(xiàn)應(yīng)大于430 kN，取F=500 kN，將各參數(shù)代入式(3)，可得D=136.9 mm，圓整后取D=140 mm。

3 刀座與刀片設(shè)計(jì)

3.1 刀座設(shè)計(jì)

刀座與刀片分開設(shè)計(jì)，通過螺栓緊固。刀座與油缸采用開口銷連接，實(shí)現(xiàn)平面浮動(dòng)自定位，保證套管在定位不準(zhǔn)的情況下對(duì)刀片不造成損傷，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)刀座的快速插拔更換。

套管切割過程中，剪切力很大，活塞桿容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致刀片偏轉(zhuǎn)，因此在刀座上設(shè)有導(dǎo)向桿與機(jī)架導(dǎo)軌板配合，保證刀片在切割過程中始終保持直線運(yùn)動(dòng)[13]，刀座設(shè)計(jì)圖見圖5。

圖5 刀座設(shè)計(jì)圖

3.2 刀片設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)斬?cái)嘈颓懈钇鲃?dòng)刀片與定刀片互頂接觸造成刀刃失效的問題。創(chuàng)新性的將定刀片設(shè)計(jì)為鍘刀型，中間留有下刀間隙。同時(shí)將動(dòng)刀片由平直型改進(jìn)為尖角型。傳統(tǒng)平直型刀片剪切時(shí)，刀片與被剪件整個(gè)寬度同時(shí)接觸，直至被剪件同時(shí)切斷，切斷過程需要很大的剪切力。而尖角型刀片切割時(shí)，刀片尖角先與被剪件接觸，被剪件中部先進(jìn)入剪切狀態(tài)，隨著剪切進(jìn)行，切割區(qū)域逐漸向兩側(cè)移動(dòng),刀片與被剪件的接觸面積遠(yuǎn)小于平直型，因此，剪切力大大減小[14-15]。

刀片尖角角度對(duì)剪切力有很大影響，尖角角度越小，切斷套管所需的剪切力越小，但刀片容易發(fā)生變形和崩刃；尖角角度越大，所需的剪切力越大，因此需要合理設(shè)計(jì)尖角角度。套管切割是一個(gè)邊擠壓邊剪切的過程，很難確定尖角的最佳角度，本研究通過試驗(yàn)進(jìn)行分析比較。制造了60°，100°和120°尖角刀片分別進(jìn)行切割測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。尖角60°時(shí)，剪切力較小，但刀尖出現(xiàn)了崩刃；尖角120°時(shí)，剪切力達(dá)到492 kN，處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，影響整機(jī)的壽命；尖角100°時(shí)，剪切力處于理想狀態(tài)，刀尖未出現(xiàn)崩刃，且變形量非常小可忽略不計(jì)，因此尖角應(yīng)設(shè)計(jì)為100°。

表1 不同尖角時(shí)最大剪切壓力及剪切力測(cè)試結(jié)果

刀片材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，選用X45CrNiMo5工具鋼，經(jīng)過鍛造、退火、調(diào)質(zhì)、淬火等多個(gè)工藝制作而成，熱處理后硬度可達(dá)54-56HRC，遠(yuǎn)大于316L不銹鋼管的硬度。

套管最大外徑d=89 mm，周長(zhǎng)L=πd=280 mm,則套管壓扁后最大寬度為140 mm。刀片寬度設(shè)計(jì)為150 mm。對(duì)套管進(jìn)行試切，試切過程偶爾出現(xiàn)套管一側(cè)未被完全切斷的情況。主要原因是管道其中一個(gè)端面被切斷壓扁后，不能被正確定位。兩側(cè)定位槽的間距為300 mm，套管長(zhǎng)度應(yīng)大于400 mm，保證套管端面距離定位槽50 mm以上。由于在熱室環(huán)境下遙控操作，很難保證套管準(zhǔn)確放置到位，因此對(duì)刀片進(jìn)行優(yōu)化，在寬度不變的情況下將其改進(jìn)為山字形，兩側(cè)設(shè)計(jì)為圓弧結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠很好地的包絡(luò)住套管，山字形刀頭結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 山字形刀頭結(jié)構(gòu)

4 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)本切割器和用于深井內(nèi)相同套管縮容的強(qiáng)剪力雙刃液壓剪進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，采用1.5倍壁厚的套管樣品，要求在50 min內(nèi)將樣品重復(fù)切斷20次。切割器切割時(shí)需要將套管置于定位槽，切割測(cè)試見圖7。液壓剪剪切時(shí)需要將管道一端或兩端固定，管道下端固定后的剪切過程見圖3。在規(guī)定時(shí)間重復(fù)20次后切割器和液壓剪液壓元器件無漏油、刀片無崩刃、刀頭最大變形在0.2 mm以內(nèi)，均滿足使用需求。被切割器切斷的套管截面以及被液壓剪剪斷的套管截面見圖8和圖9。

圖7 切割器對(duì)套管的切割測(cè)試

圖8 被切斷的套管結(jié)構(gòu)

圖9 被液壓剪剪斷的套管截面

從圖9截面可知，套管在半自由狀態(tài)下的剪切會(huì)發(fā)生一定程度的扭曲，若長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)剪力狀態(tài)下工作，刀片間隙將逐漸增大，側(cè)向力增加，造成刀頭失效。若用于熱室環(huán)境，需要配置固定于地面的液壓剪支架和專用夾管機(jī)構(gòu)，刀頭或其他部件損壞后難以遙控更換，而斬?cái)嘈颓懈钇髦恍璺胖糜跓崾业孛妫脵C(jī)械手將管道置于V形槽即可開始切割，刀片損壞后，整機(jī)吊出更換。試驗(yàn)證明：斬?cái)嘈颓懈钇髑懈畈襟E簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，更適合熱室遙操作環(huán)境。

5 結(jié)論

(1) 通過強(qiáng)剪力雙刃液壓剪確定了套管的最大剪切力，節(jié)約了切割器的研制時(shí)間和成本，保證了切割器的切割性能；

(2) 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的動(dòng)刀片、定刀片、刀座及與液壓活塞桿的連接方式，解決了傳統(tǒng)切割器刀片開裂和崩刃的現(xiàn)象，延長(zhǎng)了刀片的使用壽命；

(3) 對(duì)刀片和整機(jī)的性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和使用需求，并與強(qiáng)剪力雙刃液壓剪進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，充分證明切割器更適合熱室環(huán)境。