劉建文

(上海核工程研究設計院， 上海 200235)

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CAP1000項目裝卸料機主起升機構(gòu)的設計

劉建文

(上海核工程研究設計院， 上海 200235)

摘要：通過對AP1000裝卸料機主起升機構(gòu)設計的消化、吸收和分析，對CAP1000項目裝卸料機的主起升機構(gòu)進行了創(chuàng)新設計，在維護便捷性、經(jīng)濟性等方面進行了改進，并實現(xiàn)了裝卸料機的國產(chǎn)化。

關鍵詞：CAP1000項目； 裝卸料機； 主起升機構(gòu)

裝卸料機是核電站反應堆廠房內(nèi)的主要設備之一，其主要功能是實現(xiàn)堆芯內(nèi)燃料組件的裝載和卸出。裝卸料機主要由橋架、小車、主起升機構(gòu)、內(nèi)套筒、外套筒、抓取機構(gòu)、輔起升機構(gòu)等部件組成。

裝卸料機的操作對象是堆芯區(qū)域內(nèi)、反應堆廠房傾翻機燃料籃及堆內(nèi)暫存格架內(nèi)的燃料組件。由于操作對象的重要性和特殊性，從堆芯中卸出的乏燃料組件具有很強的放射性，這就給操作燃料組件的起升機構(gòu)提出了較高的要求，在保證功能的前提下，需要有足夠的安全性及可靠性。

AP1000的裝卸料機是由美國的PaR公司設計并制造的。筆者介紹和研究對象為裝卸料機的起升機構(gòu)，針對PaR公司設計的裝卸料機的起升機構(gòu)，從其設計布置、原理、特點等方面進行分析，在此基礎上介紹CAP1000項目裝卸料機起升機構(gòu)的改進設計[1-2]。

1AP1000裝卸料機的起升機構(gòu)

1.1 AP1000裝卸料機主起升機構(gòu)設計

AP1000裝卸料機的主起升機構(gòu)直接采用了外購件——成品電動葫蘆作為主起升機構(gòu)。

該電動葫蘆為特殊定制而成，采用同軸布置形式，由電動機、減速器、制動器、鋼絲繩卷筒等部件同心裝配而成，其中電動機為伺服電動機，同軸式布置更為緊湊。

1.2 CAP1000國產(chǎn)化主起升機構(gòu)設計改進的必要性

插有最大重量內(nèi)插件的燃料組件質(zhì)量約為880 kg，裝卸料機內(nèi)套筒與抓具的質(zhì)量約為510 kg，起升機構(gòu)的起重量設計約為1 400 kg，采用電動葫蘆作為主起升機構(gòu)，在功能上是滿足要求的，并且由于葫蘆本身結(jié)構(gòu)的緊湊小巧，因此簡化了起升機構(gòu)平臺的布置和設計，同時對于同為美國企業(yè)的AP1000裝卸料機設計、制造廠家PaR公司，采用葫蘆作為主起升機構(gòu)，也簡化了其設計、裝配、采購及維護等工作。

在我國自主建設的CAP1000核電廠中，采用美方電動葫蘆形式的主起升機構(gòu)，雖然也是可行的，但存在以下問題：

(1) 定制要求特殊。由于裝卸料機的操作對象為燃料組件，起升機構(gòu)的安全性就顯得尤為重要，因此往往采用保守設計，需要設置一些特殊的機構(gòu)，如雙卷繞鋼絲繩系統(tǒng)、冗余的制動器設置、失電手搖機構(gòu)、載荷保護裝置等，一般的電動葫蘆外購件并不能滿足這樣的要求，AP1000裝卸料機選擇特殊定制，增加了上述諸多特別功能和機構(gòu)后，整個葫蘆的要求就大大提高了，目前市場上這類產(chǎn)品并不多。

(2) 采購、選型困難。在我國設計、建造和運行的CAP1000項目核電廠，將完全由中方自主建造，在設計時就需要充分考慮到外購件在本土選型、采購的便捷性和可實施性，這也是以后業(yè)主所關心的問題。AP1000所選的特殊定制電動葫蘆為進口產(chǎn)品，在中國并沒有生產(chǎn)線和工廠，這給選型、采購和供貨等都帶來了諸多不便。

(3) 維護不便。采用葫蘆形式的起升機構(gòu)，雖然裝配得比較緊湊，體積方面具有一定優(yōu)勢，但是其結(jié)構(gòu)復雜性卻大大提高了，設備可維修性較差，給日后的維護帶來了諸多不便。

(4) 經(jīng)濟性不佳。與普通起升機構(gòu)的設計相比，特殊定制的電動葫蘆，在經(jīng)濟性上是處于劣勢的，價格上相差幾倍至數(shù)十倍之多。

綜上所述，雖然電動葫蘆形式的起升機構(gòu)有著緊湊、小巧等特點，但是采用該設計方案也有諸多問題，尤其是在國產(chǎn)化的CAP1000項目中，考慮到供應商、采購、日常維護等方面的因素，不利于設備國產(chǎn)化[3-5]。

低蛋白日糧飼料的倡導或?qū)⒂行p少豆粕等蛋白飼料原料用量。新標準全面推行后，理論上有望使得養(yǎng)殖業(yè)豆粕年消耗量降低約1100萬噸，帶動減少大豆需求約1400萬噸。

2CAP1000項目裝卸料機起升機構(gòu)的設計

2.1 主起升機構(gòu)的設計方案

在消化、吸收AP1000的裝卸料機主起升機構(gòu)的基礎上，通過研究和理解其主要原理和功能，對CAP1000項目裝卸料機的主起升機構(gòu)進行了多處改進，甚至全新設計，具體如下：

(1) 結(jié)合以往的設計經(jīng)驗，通過反復論證，CAP1000項目的裝卸料機主起升機構(gòu)采用分布式布置。

(2) 鋼絲繩系統(tǒng)的倍率為2，在內(nèi)套筒上端增加一組動滑輪，這樣可以將平衡梁裝置設計安裝到起升機構(gòu)平臺上。

(3) 在(2)的基礎上，增加平衡梁檢測機構(gòu)。

(4) 重新設計起升機構(gòu)的稱重模塊，并利用平衡梁機構(gòu)進行組合裝配，實現(xiàn)對鋼絲繩系統(tǒng)超重、失重的檢測保護。

(5) 重新設計起升機構(gòu)的管線布置。

AP1000及CAP1000項目裝卸料機的主起升機構(gòu)的主要設計參數(shù)見表1。

表1　主起升機構(gòu)主要設計參數(shù)的比較

2.2 分布式布置

起升機構(gòu)的分布式布置是指電動機、減速器、制動器、鋼絲繩卷筒等部件之間采用獨立式、外置式的連接裝配方式，而不像AP1000設計中電動葫蘆的形式。設計時需要對每一個外購件進行設計選型，并考慮相互之間的裝配關系。分布式的布置形式在外形體積方面不如電動葫蘆方式緊湊，但在維護便捷性、經(jīng)濟性等方面具有明顯優(yōu)勢。每個外購件都相對獨立，可以單獨維護，采購更換等都比較方便。

圖1為主起升機構(gòu)的分布式裝配布置方案效果。通過對外購件供應商的調(diào)研，確保國內(nèi)采購的便捷及供貨的通暢。

該方案選用了傘齒式減速機，與卷筒軸之間采用套軸式安裝，并直角布置，通過防扭臂與起升平臺連接固定。電動機、制動器與減速器之間采用法蘭連接，直接掛在減速器箱體上，不占用起升機構(gòu)平臺的地面空間并且更加緊湊。電動機尾部帶出軸，供手搖輪插入連接，在失電或故障模式下，可采用手搖機構(gòu)對起升機構(gòu)進行操作。起升機構(gòu)采用雙卷繞系統(tǒng)，兩套獨立的鋼絲繩繞過內(nèi)套筒端部的動滑輪組與布置在鋼絲繩卷筒對面的平衡梁模塊連接。

事實上，通過以上合理選型及布置，分布式起升機構(gòu)在外形體積方面完全可以滿足空間布置的要求，使CAP1000項目的設計達到與AP1000相當?shù)木o湊程度，不影響整個起升機構(gòu)平臺的旋轉(zhuǎn)和布置。

2.3 動滑輪組

CAP1000項目的卷繞系統(tǒng)的倍率設計為2，因此在內(nèi)套筒上端增設了動滑輪組(見圖2)，每一個動滑輪對應一根鋼絲繩，這樣的設計使得平衡梁機構(gòu)能夠布置到起升機構(gòu)平臺上，并且方便平衡梁檢測系統(tǒng)的布置。

2.4 平衡梁及稱重模塊

CAP1000項目的設計中，平衡梁采用杠桿式機構(gòu)，與稱重傳感器組合裝配，實現(xiàn)對鋼絲繩拉力的監(jiān)測，當所提示的載荷質(zhì)量超重或失重時，可以立即停止起升的動作以做保護。稱重傳感器選用的是壓式傳感器，在安全性上比拉式傳感器好，因為采用這種形式的稱重模塊，稱重傳感器不串聯(lián)入鋼絲繩承力鏈，就算壓潰失效，鋼絲繩承力鏈仍然保持完好。

平衡梁傾斜的檢測由一對限位開關實現(xiàn)，見圖3。

當某根鋼絲繩伸長過度或者發(fā)生斷裂時，對應一端的平衡梁將翹起，對面一端的平衡梁將下沉，下沉端通過緩沖橡膠墊支承，使平衡梁形成新的支點不至于過度翻轉(zhuǎn)；而翹起的一端將撥動行程開關的觸發(fā)桿，使限位開關發(fā)生動作并報警。

3設計驗證及成果

3.1 設計評估

在完成了國產(chǎn)化的自主設計后，對分布式的結(jié)構(gòu)和相關特性進行了評估和比較，見表2。

表2　AP1000和CAP1000裝卸料機起升機構(gòu)的設計比較

在裝卸料機的整機設計過程中，所有設計建模、裝配工作采用了Autodesk公司的三維設計軟件Inventor進行，在該平臺上進行直觀地驗證，確保機構(gòu)裝配的合理性及不發(fā)生干涉現(xiàn)象。圖4為在Inventor平臺內(nèi)CAP1000項目裝卸料機的總裝效果。

3.2 試驗樣機及成果

對國產(chǎn)化的起升機構(gòu)進行了樣機的研制，并完成了靜載試驗、動載試驗、故障模式檢測等各項性能測試，結(jié)果完全滿足設計的要求。圖5為樣機的試驗臺架。

通過裝卸料機全新主起升機構(gòu)的設計研發(fā)，申請并授權了三項專利，見表3。

表3　申請并授權的專利

4結(jié)語

通過對AP1000裝卸料機的消化、吸收，分析了主起升機構(gòu)的利弊，對關鍵技術進行了國產(chǎn)化創(chuàng)新設計，采用分布式機構(gòu)替代了AP1000的特殊定制電動葫蘆結(jié)構(gòu)，具有國內(nèi)可采購、經(jīng)濟性好、易于維修等優(yōu)點；并且通過樣機的試制，完成了各項功能試驗，完全滿足設計要求。通過自主設計，形成3項專利，確保了關鍵技術的掌握及設備的國產(chǎn)化。

參考文獻：

[1] 林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

[2] 孫漢虹. 第三代核電技術AP1000[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[3] 張質(zhì)文,虞和謙，王金諾，等. 起重機設計手冊[M]. 北京：中國鐵道工業(yè)出版社，1998.

[4] 賈旺興，房師平. 起重機起升機構(gòu)輕量化的研究[J]. 起重運輸機械，2013(6):62-65.

[5] 聞邦椿. 機械設計手冊(第3卷)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

Design of the Main Hoist for Refueling Machine in a CAP1000 Project

Liu Jianwen

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200235, China)

Abstract：Through deep analysis on the function and principle of the main hoist for refueling machines of AP1000 nuclear power stations, an innovative design was carried out to the main hoist for refueling machines of a CAP1000 project, with improvements on the maintainability and economy, so as to achieve localization of the refueling machines.

Keywords：CAP1000 project; refueling machine; main hoist

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：劉建文(1983—)，男，工程師，主要從事裝換料設備設計及研發(fā)。E-mail: liujianwen@snerdi.com.cn

中圖分類號：TL353.3

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0164-04