半自動(dòng)芯塊裝管裝置總結(jié)性分析及改進(jìn)方案
顧玉娜，翟家海
摘要：文章首先對目前國內(nèi)核燃料元件廠所采用的半自動(dòng)傾斜式芯塊裝管裝置進(jìn)行了總結(jié)性分析，然后結(jié)合已經(jīng)了解到的國外全自動(dòng)芯塊裝管裝置的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求，論述了國內(nèi)半自動(dòng)裝管裝置的不足。基于國內(nèi)現(xiàn)行的UO2芯塊制造方式及質(zhì)量，提出了下一步的改進(jìn)方案，力求使設(shè)備的自動(dòng)化程度更高，滿足我國今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)核燃料元件制造的要求。
關(guān)鍵詞：芯塊裝管裝置 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 技術(shù)改進(jìn)
1 引言
隨著科技的進(jìn)步和我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家做出了積極發(fā)展核電的戰(zhàn)略決策，這意味著近期核燃料元件的需求量將有較快地增長。為確保向核電站保質(zhì)保量、按期供貨，核燃料元件生產(chǎn)能力的擴(kuò)大和技術(shù)水平的提高是很迫切的。
芯塊裝管裝置是將合格的UO2芯塊填裝進(jìn)空包殼管內(nèi)的設(shè)備，是核燃料元件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序之一。目前國內(nèi)采用的半自動(dòng)傾斜式芯塊裝管裝置經(jīng)過幾次技術(shù)改進(jìn)，已經(jīng)能很好的滿足當(dāng)前燃料元件生產(chǎn)的需要，但還存在著工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、輻射劑量較大等問題，無法滿足未來核電對燃料元件的需求。本文將對目前國內(nèi)采用的半自動(dòng)芯塊裝管裝置進(jìn)行總結(jié)性分析，在此基礎(chǔ)上提出技術(shù)改進(jìn)方案，以提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，順應(yīng)國家核電發(fā)展的大趨勢。
2半自動(dòng)傾斜式裝管裝置
2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能
半自動(dòng)傾斜式芯塊裝管裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，本裝置主要由裝料臺(tái)、裝管機(jī)(含預(yù)裝組件、床身、上下料步進(jìn)裝置、進(jìn)退組件等)、上下料架以及配套的電控系統(tǒng)等組成，其主要設(shè)備是一臺(tái)可以控制包殼管傾斜角的非標(biāo)準(zhǔn)異形蝸輪蝸桿翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)。大致的操作流程為：包殼管固定在平臺(tái)臺(tái)面上，裝入芯塊的包殼管開口端設(shè)置有帶喇叭口過規(guī)，芯塊通過過規(guī)導(dǎo)入包殼管，超差或因其他原因無法通過過規(guī)的芯塊進(jìn)入包殼管之前被剔除，下部裝有負(fù)壓抽氣裝置，芯塊碎屑和粉塵被氣流抽走。對于較長的燃料棒，可以實(shí)施分段操作：先將包殼管固定在平臺(tái)上呈水平狀態(tài)，推入第一段芯塊，啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)使平臺(tái)傾斜成45℃，芯塊靠自重和電磁激振力下滑到達(dá)包殼管底部，工作臺(tái)臺(tái)面再次恢復(fù)水平狀態(tài)，接著再推入第二段芯塊，如此反復(fù)操作，直至到達(dá)規(guī)定的芯塊柱長度。
芯塊裝管裝置每次裝管數(shù)量為25根，按其功能，本裝置可分為芯塊預(yù)裝工位、包殼管上料工位、芯塊裝管工位、燃料棒下料工位。經(jīng)過多次改進(jìn)的半自動(dòng)芯塊裝管裝置，具備了包殼管自動(dòng)上料、燃料棒自動(dòng)下料以及依靠芯塊自重和電磁激振力使其自動(dòng)下滑到達(dá)包殼管底部的功能，在一定程度上提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度。
2.1.1 裝料臺(tái)
裝料臺(tái)是為完成UO2芯塊從V形料盤向裝管機(jī)預(yù)裝組件過渡而設(shè)置，屬芯塊預(yù)裝工位，其主要由滾動(dòng)直線導(dǎo)套副、料盤定位條、臺(tái)板、定位手柄、型材支架組成，與前幾代芯塊裝管機(jī)的裝料臺(tái)基本相同，需要人工將芯塊通過裝料臺(tái)撥送至裝管機(jī)前端的預(yù)裝組件。

 

圖1　芯塊裝管裝置簡圖
2.1.2 裝管機(jī)
裝管機(jī)采用翻轉(zhuǎn)傾斜式主體結(jié)構(gòu)，其翻轉(zhuǎn)角度在0～50°范圍內(nèi)可調(diào)，可根據(jù)不同產(chǎn)品對裝管工藝的要求，選擇合適的翻轉(zhuǎn)傾斜角度。適度增加翻轉(zhuǎn)傾斜的角度，不但可增大管內(nèi)芯塊的下落勢能，亦可避免由于管內(nèi)芯塊柱的徑向錯(cuò)位而影響管內(nèi)氣體的排出。
為保證裝入包殼管的UO2芯塊順利滑向包殼管下端塞端，需要克服芯塊與包殼管壁的摩擦力、芯塊粉塵/碎屑存在的與管壁“楔”卡現(xiàn)象以及管內(nèi)氣阻等，除充分利用芯塊的重力勢能，在621工程芯塊裝管裝置設(shè)計(jì)中，特在裝管機(jī)前端底部增設(shè)電磁振動(dòng)器。該振動(dòng)器工作方式為沖擊式，可根據(jù)工藝要求手工調(diào)整振動(dòng)器的振幅。
2.1.2.1 預(yù)裝組件
預(yù)裝組件設(shè)置在裝管機(jī)前部，其功能是對合格的UO2芯塊在裝管前進(jìn)行預(yù)裝和排長。預(yù)裝組件主要由預(yù)裝板、更生板、接口板和導(dǎo)向孔等零件組成，在預(yù)裝板V形槽下部開有排屑孔，以便將芯塊裝管前落下的微量粉塵或碎屑通過排屑孔由排風(fēng)系統(tǒng)及時(shí)帶走。繼上一步人工將芯塊撥送至預(yù)裝組件后，仍需人工在此對預(yù)裝芯塊進(jìn)行排長。
 

 

圖2　預(yù)裝組件簡圖
2.1.2.2進(jìn)退組件
進(jìn)退組件設(shè)置在裝管機(jī)后部，其功能是將包殼管推入預(yù)裝組件接口板的導(dǎo)向孔中，屬包殼管上料工位，它主要由基板、帶V形槽隨動(dòng)板、左/右壓板、左/右壓緊氣缸、進(jìn)退氣缸、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副等組成，其示意圖如圖3所示。根據(jù)不同產(chǎn)品裝管工藝的需要，其可安置在裝管機(jī)上的不同位置。
 

 

圖3　進(jìn)推組件簡圖
進(jìn)退組件采用氣缸頂壓式結(jié)構(gòu)，采用分別帶有12條/13條V形槽的壓板，V形槽內(nèi)粘貼軟質(zhì)材料，V形槽尺寸根據(jù)包殼管的外形尺寸確定；動(dòng)作執(zhí)行采用FOSTO緊湊型短行程氣缸，進(jìn)退料機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，徹底消除了前幾代裝管裝置存在的進(jìn)退料有時(shí)不到位現(xiàn)象。為適應(yīng)包殼管長度方向的公差，進(jìn)退組件特設(shè)置了壓簧頂桿機(jī)構(gòu)，有效避免了進(jìn)退氣缸直接施加作用力過程中，由于氣缸作用力不易調(diào)定，各包殼管存在長度差而受力不一致造成的包殼管弓曲乃至崩出接口板的事故。
2.1.2.3包殼管上下料裝置
包殼管上下料裝置仍采用前幾代裝管裝置的步進(jìn)式基本主體結(jié)構(gòu)，其工作原理為電機(jī)直聯(lián)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪、偏心輪帶動(dòng)V型槽步進(jìn)橫桿進(jìn)行上→左→下→右的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而同時(shí)完成包殼管/燃料棒的上料/下料動(dòng)作，如圖4所示。
 

 

圖4　上下料步進(jìn)裝置簡圖
2.1.3上下料架
上/下料架主要由導(dǎo)軌、可調(diào)節(jié)支架、鋁合金型材支架等組成。采用鋁合金型材來組裝的支架部分，既減少機(jī)加、焊接、熱處理部分工作量，同時(shí)設(shè)備造型美觀、實(shí)用。
2.1.4電控系統(tǒng)
半自動(dòng)芯塊裝管裝置電控系統(tǒng)以PLC為核心，采集設(shè)備狀態(tài)信息和控制柜操作面板的操作指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的半自動(dòng)/手動(dòng)控制。
2.2半自動(dòng)裝管裝置的不足
目前國內(nèi)采用的半自動(dòng)裝管裝置，實(shí)現(xiàn)了空包殼管自動(dòng)上料、裝入芯塊的燃料單棒自動(dòng)下料等功能，然而其他大部分工位仍依靠人工操作。雖然半自動(dòng)裝管裝置已能滿足當(dāng)前核燃料元件生產(chǎn)的需要，但也存在著以下不足：這種人工敞開式操作為主、半自動(dòng)操作為輔的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)模式，生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量很大程度上取決于操作人員的素質(zhì)、責(zé)任心等人為因素，質(zhì)量一致性得不到有效保證，并且不利于減少物料損耗和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，崗位工人手動(dòng)將芯塊柱推入包殼管內(nèi)，雖然在裝管臺(tái)下有負(fù)壓抽吸裝置，但仍然會(huì)有粉塵擴(kuò)散出來，增加了工人被污染的幾率，不利于輻射劑量防護(hù)。
3.技術(shù)改進(jìn)方案
目前國內(nèi)采用的半自動(dòng)傾斜式芯塊裝管裝置已具備了空包殼管自動(dòng)上料、裝入芯塊的燃料棒自動(dòng)下料的功能，但仍需要人工將待裝芯塊從不銹鋼V型槽料盤上推入預(yù)裝組件接口板上進(jìn)行排列并測定長后，再由人工將芯塊平推到空包殼管內(nèi)。這種工作方式，不但生產(chǎn)效率較低，而且工人的輻射劑量和勞動(dòng)強(qiáng)度也較大，已不能適應(yīng)我國核電今后的趨勢。因此，從生產(chǎn)效率匹配、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、利于輻射保護(hù)等多個(gè)方面考慮，需要從芯塊排長、排序以及芯塊推料方面對目前的裝置進(jìn)行改進(jìn)，以滿足核燃料元件可靠、連續(xù)、自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。
基于現(xiàn)有的半自動(dòng)芯塊裝管裝置，我們進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要增加了帶料盤存儲(chǔ)功能的芯塊自動(dòng)排長、排序裝置并對自動(dòng)裝管裝置部件進(jìn)行了改進(jìn)。初步擬定總體構(gòu)成方案如圖6所示。具體分析如下：

圖6　全自動(dòng)芯塊裝管裝置總體構(gòu)成方案示意圖
3.1帶料盤存儲(chǔ)功能的芯塊自動(dòng)排長、排序裝置
芯塊自動(dòng)排長、排序裝置用于將盛裝在不銹鋼V型槽料盤中的芯塊轉(zhuǎn)運(yùn)至自動(dòng)裝管裝置部件的預(yù)裝區(qū)域。該裝置主要由料盤暫存部件、料盤縱向移動(dòng)部件、料盤推齊及推料部件等組成。
料盤暫存部件由兩組垂直安裝、相互平行的不銹鋼滾子鏈組成，滾子鏈安裝鏈條附件用于擱置料盤，共可以擱置8個(gè)不銹鋼料盤。兩組不銹鋼滾子鏈共用同一個(gè)由變頻電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)裝置，以保證兩組鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性，且速度可調(diào)以滿足生產(chǎn)節(jié)拍匹配的需要；料盤縱向移動(dòng)部件由支架、兩條平行布置的同步帶及驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成，同樣由變頻電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)；料盤推齊及推料部件由齒形帶驅(qū)動(dòng)軸、下壓氣缸等組成，齒形帶驅(qū)動(dòng)軸集成了直線導(dǎo)軌、線性驅(qū)動(dòng)單元、連接附件等，具備正、反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)速度高，連接附件容易等特性。
正常工作時(shí)，首先由人工將8個(gè)料盤按次序擺滿料盤暫存部件，開機(jī)后，兩組不銹鋼滾子鏈按設(shè)定的速度將料盤垂直提起，運(yùn)送至料盤縱向移動(dòng)部件上端；為保證平穩(wěn)無沖擊，在到位前設(shè)置減速光電開關(guān)。料盤縱向移動(dòng)部件高速將料盤縱向轉(zhuǎn)運(yùn)至芯塊自動(dòng)裝管裝置預(yù)裝部位對應(yīng)位置（即與預(yù)裝部位V型槽一一對應(yīng)位置），料盤與預(yù)裝部位間距控制在5mm左右，為保證料盤到位位置準(zhǔn)確，特設(shè)置到位氣缸，用于阻擋料盤過位；料盤推齊及推料部件中下壓氣缸動(dòng)作，將作用桿端下移約5mm，保證桿端作用于料盤側(cè)端面上，齒形帶驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)作，將料盤向預(yù)裝位置移動(dòng)5mm左右，保證料盤與預(yù)裝部位緊密接觸，且二者的高度差控制在1.5mm左右；而后下壓氣缸抬起到位，保證此時(shí)桿端作用于芯塊端面上，齒形帶驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)作，移動(dòng)600mm左右（該距離可調(diào)），將料盤中的芯塊轉(zhuǎn)運(yùn)到芯塊自動(dòng)裝管裝置預(yù)裝部位的對應(yīng)V型槽中，即完成一次芯塊自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。
相比較之前的裝管裝置，在芯塊自動(dòng)排長、排序裝置部件上設(shè)置了料盤存儲(chǔ)功能，該功能可沿垂直高度一次裝入8個(gè)料盤，以利于發(fā)揮全自動(dòng)裝備的效能，減少人工依次置放料盤可能造成的設(shè)備暫�，F(xiàn)象。
3.2自動(dòng)裝管裝置
自動(dòng)裝管裝置部件主要由前端預(yù)裝組件、推料部件、接口部件、床身、電磁振動(dòng)器等組成，其中床身要容納自動(dòng)上下料裝置。該裝置作為全自動(dòng)芯塊裝管裝置的核心部件，其主要取決于接口關(guān)系的正確與否、推料部件的可靠性與工作效率。
預(yù)裝組件和接口部件共同設(shè)置在自動(dòng)裝管裝置床身前端部位，其功能是對芯塊自動(dòng)排長、排序裝置轉(zhuǎn)運(yùn)過來的UO2芯塊在裝管前進(jìn)行預(yù)裝和排長。
推料部件主要由高速齒形帶驅(qū)動(dòng)軸、長推桿（25根）、氣缸驅(qū)動(dòng)壓板、安全保護(hù)裝置等組成，如圖7所示。
 

 

圖8　安全保護(hù)裝置圖
相對于其他動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，齒形帶驅(qū)動(dòng)軸集成了直線導(dǎo)軌、線性驅(qū)動(dòng)單元、連接附件等，具有易于安裝、易于連接、易于調(diào)整、沖擊小、運(yùn)動(dòng)慣量小的優(yōu)點(diǎn)，可分段以不同的速度驅(qū)動(dòng)，有利于各步運(yùn)動(dòng)節(jié)拍的匹配。同時(shí)采用該種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可是視情方便地添加扭力限制器等功能單元。
3.3 自動(dòng)裝管裝置的優(yōu)勢
改進(jìn)后的芯塊裝管裝置，具備了料盤存儲(chǔ)功能、芯塊自動(dòng)排長排序功能、自動(dòng)裝管功能（振動(dòng)+柔性推桿裝入）、自動(dòng)上下料功能，一次可實(shí)現(xiàn)25根空包殼管的芯塊自動(dòng)填裝功能，并且具有良好的節(jié)拍匹配能力和自動(dòng)化穩(wěn)定運(yùn)行能力，大幅度提高了裝備的自動(dòng)化水平，可有效提高裝管效率，解決單棒生產(chǎn)過程中的瓶頸問題。
4 結(jié)論
本文首先對國內(nèi)正在使用的半自動(dòng)傾斜式芯塊裝管裝置進(jìn)行了總結(jié)性分析，然后結(jié)合已經(jīng)了解到的國外全自動(dòng)芯塊裝管裝置的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求，論述了國內(nèi)半自動(dòng)裝管裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，基于國內(nèi)現(xiàn)行的UO2芯塊生產(chǎn)制造方式及質(zhì)量，提出了一些改進(jìn)方案，力求使設(shè)備的自動(dòng)化程度更高，滿足我國今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)核燃料元件制造的要求。
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