M310 机组国产化装卸料机抓具优化

关键字：装卸料机；抓具。

1 概述

1.1 背景

装卸料机作为反应堆停堆换料的关键设备之一，包括机械、电气和控制系统等组成。它整体结构配备一台运行小车、桥架大车、主提升机构、固定套筒和一个带抓具的伸缩套筒，分别执行X、Y、Z 三个坐标轴线方向的运动，以完成装卸、倒换和转运燃料组件的任务。方家山核电项目的装卸料机，是中核集团首批国产化的百万机组装卸料机，由中国核电工程有限公司自主设计、制造、供货。由于当时工程项目工期的限制，生产厂家在缺乏装卸料机制造和调试经验的情况下，完成首台装卸料机样机制造，并通过专家评审。

1.2 抓具故障现象

装卸料机抓具作为执行燃料组件最终抓取、释放动作的部件，主要通过气缸、连接管和控制套筒连接。抓具通过法兰安装在伸缩套筒底部，它由伸缩套筒顶部的气缸上下动作，用来改变抓具控制套筒的位置，最终达到控制抓钩与燃料组件上管座端板的内缘啮合抓取燃料组件。

截至方家山机组大修期间，装卸料机因抓具故障出现 4 次不同位置故障，造成的主线时间延误累积约 120 小时，平均一个机组单次大修经济损失超 300 万。

1.3 共性问题

上述装卸料机抓具故障的出现，不仅造成大修主线状态的停滞甚至需要机组退状态维修，而且对核燃料组件的安全产生影响。通过资料收集和现场检查，发现在方家山机组装卸料机抓具出现的故障，在中核集团其他核电的同类型装卸料机上，也同样存在类似故障。

因此装卸料机抓具故障不仅仅是单设备的安全问题，更是一个困扰同类型装卸料机的共性问题。

1. 抓具故障原因分析

2.1 抓具故障

抓具通过法兰连接在伸缩套筒底部，它是由气动系统驱动抓爪与燃料组件上管座端板的内缘啮合抓取燃料组件。控制杆装置保证伸缩套筒顶部气缸和底部抓具之间的连接。控制杆装置包括一个连接管，用来传送推拉力使抓具“ 啮合” 和“ 脱扣” ；螺杆和螺母结构用来联锁状态解除后的应急解锁功能用。

2.2.1 抓具联锁板与联锁滚柱咬死原因分析

抓具通过装配在缸体和夹紧套筒上的两块联锁板及联锁滚柱配合动作实现机械自锁功能。要确保联锁滚柱在两块联锁板之间的有效滚动，两块联锁板之间的有效间隙至关重要，这个间隙与抓具四周方向上均布的三组共六个导向轮有直接关系，导向轮安装在抓具最外层的夹紧套筒上，用以保证夹紧套筒与中间缸体具有良好的同轴度和径向间隙。

2.2.2 抓具滑动套筒与控制套筒咬死

抓具滑动套筒与控制套筒咬死故障发生在应急手动操作抓具释放燃料组件的过程中，导致应急手动操作释放功能失效。

抓具正常啮合和脱扣操作燃料组件时，滑动套筒和控制套筒作为一个整体部件，实现抓爪的啮合和脱扣动作。此时抓具滑动套筒与控制套筒保持稳定结构，同步动作，只有当需要手动应急操作释放燃料组件时，通过抓具应急脱开螺杆转动，驱动滑动套筒进行向上的直线运动，实现抓爪的脱扣动作。

滑动套筒和控制套筒配合处尺寸设计最小间隙仅为 0.1mm ，因此如果加工精度稍有偏差，容易导致硬磨，不锈钢材质本身耐磨性较差，进而导致咬死故障。因此滑动套筒和控制套筒配合间隙过小是此处发生卡涩的主要原因。

2.2.3 抓具应急脱开螺杆与控制套筒机械咬死原因分析

在使用抓具应急脱开操作时，通过伸缩套筒上部的应急手动解锁杆进行旋转运动驱动应急脱开螺杆旋转，转化为控制套筒在滑动套筒内的直线运动，因此机构中存在多处相对运动，且材料为同种304L 不锈钢间相互磨蹭产生拉伤、划痕阻力，严重时导致零部件表面被破坏，发生咬死故障。

抓具结构发生故障原因有以下二点：

1、抓具三层套筒结构，运动副配合过多，轴孔配合设计精度过高，现场反复运行及使用冲击过程中易造成运动副多出咬死；

2、相互运动摩擦部件采用同种材料，在设备多次运行后造成材料间的相互挤压、拉毛、卡涩，最终造成抓具功能失效。

2. 新抓取机构设计及分析

针对原抓取机构设计弊端，设计采用一种简化且可靠的抓取机构，整体外形尺寸和结构保留原设计结构：伸缩套筒和抓具，其中新伸缩套筒结构由悬吊头、气缸、内筒体和外筒体组成。

3.1 新抓具可靠性分析

抓具由控制套筒、铜套、上部法兰、立柱焊接结构体、导向销、定位销、U 型块、楔块和抓钩组成。上部法兰和立柱焊接结构体是主要承载零部件。正常工况下，抓具与伸缩套筒作为整体下降至燃料组件上方，通过重力压缩立柱结构体与上部法兰之间的弹簧，实现解锁功能，动作气缸驱动控制套筒上下运动完成抓钩的脱扣和啮合操作。

新抓具减少运动副配合是结构优化的关键，通过控制套筒之间实现气缸下活塞杆驱动抓钩动作的功能，将原设计自锁功能转移至抓钩位置，减少机构间运动副的同时保留原有功能。

新抓具设计、制造、加工、装配、调试完成后，在厂家试验平台上进行3500 次抓取机构模拟操作动作试验，抓取模拟燃料组件抓取和释放，并未出现气缸、抓具等功能失效情况，实际验证了新结构的可靠性。

3. 可靠性改造现场实施

方家山机组装卸料机抓具可靠性提升的现场实施工作在方家山 106、206 大修低低水位装卸料机变更改造期间实施。本小节仅对现场实施过程中功能试验进行阐述。

4.1 抓具功能试验

安装完成后的抓具需要完成以下试验并符合装卸料机试验验收大纲要求，满足抓抓具功能要求。

1、抓具对中精度试验：把伸缩套筒降至模拟反应堆下部位置，将带针的试验工装固定在抓具上，使针尖和抓具同心，下方敷设白纸，操作伸缩套筒下降直至针尖轻轻触碰白纸，并在白纸上留下一个小孔。操作伸缩套筒上升在下降重复操作四次，所有形成四个小孔要求在 1mm^× 1mm 的正方形内。

2、抓具回转精度试验：把伸缩套筒降至模拟反应堆下部位置，将带针的试验工装固定在抓具上，使针尖和抓具同心，下方敷设白纸，操作伸缩套筒下降直至针尖轻轻触碰白纸，并在白纸上留下一个小孔。操作伸缩套筒上升并旋转固定套筒至 90^∘ 位置，下降伸缩套筒至白纸上留下第二个小孔。重复操作旋转固定套筒至 180^∘ 、 270^∘ 位置，所有形成四个小孔要求在 2mm×2mm 的正方形内。

3、抓具啮合状态下抓钩抓取面水平度试验：将抓具置于啮合状态，下方设置一水平基准面，利用高度尺对四个抓钩的抓取面进行不在同一回转半径上的三个点，记录数据并要求误差在 0.15mm 内。

4.总结

方家山机组国产化装卸料机作为国内首台自主设计、制造、调试的自动化装卸核燃料设备，虽然设计存在着一定缺陷，但经过多年维修经验积累和设备设计改进，已逐步提高了整机运行的稳定和可靠性。本文通过对装卸料机抓具历次大修出现的故障进行分析，找出问题的关键原因，并对改进后新抓具进行对比分析。通过有效减少运动副配合设计、轴孔配合间增加铜套以及厂家3500 次动作试验作为数据支撑，后在方家山1 号机组成功投用，为装卸料机的安全运行打下坚实的基础。

参考文献

[1]于惠力，轴系零部件设计实例精解，北京：机械工业出版社，2009

[2]吴宗泽，机械设计，北京：高等教育出版社，2001

[3]NB/T 20287—2014，压水堆核电厂装卸料机设计制造规范