劉 俊， 傅 波， 帥劍云

（1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中科華核電技術(shù)研究院，廣東 深圳 518124）

1 引 言

氣壓伺服控制技術(shù)是以氣體為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞、轉(zhuǎn)換、分配及控制的一門(mén)技術(shù)。氣動(dòng)技術(shù)與其他的傳動(dòng)和控制技術(shù)相比較，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單；工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，具有防燃、防爆、防電磁干擾等一系列的優(yōu)點(diǎn)；排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，成本低；輸出力與工作速度的容易調(diào)節(jié)，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)；可實(shí)現(xiàn)緩沖，對(duì)沖擊負(fù)載和過(guò)負(fù)載有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)技術(shù)在核電領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)著重要的角色。換料機(jī)夾爪是核電站核燃料在裝卸料時(shí)的直接跟核燃料棒接觸的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它能否按預(yù)定設(shè)計(jì)順利打開(kāi)和收緊關(guān)系到換料工作是否能順利完成，甚至?xí)l(fā)核安全的問(wèn)題。目前所有二代及二代半核電技術(shù)換料機(jī)均采用氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)夾爪的工作[1-4]，因此設(shè)計(jì)出一個(gè)功能完備、安全性良好的氣動(dòng)系統(tǒng)意義重大。

2 氣動(dòng)控制元件

（1）電磁換向閥。方案選用諾冠SXE系列二位五通先導(dǎo)式電磁閥，該種電磁閥采用帶特殊涂層的硬密封閥芯閥套，可無(wú)故障長(zhǎng)壽命工作，ISO#1 and#2上集成流量調(diào)節(jié)器，低功耗標(biāo)準(zhǔn)線圈和手控方式，有多種底板和附件可選。使用壓力范圍0～16MPa，環(huán)境和介質(zhì)溫度為15℃～50℃，響應(yīng)時(shí)間為20ms。

（2）減壓閥。由于換料機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)所使用的氣源是核島所有其他氣動(dòng)裝置共用的氣源，壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)所需壓力，因此必須使用減壓閥減壓并保持壓力穩(wěn)定。

方案采用諾冠減壓閥R72G-2GK-RMG+74316-50，輸入壓力為0～3MPa，調(diào)整范圍為0.1～2 MPa，安裝方式為底板式，輸出壓力由壓力表顯示，適用溫度-15℃～+80°C。連接尺寸為G1/4in，標(biāo)準(zhǔn)額定流量為2000L/min。

3 氣缸的設(shè)計(jì)

根據(jù)夾爪順利張開(kāi)和收縮驅(qū)動(dòng)桿所需行程和推力要求，方案選擇諾冠公司生產(chǎn)的RM系列氣缸，型號(hào)為RM/55464/JM/75。該型氣缸能使夾爪驅(qū)動(dòng)桿順利到達(dá)工作所需要的兩個(gè)位置，活塞桿行程為75mm。

3.1 氣缸的輸出力

根據(jù)核島氣路系統(tǒng)的壓力情況，氣缸的工作壓力設(shè)定為0.8MPa，缸徑為63mm，活塞桿直徑為18mm，由此可以計(jì)算出氣缸的理論推力：

考慮到氣缸的效率，則實(shí)際的輸出推力為：

式中：D——缸徑（m）；

P——?dú)飧椎墓ぷ鲏毫Γ≒a）；

η——?dú)飧椎男剩堑娜≈捣秶鸀?.7～0.9，上

式中η的取值為0.8。

3.2 活塞桿的穩(wěn)定性校核

因?yàn)闅飧谆钊麠U是驅(qū)動(dòng)夾爪抓取核燃料棒驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分最為脆弱的部分，為了防止在換料工作過(guò)程中出現(xiàn)意外事故，必須驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性，即氣缸活塞桿的的穩(wěn)定性[5]?；钊麠U穩(wěn)定性驗(yàn)算條件：

式中：F——活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；

Fk——縱向彎曲極限推力（N）；

nk——穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.5～4。

縱向彎曲極限推力不僅與活塞桿的材料、直徑、安裝長(zhǎng)度有關(guān)，而且還與氣缸的安裝支撐方式的末端因數(shù)有關(guān)，見(jiàn)表1。

表1 末端因數(shù)

那么，縱向彎曲極限推力Fk可以根據(jù)戈登-蘭肯式求得[6]：

式中：f——材料的抗壓強(qiáng)度，鋼材f=480（MPa）；

A——活塞桿橫截面積；

a——實(shí)驗(yàn)常數(shù)，鋼材a=1/5000；

m——末端系數(shù)；

k=d/4=4.5（mm）；

L——活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度（m）。

對(duì)于方案中采用的氣缸，其安裝方式為固定-自由，m的取值為0.25?；钊麠U的計(jì)算長(zhǎng)度L為140mm，活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑k=d/4=4.5mm。代入式（4）可得活塞桿縱向彎曲極限力：

根據(jù)核級(jí)設(shè)備安全規(guī)定，取穩(wěn)定性安全系數(shù)nk為 4，則：

由于在實(shí)際使用中活塞桿的最大軸向壓力F=1.79kN＜4.84kN，所以方案中選用的活塞桿的強(qiáng)度是滿足設(shè)計(jì)要求的。

4 空氣凈化處理裝置

4.1 壓縮空氣質(zhì)量要求

不同的場(chǎng)合，不同的設(shè)備對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量要求也不相同。低劣的空氣質(zhì)量不僅會(huì)影響到設(shè)備的使用壽命，更嚴(yán)重的則可能帶來(lái)很多安全事故，使預(yù)定功能無(wú)法完成。我國(guó)采用的ISO 8573即國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13277－91（見(jiàn)表2），為各種場(chǎng)合壓縮空氣質(zhì)量提供了選擇的依據(jù)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)推薦的核級(jí)設(shè)備壓縮空氣標(biāo)準(zhǔn)，該氣動(dòng)系統(tǒng)的壓縮空氣品質(zhì)要求為2-3-2。即固體粒子等級(jí)2，含水量等級(jí)3，含油量等級(jí)2。

表2 空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

4.2 空氣凈化處理

空壓機(jī)排出的壓縮空氣是不干凈的，除了含有水（包括水蒸氣、凝結(jié)水）和懸浮物外，還有油（包括油霧、油蒸氣）。這些污染物對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)行成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量是不利的，因此就需要進(jìn)行干燥凈化處理[7]。選用合適的氣源處理系統(tǒng)及其元件是非常重要的，其空氣壓縮系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 空氣壓縮系統(tǒng)圖

（1）空氣過(guò)濾器。從空壓機(jī)輸出的壓縮空氣中含有大量有害雜質(zhì)，會(huì)對(duì)氣源系統(tǒng)造成很大的危害，其中危害最大的是油。變質(zhì)的潤(rùn)滑油（油分）會(huì)使橡膠、塑料、密封材料變質(zhì)，堵塞小孔，造成閥類動(dòng)作失靈，污染產(chǎn)品。水分和粉塵會(huì)造成金屬器件、管道生銹腐蝕，造成運(yùn)動(dòng)部件卡死或磨損，使氣動(dòng)元件動(dòng)作失靈和漏氣，水分和塵土還會(huì)堵塞節(jié)流小孔或過(guò)濾網(wǎng)。分水過(guò)濾器、減壓閥和油霧器的三聯(lián)件是氣動(dòng)系統(tǒng)中不可或缺的輔助裝置。

（2）油霧器。可分離掉主管路過(guò)濾器和空氣過(guò)濾器難以分離掉的0.3～5 μm氣狀溶膠油粒子及大于0.3 μm的銹末、炭粒。安裝在電磁先導(dǎo)閥及間隙密封滑閥的氣源上。

5 氣動(dòng)系統(tǒng)圖及工程安裝示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)所選氣動(dòng)元件，核島換料機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

圖2中，1為空氣壓縮系統(tǒng)，為整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)提供氣源；壓縮空氣經(jīng)過(guò)油霧器2、空氣過(guò)濾器3凈化之后，空氣質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求。之后空氣經(jīng)減壓閥4減壓后輸送給電磁控制閥的空氣壓力穩(wěn)定在0.8 MPa左右。系統(tǒng)通過(guò)控制程序控制電磁閥的切換程序從而控制氣缸7的工作情況，實(shí)現(xiàn)整個(gè)換料機(jī)夾爪夾取和釋放核燃料棒的工作。工程安裝示意圖見(jiàn)圖3[8]。

圖3 工程安裝示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)核電供氣空氣質(zhì)量要求和該系統(tǒng)具體使用需要，選定了氣動(dòng)回路所需油霧器、空氣過(guò)濾器、減壓閥以及電磁閥等元器件的型號(hào)，并繪制了氣動(dòng)系統(tǒng)圖。

（2）設(shè)計(jì)計(jì)算了氣缸的缸徑、行程、供氣壓力和氣缸的輸出推力。根據(jù)換料機(jī)夾爪工作時(shí)驅(qū)動(dòng)桿位置的要求，選取了諾冠公司生產(chǎn)的RM系列氣缸，型號(hào)為RM/55464/JM/75，滿足使用要求。

（3）用戈登-蘭肯公式對(duì)核心的執(zhí)行器——?dú)飧走M(jìn)行了穩(wěn)定性校核，確保系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性，消除了潛在的安全隱患。

圖2 氣動(dòng)系統(tǒng)圖

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