基于本質(zhì)安全理念的核物料桶旋轉(zhuǎn)投料系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

趙洪海，雷潔珩，李全興，鄧 健

(1.中核二七二鈾業(yè)責(zé)任有限公司，湖南 衡陽 421200;2.南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001;3.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

目前我國正在調(diào)整核電中長期發(fā)展規(guī)劃，統(tǒng)籌發(fā)展全國各地核電建設(shè)。隨著核電勢頭的快速發(fā)展，裝機(jī)容量提升迅速，對核燃料的供給提出了更高的要求[1]。

鈾礦石是制備核燃料的主要原料，從鈾礦石到核燃料的整個(gè)制備流程中，會先后經(jīng)歷鈾純化和鈾轉(zhuǎn)化兩道步驟。鈾純化是指從鈾礦濃縮物到精制UO2的生產(chǎn)過程。鈾轉(zhuǎn)化是指從精制UO2到UF6的生產(chǎn)過程。鈾純化步驟產(chǎn)出的UO2粉末料存儲在特質(zhì)的物料桶中待用。所述物料桶在下端設(shè)有可封閉或打開的出料口，并且容量和體積均設(shè)計(jì)的較小，以便于運(yùn)輸或儲存。待到鈾轉(zhuǎn)化步驟時(shí)，需要將多罐物料桶中的UO2粉末料排入中轉(zhuǎn)料倉中，該操作被稱為UO2投料操作。

目前行業(yè)內(nèi)，UO2投料操作均在三層廠房內(nèi)執(zhí)行。廠房一樓儲放有多罐裝有UO2粉末料的物料桶，廠房二樓安置有依次連通的氫氟化設(shè)備(用于處理UO2)和中轉(zhuǎn)料倉，廠房三樓安置有連通至中轉(zhuǎn)料倉的排料口，排料口用于接收從物料桶中傾倒出來的UO2粉末料。執(zhí)行UO2投料操作時(shí)，需要由人工操縱行車將多罐物料桶從廠房一樓吊運(yùn)至廠房三樓，再將物料桶逐個(gè)與排料口進(jìn)行對接倒料。目前的投料方式存在以下不足：物料桶由人工從廠房一樓吊運(yùn)至廠房三樓，對接倒料完成后，空的物料桶又需要通過人工吊運(yùn)回廠房一樓。上下往返吊運(yùn)的操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工勞動強(qiáng)度大；廠房三樓的料桶對接始終需要由人工操作，負(fù)責(zé)料桶對接以及出料口的打開和關(guān)閉，料桶出料口每次的打開與關(guān)閉都需要人工進(jìn)行操作，操作過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且十分繁瑣；在廠房三樓執(zhí)行對接倒料時(shí)，UO2粉末料容易從物料桶出料口與廠房三樓排料口的接觸面之間泄漏出來，產(chǎn)生揚(yáng)塵，UO2具有放射性，在此環(huán)境下工作的操作人員的身體健康會受到嚴(yán)重?fù)p害；一方面，為避免UO2粉末料擴(kuò)散到廠房外部污染環(huán)境，廠房內(nèi)外通風(fēng)條件較差，另一方面，廠房內(nèi)部的各種大型設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候溫度很高，綜合以上兩個(gè)原因，廠房內(nèi)的溫度會很高。特別是在室外溫度本身就比較高的時(shí)候，廠房三樓的室內(nèi)溫度高達(dá)50～60℃，位于廠房三樓的操作人員工作環(huán)境非常惡劣。

為了解決目前存在的問題，綜合實(shí)際情況，現(xiàn)擬采用電動滾筒運(yùn)輸線的方式進(jìn)行運(yùn)輸。因投料口在進(jìn)行投料作業(yè)的同時(shí)還要進(jìn)行其它作業(yè)，因此需將運(yùn)輸線布置在投料口一側(cè)，料桶在運(yùn)輸至投料口位置時(shí)，由該機(jī)構(gòu)將料桶提升，然后旋轉(zhuǎn)至投料口的位置，再將運(yùn)輸組件下降，讓投料口精準(zhǔn)對位，最后進(jìn)行投料操作[2-3]。通過設(shè)計(jì)與分析，最終達(dá)到保證本質(zhì)安全的目的。

1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理介紹

在危險(xiǎn)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，各種機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行個(gè)性化定制，有利于生產(chǎn)作業(yè)的安全進(jìn)行。在這一背景下，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)料桶旋轉(zhuǎn)投料作業(yè)的系統(tǒng)，可以對運(yùn)輸軌道上的物料桶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)投料操作。在安全性能上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程自動化操作，有利于工作人員的安全。在設(shè)備穩(wěn)定性上，通過精準(zhǔn)的定位組件，升降旋轉(zhuǎn)平臺，運(yùn)輸軌道組件以及支撐模塊保證了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

整套系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)升降裝置，運(yùn)輸軌道組件，支撐機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

升降旋轉(zhuǎn)裝置由升降平臺和平臺上的回轉(zhuǎn)支承組成，升降平臺依靠液壓缸驅(qū)動，帶動整個(gè)運(yùn)輸軌道和支撐機(jī)構(gòu)提升，提升到指定位置后，安裝在升降平臺底部的減速電機(jī)啟動，帶動與其連接的小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的外齒輪始終嚙合，因此回轉(zhuǎn)支承由小齒輪帶動轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)支承與運(yùn)輸軌道底板連接，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸軌道的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到運(yùn)輸軌道上的投料口與地面上的投料口對齊為止。投料口對位準(zhǔn)確以后，支承腿上的電機(jī)開始帶動支撐機(jī)構(gòu)向下移動，直到支撐機(jī)構(gòu)與地面穩(wěn)定接觸。運(yùn)輸軌道上的電動滾筒開始帶動料桶和托盤向投料口方向移動，移動到托盤上的投料口與運(yùn)輸軌道上的投料口、地面上的投料口在豎直方向上對齊，運(yùn)輸軌道上安裝有定位機(jī)構(gòu)，由正反轉(zhuǎn)滑臺帶動擋板阻擋料桶因?yàn)閼T性向前移動，確保投料口精準(zhǔn)對位。其工作流程如圖2所示。

1.2 升降旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

升降旋轉(zhuǎn)裝置由升降平臺、減速電機(jī)、回轉(zhuǎn)支承和上頂板組成，如圖3所示。由于負(fù)載較大，因此選擇采用液壓缸為升降平臺的上下移動提供動力，液壓油缸相較于氣缸，能承受更大的工作壓力，在面對溫度較高的工作環(huán)境時(shí)，正常情況下液壓油缸依然可以穩(wěn)定工作6 000 h而不發(fā)生故障。升降平臺上安裝回轉(zhuǎn)支承，下方安裝帶動回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī)，回轉(zhuǎn)支承上方直接與運(yùn)輸軌道底板相連。升降旋轉(zhuǎn)裝置作為物料桶運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的重要組成裝置，用以實(shí)現(xiàn)料桶的升降以及向投料口方向的旋轉(zhuǎn)。

圖3 升降旋轉(zhuǎn)裝置示意圖

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本規(guī)則及本設(shè)計(jì)具體情況，輸入?yún)?shù)主要有升降行程、旋轉(zhuǎn)角度、設(shè)計(jì)負(fù)載、升降速度、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，輸入?yún)?shù)如表1所列。

表1 升降旋轉(zhuǎn)裝置的初始輸入?yún)?shù)表

裝置的升降過程主要依靠升降平臺下的液壓缸來完成，旋轉(zhuǎn)過程則依靠減速電機(jī)帶動回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)來完成。

1.3 運(yùn)輸軌道組件設(shè)計(jì)

運(yùn)輸軌道組件由運(yùn)輸軌道，側(cè)向立柱以及定位裝置等組成，如圖4所示。運(yùn)輸軌道由兩側(cè)導(dǎo)軌和電動滾筒組成，電動滾筒具有結(jié)構(gòu)簡單、維修成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，因此在運(yùn)輸帶上被廣泛使用[4]，電動滾筒為內(nèi)置電機(jī)式，能在運(yùn)輸過程中對料桶移動提供較強(qiáng)動力。側(cè)向立柱則直接安裝在運(yùn)輸軌道兩側(cè)的導(dǎo)軌上，為橡膠材質(zhì)，能對料桶和托盤起到很好的緩沖及限位作用，立柱支架與導(dǎo)軌螺栓連接。定位裝置由正反轉(zhuǎn)絲杠滑臺和擋板組成，正反轉(zhuǎn)絲杠滑臺安裝在運(yùn)輸軌道下方，絲杠上的兩個(gè)滑臺能同時(shí)相向或相背運(yùn)動，兩個(gè)滑臺上分別固定有兩塊擋板，延伸至軌道上方，當(dāng)滑臺向中間靠攏時(shí)，擋板就可以對料桶起到阻擋作用，以實(shí)現(xiàn)料桶的定位。運(yùn)輸軌道組件主要起到運(yùn)輸料桶的作用，過程中還需要對料桶進(jìn)行定位，側(cè)向立柱能夠有效地防止料桶傾翻，極大地保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。在料桶運(yùn)輸?shù)酵读衔恢脮r(shí)，電動滾筒停止轉(zhuǎn)動，因?yàn)榱贤爸亓枯^大，因此此時(shí)料桶有較大慣性，需要定位裝置阻擋確保其準(zhǔn)確停留在投料口位置，在料桶到達(dá)預(yù)設(shè)位置時(shí)，滑臺啟動，擋板收縮，使得料桶準(zhǔn)確停留在投料口位置進(jìn)行投料[5]。

圖4 運(yùn)輸軌道組件1.運(yùn)輸軌道 2.側(cè)向立柱 3.定位裝置

1.4 支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在升降旋轉(zhuǎn)裝置將整個(gè)運(yùn)輸組件和料桶旋轉(zhuǎn)至投料口位置以后，料桶需要向前移動至投料口才能完成投料操作，料桶到投料口位置時(shí)，整個(gè)裝置相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁機(jī)構(gòu)，投料口一側(cè)的運(yùn)輸軌道將會受到很大的壓力。因此，必須在投料口一側(cè)的軌道下方布置支撐機(jī)構(gòu)，料桶在移動過程中，由升降旋轉(zhuǎn)裝置和支撐機(jī)構(gòu)共同支撐，如圖5所示。

支撐機(jī)構(gòu)的連接板與運(yùn)輸軌道底部連接，依靠移動裝置上的電機(jī)帶動絲杠上固定的支撐腿使得支撐腿上下移動，支撐腿底部安裝有腳杯，接觸到地面時(shí)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖5 支撐機(jī)構(gòu)示意圖1.連接板 2.移動裝置 3.支撐腿 4.腳杯

2 核心零部件強(qiáng)度校核

2.1 理論計(jì)算

設(shè)計(jì)的過程中，關(guān)鍵需要考慮旋轉(zhuǎn)底盤下的回轉(zhuǎn)支承載荷分布，這也是設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本設(shè)計(jì)中選擇單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承[6]，以圖6中的裝置簡化模型對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行載荷計(jì)算。簡化模型中各參數(shù)如表2所列。

圖6 裝置簡化模型

回轉(zhuǎn)支承在工作時(shí)所受的力包括：總軸向力Fa(kN)，力矩作用平面上的總徑向力Fr(kN)，總傾翻力矩M(kN·m)。由平衡方程[7]：

∑Fy=0

Fa=G1+G2+G3

(1)

式中：Fa為軸向載荷，kN；G1為料桶組件重量，kN；G2為軌道組件重量，kN；G3為支撐機(jī)構(gòu)重量，kN。

將表2中數(shù)據(jù)帶入公式(1)，可得：

Fa=9 kN

由力矩平衡方程得：∑M=0，即:

M=M1-M2

(2)

式中：M為總傾翻力矩；M1為回轉(zhuǎn)支承右側(cè)力矩；M2為回轉(zhuǎn)支承左側(cè)力矩。

將表2數(shù)據(jù)代入公式(2)，可得：

結(jié)合實(shí)際情況，徑向力Fr可忽略不計(jì)，因此Fr=0；根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合回轉(zhuǎn)支承國標(biāo)JB/T 2300-1999以及實(shí)際情況選定011.20.200回轉(zhuǎn)支承，其參數(shù)如表3所列。

表3 011.20.200回轉(zhuǎn)支承參數(shù)

需要對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行強(qiáng)度校核，由上述計(jì)算過程，可得知：

Fa=9 kN，F(xiàn)r=0，M=1.09 kN·m

對于該類型回轉(zhuǎn)支承，當(dāng)量負(fù)載Cd：

(3)

式中：Fa為軸向載荷，kN；Fr為徑向載荷，kN；M為總傾覆力矩，kN·m；D0為滾道直徑，mm。

將已得結(jié)果代入式(3)，可得：

Cd=36.25 kN

011.20.200回轉(zhuǎn)支承負(fù)荷能力Cd0：

Cd0=f0d02zsinα

式中：f0為回轉(zhuǎn)支承靜容量系數(shù)，N·mm-2，由表3可知，表面硬度為58HRC，查表得f0=41；d0為滾球直徑，mm；z滾動體總數(shù)；α為接觸角，(°)。

由表3參數(shù)，可計(jì)算得出Cd0=406 kN，一般回轉(zhuǎn)支承得安全系數(shù)取1.1～1.4，本設(shè)計(jì)中安全系數(shù)：

由校核結(jié)果可知，選用的回轉(zhuǎn)支承滿足此工況[8]。

2.2 仿真分析

采用ANSYS Workbench對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，回轉(zhuǎn)支承材料默認(rèn)為50Mn碳素鋼，密度為7 850 kg/m3,抗拉屈服強(qiáng)度為2.5×108Pa。建模以后對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為6 mm，將Mesh中的Smothing設(shè)置為Medium,使網(wǎng)格過渡更平穩(wěn)同時(shí)不影響計(jì)算速度，最終劃分出來的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為155 457，單元數(shù)為80 864，網(wǎng)格劃分符合需求。網(wǎng)格劃分如圖7所示[9]。

對受力平面進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖8所示，區(qū)域1施加7 000 N均布載荷，再在區(qū)域2共同施加2 000 N均布載荷，對回轉(zhuǎn)支承下方添加固定約束，分析結(jié)果如圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果可得，最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)支承上平面邊緣，如圖9(a)所示，最大應(yīng)力為78 MPa；最大變形出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)支承下平面邊緣，如圖9(b)所示，最大變形量為0.003 mm。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，該型號回轉(zhuǎn)支承抗拉強(qiáng)度為800 MPa，大于78 MPa，由仿真結(jié)果可得，其安全系數(shù)為10.3，故滿足強(qiáng)度要求。

圖7 網(wǎng)格劃分圖8 受力平面劃分

圖9 結(jié)果分析

3 結(jié) 論

綜上所述，以核物料的運(yùn)輸作為切入點(diǎn)，基于本質(zhì)安全理念，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)了一套核物料桶自動化運(yùn)輸系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)投料系統(tǒng)，提升了核物料運(yùn)輸過程中的安全性和可靠性，確保了該系統(tǒng)的本質(zhì)安全,得出如下結(jié)論。

(1)對旋轉(zhuǎn)投料系統(tǒng)中的升降旋轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)輸軌道組件及支撐機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)核物料桶的自動化旋轉(zhuǎn)投料。

(2)對核物料旋轉(zhuǎn)投料系統(tǒng)中的核心零部件回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行了理論校核，計(jì)算得出其當(dāng)量負(fù)載為36.25 kN，安全系數(shù)為11.2，滿足強(qiáng)度要求。

(3)對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行了有限元仿真分析，得出其最大應(yīng)力為78 MPa，安全系數(shù)為10.3，滿足強(qiáng)度要求。