UO2 芯塊磨削新型上料裝置的研制

祁 峰 周紅林

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

0 引言

在UO2芯塊的制造過程中，燒結(jié)出舟進(jìn)入磨削舟庫，舟庫自動(dòng)要料，通過翻轉(zhuǎn)倒料、振動(dòng)給料進(jìn)入磨床完成芯塊磨削，再經(jīng)過在線清洗烘干、激光檢測(cè)、自動(dòng)剔除完成產(chǎn)品清洗與自檢過程。 上料過程中燒結(jié)塊存在大量碎塊，碎塊進(jìn)入磨床后，將會(huì)堵塞芯塊傳輸通道，需要頻繁將設(shè)備停機(jī)進(jìn)行處理，尤其是清洗架的拆卸和清理，降低磨削效率，甚至損壞設(shè)備，進(jìn)而影響芯塊的直徑控制，并易造成未磨削、過磨、大小頭、粗糙度等芯塊磨削缺陷的出現(xiàn)。 此外，處理過程中操作人員長(zhǎng)時(shí)間的開放式作業(yè)，嚴(yán)重影響操作人員的輻射防護(hù)安全[1]。 因此，燒結(jié)芯塊碎塊的提前剔除對(duì)磨削線的穩(wěn)定運(yùn)行和提高產(chǎn)品質(zhì)量具十分重要的意義[2]。

針對(duì)上述問題， 對(duì)原有翻轉(zhuǎn)倒料機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)要料方式，保證燒結(jié)芯塊中的碎塊爛屑最大程度不進(jìn)入磨床，減少磨削過程中的卡堵現(xiàn)象，提高磨削線的穩(wěn)定性和生產(chǎn)能力。

磨削崗位UO2芯塊翻轉(zhuǎn)倒料過程如圖1 所示。

圖1 UO2 芯塊翻轉(zhuǎn)倒料流程圖

1 原上料裝置存在的不足

在UO2芯塊磨削工位，碎塊產(chǎn)生的過程主要存在于翻轉(zhuǎn)倒料、振動(dòng)給料進(jìn)入磨床階段，其中磨削上料方式是碎塊產(chǎn)生的關(guān)鍵所在[3]。

原芯塊上料裝置，采用輥道移載、頂升、抓舉、氣缸橫移、 翻轉(zhuǎn)倒料的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行芯塊鉬舟翻轉(zhuǎn)倒料，如圖2 所示。

該裝置存在以下缺陷：

（1）在輥道傳輸鉬舟的過程中，由于震動(dòng)較大，卡舟、撞擊等會(huì)造成碎塊的產(chǎn)生。

圖2 原有上料裝置整體圖

（2）翻轉(zhuǎn)倒料高度較高（0.5 m），接料器采用45°斜坡，燒結(jié)塊從斜坡滑到料倉內(nèi)，整個(gè)過程發(fā)生燒結(jié)塊倒落接料器上和接料器上的燒結(jié)塊在重力因素作用下滑至料倉內(nèi)兩次碰撞，造成燒結(jié)塊損壞，產(chǎn)生較多碎塊[4]。

2 上料裝置的改進(jìn)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐現(xiàn)狀，確定UO2芯塊磨削新型上料裝置包括鉬舟轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、篩選機(jī)構(gòu)三部分。

2.1 鉬舟轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)主要作用是將鉬舟平穩(wěn)輸送至指定位，通過PLC 控制鉬舟的前進(jìn)后退動(dòng)作，與公司MES系統(tǒng)和物料自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)交互，實(shí)現(xiàn)芯塊批次和鉬舟信息的交互功能， 保障芯塊信息自動(dòng)識(shí)別、 跟蹤、處理。 同時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)過程中能最大限度避免抖動(dòng)、卡滯、翻舟等故障發(fā)生，以免造成燒結(jié)芯塊破損。 考慮到輥道輸送長(zhǎng)時(shí)間擠壓滾筒會(huì)造成內(nèi)部軸承失效，在輥道輸送過程中經(jīng)常發(fā)生卡舟，影響鉬舟的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 本次設(shè)計(jì)了功能類似卻不存在卡舟現(xiàn)象的鏈條線，其作用是將鉬舟平穩(wěn)輸送指定位置，詳見圖3。

圖3 現(xiàn)有新型上料裝置整體圖

鏈條線鉬舟轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速箱、變頻器控制鏈條的移動(dòng)與否、移動(dòng)速度與移動(dòng)方向。 當(dāng)傳感器檢測(cè)到鉬舟進(jìn)入時(shí)，伺服電機(jī)工作，將鉬舟運(yùn)送到鏈條線尾部。 此時(shí)翻轉(zhuǎn)倒料裝置待命作業(yè)，完成翻轉(zhuǎn)倒料動(dòng)作后，伺服電機(jī)再次工作，將空鉬舟從鏈條線尾部反向運(yùn)送出鏈條線。 同時(shí)，各承力矩管全部使用專用鋁型材矩管，材質(zhì)優(yōu)良，結(jié)構(gòu)良好，方便維修拆裝，并且高度和鏈條張緊具有可調(diào)性，見圖4。

圖4 鏈條線鉬舟轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)

2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

原先翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行料舟翻轉(zhuǎn)時(shí)，其機(jī)械手抓取料舟運(yùn)輸至料倉上方，翻轉(zhuǎn)180°倒入接料器上，接料器是約為45°的斜坡，燒結(jié)芯塊從斜坡滑到料倉內(nèi)，整個(gè)過程有兩次碰撞，總高度約為0.5 m，由于翻轉(zhuǎn)倒料存在一定高度，會(huì)對(duì)燒結(jié)芯塊造成一定的損壞，此種方式對(duì)燒結(jié)芯塊的強(qiáng)度有著極高要求，如果芯塊強(qiáng)度不夠，兩次碰撞會(huì)造成燒結(jié)芯塊的“掉邊掉角”，產(chǎn)生更多的碎塊。

新設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)直接由PLC 控制，采用“扳手腕”方式，將料舟抱緊后，取消上升過程，直接發(fā)生翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，動(dòng)作由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，能實(shí)現(xiàn)以不同角度頻繁正反翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度能超過130°，可以應(yīng)付不同高度尺寸的鉬舟（100 mm 和110 mm），考慮到翻轉(zhuǎn)過程中燒結(jié)芯塊可能會(huì)濺落直線送料器之外，在鉬舟正上方擋片處增加塑料墊，平行置于鉬舟，起到防濺、降速、保護(hù)燒結(jié)芯塊的目的。 整個(gè)翻轉(zhuǎn)倒料過程實(shí)現(xiàn)“零間隙”接觸，有效杜絕細(xì)小碎屑誤入縫隙而將鉬舟卡死的故障，如圖5 所示。

2.3 篩選機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

篩選機(jī)構(gòu)即直線送料器，通過在直線振動(dòng)送料段設(shè)計(jì)過濾篩板，采用格柵結(jié)構(gòu)，格柵單元間間隔根據(jù)燒結(jié)芯塊外形尺寸確定，完整燒結(jié)芯塊通過格柵單元時(shí)能正常送入圓盤振動(dòng)器，尺寸小于格柵單元間隙的燒結(jié)芯塊碎塊掉入廢品收集容器，實(shí)現(xiàn)篩選功能。 其不但起到物料儲(chǔ)存和震動(dòng)上料作用，同時(shí)也是燒結(jié)芯塊碎塊篩選的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

圖5 新型翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

碎塊產(chǎn)生量除了與倒料高度有關(guān)外，還與碎塊的剔除效果有關(guān)。 較小的碎塊將從縫隙剔除，但是較大不規(guī)則的碎塊則卡在縫隙處，見圖6a，如果剔除效率低，碎塊會(huì)混在后續(xù)芯塊中。 在生產(chǎn)實(shí)際中，有效剔除區(qū)域狹小，碎塊并不會(huì)完全經(jīng)過縫隙處，當(dāng)下料速度過快時(shí)，會(huì)存在部分碎塊隨著物料一起進(jìn)入振動(dòng)給料器。 此時(shí)，為避免碎塊進(jìn)入磨床，需作業(yè)人員挑出碎塊，存在一定的漏撿風(fēng)險(xiǎn)。

新設(shè)計(jì)篩選機(jī)構(gòu)主要包括暫存燒結(jié)芯塊和燒結(jié)芯塊碎塊篩選兩種功能。 篩選機(jī)構(gòu)上層采用格柵結(jié)構(gòu)的過濾板，格柵采用圓鋼加工，由高頻振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加大了剔除區(qū)域的面積，結(jié)合圓盤振動(dòng)器（即圓盤機(jī)）的實(shí)際大小，將其設(shè)計(jì)為560 mm×500 mm（長(zhǎng)×寬），能過濾絕大部分碎屑。碎塊碎屑掉入下方的廢料桶中，廢料桶下方裝有稱重裝置， 當(dāng)廢料桶重量達(dá)到定值后，報(bào)警提示作業(yè)人員更換。 剩下的完整燒結(jié)芯塊將會(huì)通過振動(dòng)上料機(jī)的前后震動(dòng)方式， 輸送至圓盤振動(dòng)器（即圓盤機(jī)）內(nèi)，再通過螺旋振動(dòng)方式傳輸至皮帶，前往磨床， 如圖6b 所示。 四角的振動(dòng)立柱高度可以調(diào)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)振動(dòng)斜度可調(diào)的要求，過濾板采用低摩擦耐磨的硬質(zhì)材料，減少卡料、磨損的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 新型碎塊篩選機(jī)構(gòu)

2.4 工控系統(tǒng)的改進(jìn)

經(jīng)改進(jìn)后的上料裝置動(dòng)作邏輯關(guān)系，如表1 所示。

表1 上料裝置動(dòng)作邏輯關(guān)系

新型上料裝置采用了兩套CCD 圖像采集裝置。分別位于振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)和送料器上方，采集送料裝置上的芯塊數(shù)量， 配合工控系統(tǒng)的軟硬件改進(jìn)要料方式，優(yōu)化燒結(jié)芯塊儲(chǔ)存、輸送及碎塊爛屑的篩選，保證燒結(jié)芯塊中的碎塊爛屑最大限度不進(jìn)入磨床。

采用了主流的工控系統(tǒng)，其配置如下：

（1）PLC：PLC 采用原來系統(tǒng)的控制器， 并將現(xiàn)有的I/O 系統(tǒng)接入原來的控制系統(tǒng)；

（2）變頻器：選用西門子的G120C 系列變頻器，具有良好的性能， 并能輕松接入現(xiàn)有的西門子PLC系統(tǒng)；

（3）伺服驅(qū)動(dòng)器：選用西門子的V90 系列伺服驅(qū)動(dòng)器，西門子PLC 通過PROFINET 通信控制驅(qū)動(dòng)器；

（4）觸摸屏：現(xiàn)場(chǎng)控制操作屏西門子TP 1500 觸摸屏；

（5）軟件配置：自行設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，并與原來控制系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)兼容。

3 新裝置運(yùn)行效果

新研究的上料方式鏈條線結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)料舟輸送的平穩(wěn)性， 翻轉(zhuǎn)倒料裝置與振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的有效連接，能有效減少倒料高度對(duì)芯塊造成的影響；改進(jìn)了振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)與燒結(jié)塊線性接觸方式， 擴(kuò)大了碎塊篩選區(qū)域， 剔除區(qū)尺寸由100 mm×150 mm 擴(kuò)大為560 mm×500 mm（長(zhǎng)×寬），可以達(dá)到燒結(jié)塊的高效輸送效果； 新研究的上料方式能實(shí)現(xiàn)碎塊的自動(dòng)收集和轉(zhuǎn)運(yùn)，優(yōu)化了操作系統(tǒng)性能，讓后期維護(hù)和清潔工作更加方便快捷；故障檢修時(shí)間大為減少，裝置因故障停機(jī)由改進(jìn)前18 次/日減少為改進(jìn)后3 次/日，提高了設(shè)備的可靠性。

4 結(jié)語

經(jīng)對(duì)芯塊上料裝置鉬舟轉(zhuǎn)運(yùn)和翻轉(zhuǎn)倒料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)， 能有效減少燒結(jié)塊在磨削上料過程中的破損，實(shí)現(xiàn)更加高效的篩選和傳輸功能，滿足公司輻射防護(hù)要求情況下，能降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的要求。