廖佳濤，羅文廣，偶建磊

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乏燃料貯存格架水下液壓推動(dòng)裝置的研制

廖佳濤，羅文廣，偶建磊

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041）

對(duì)水下液壓推動(dòng)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、吊裝工具、液壓系統(tǒng)、真空吸盤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并根據(jù)現(xiàn)場使用要求進(jìn)行了液壓系統(tǒng)和真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算。該裝置通過真空吸盤組與乏池池底進(jìn)行吸附，以抵抗格架推動(dòng)時(shí)的反作用力；同時(shí)，每個(gè)液壓推桿的推力與推動(dòng)距離可單獨(dú)設(shè)置，并可實(shí)時(shí)對(duì)推桿的行程及推力進(jìn)行檢測。實(shí)際應(yīng)用情況表明，使用該裝置進(jìn)行格架的水下推動(dòng)時(shí)，格架定位效果精確，滿足使用要求。

水下液壓推動(dòng)裝置；吊裝工具；液壓系統(tǒng)；真空吸盤系統(tǒng)

新高密集乏燃料貯存格架在乏燃料水池內(nèi)安裝前，根據(jù)臨界計(jì)算結(jié)果，高密格架與高密格架間需要保證一定的距離，為此需要一套高密格架水下推動(dòng)裝置對(duì)其進(jìn)行精確定位。由于乏池內(nèi)輻射水平較高，在進(jìn)行水下推動(dòng)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮裝置的耐輻射性能，同時(shí)考慮到推動(dòng)的精度，通過對(duì)各類驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比，在此選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的方式提供水下推動(dòng)裝置的動(dòng)力源。同時(shí)，由于乏池內(nèi)不允許有油污進(jìn)入，液壓系統(tǒng)選擇的介質(zhì)為去離子水。高密格架重量約為7 t，在液壓推動(dòng)裝置進(jìn)行格架推動(dòng)時(shí)，需要考慮高密格架的反作用力，為此在液壓推動(dòng)裝置底部設(shè)置有真空吸盤，通過抽真空的方式使吸盤與乏池底部鋼敷面間的吸附力足以抵抗格架推動(dòng)時(shí)的反作用力。該裝置的研制可保證高密格架在乏池內(nèi)的精確安裝。

1 水下液壓推動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

水下液壓推動(dòng)裝置由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、吊裝工具、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。在高密格架乏池內(nèi)水下定位安裝時(shí)，為保證其在橫向和縱向兩個(gè)方向上的安裝精度，需要使用兩臺(tái)水下液壓推動(dòng)裝置分別進(jìn)行橫向與縱向的推動(dòng)，兩臺(tái)水下液壓推動(dòng)裝置共用一套吊裝工具、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

每臺(tái)水下液壓推動(dòng)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)在水下進(jìn)行高密格架的推動(dòng)，其主要由2個(gè)液壓推桿、真空吸盤組、液壓推桿安裝架和吊裝接口組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

為了保證在水下進(jìn)行高密格架推動(dòng)時(shí)，推桿前端的推頭中心作用在高密格架底板側(cè)壁上，要求液壓推桿的軸向中心線高于吸盤底座150±10 mm，兩個(gè)液壓推桿間中心距為900 mm，且液壓推桿推頭直徑為100 mm。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.1.1 液壓推桿結(jié)構(gòu)

液壓推桿由液壓缸和浮動(dòng)推頭等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了保證液壓推桿有足夠的推動(dòng)距離，液壓缸最大行程為500 mm；同時(shí)，為避免液壓油泄露對(duì)乏池造成污染，該液壓缸以去離子水作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)；液壓缸選用不銹鋼材質(zhì)，可確保其水下工作壽命；液壓推動(dòng)壓頭采用浮動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示，以確保在液壓缸推動(dòng)過程中，推頭與被推工件始終保持面接觸。

圖2 液壓推桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 浮動(dòng)推頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 液壓推桿安裝架

液壓推桿安裝架是由機(jī)架、高度調(diào)節(jié)組件等構(gòu)成，液壓推桿安裝架結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。機(jī)架采用不銹鋼型材焊接并經(jīng)退火后加工而成；高度調(diào)節(jié)組件由調(diào)節(jié)螺桿及螺母組成，其安裝在液壓推桿與安裝架連接板處，高度調(diào)節(jié)組件的可調(diào)范圍為±10 mm，其主要用于調(diào)節(jié)推桿的高度，使得推頭在推動(dòng)時(shí)作用在高密格架底板側(cè)壁上。

圖4 液壓推桿安裝架示意圖

1.1.3 吊裝接口

吊裝接口采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，由連接法蘭、頂部吊裝盤、及定位孔組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)主要配合吊裝工具實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程抓取及釋放水下液壓推動(dòng)裝置。其中法蘭是吊裝過程中的承力部位，定位孔則可實(shí)現(xiàn)吊裝工具的快速抓取及吊裝過程中的安裝防護(hù)。

圖5 吊裝接口結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 吊裝工具

吊裝工具用于吊裝水下液壓推動(dòng)裝置，其需要具備在水下對(duì)吊裝接口進(jìn)行自動(dòng)抓取和松開的功能，該吊裝工具為氣動(dòng)工具。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由吊耳、氣缸、旋轉(zhuǎn)銷、導(dǎo)向銷、夾爪、滑動(dòng)槽、滑塊等組成。

圖6 吊裝工具結(jié)構(gòu)示意圖

吊裝工具將水下液壓推動(dòng)裝置放入乏池指定位置的工作原理如下：

（1）首先將氣缸內(nèi)通入壓縮空氣，滑塊在滑動(dòng)槽內(nèi)沿導(dǎo)向銷向下滑動(dòng)，夾爪沿旋轉(zhuǎn)銷旋轉(zhuǎn)，使夾爪呈張開狀態(tài)；吊裝工具的吊耳通過卸扣和鋼絲繩與吊車吊鉤相連，將吊裝工具起吊并移至水下液壓推動(dòng)裝置吊裝接口正上方；

（2）慢速下降吊車使吊具頂部的錐銷插入吊裝接口的定位孔內(nèi)，插入過程中錐銷可自動(dòng)找正，直至吊具放置在吊裝接口的頂部吊裝盤上；

（3）關(guān)閉壓縮空氣，慢速上升吊車使滑塊在滑動(dòng)槽內(nèi)沿導(dǎo)向銷向上移動(dòng)，夾爪呈抓緊狀態(tài)，使夾爪將吊裝接口抓緊實(shí)現(xiàn)對(duì)水下液壓推動(dòng)裝置的吊裝，慢速將其移至乏池上方，慢速下降吊車，將水下液壓推動(dòng)裝置下降，最終使水下液壓推動(dòng)裝置底部吸盤接觸乏池底部；

（4）將氣缸內(nèi)通入壓縮空氣，此時(shí)夾爪張開，將吊裝工具與吊裝接口分離。

1.3 液壓系統(tǒng)

1.3.1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)包含位移傳感器、過濾器、電機(jī)、淡水泵、控制閥組、壓力傳感器、溫度傳感器、液位計(jì)、水壓缸、端子箱等。其采用4套相互獨(dú)立的回路分別控制兩臺(tái)水下液壓推動(dòng)裝置上的4臺(tái)液壓缸，各液壓缸的工作壓力及速度可單獨(dú)控制。

1.3.2 系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)原理如圖7所示。系統(tǒng)工作流程為：總控制臺(tái)發(fā)出控制信號(hào)→電機(jī)啟動(dòng)→對(duì)應(yīng)水泵啟動(dòng)→對(duì)應(yīng)回路建立壓力→控制閥根據(jù)總控臺(tái)信號(hào)動(dòng)作→對(duì)應(yīng)液壓缸發(fā)生動(dòng)作→同時(shí)位移傳感器反饋位移信號(hào)，壓力傳感器反饋壓力信號(hào)→總控臺(tái)調(diào)整控制信號(hào)→對(duì)液壓缸推桿進(jìn)行精確控制。4個(gè)液壓缸可獨(dú)立工作，壓力和流量由各自對(duì)應(yīng)的液壓回路來進(jìn)行調(diào)定，每個(gè)液壓推桿的推力在0～4 kN可調(diào)，液壓推桿伸出速度及距離可調(diào)。

1.3.3 液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）以去離子水作為液壓驅(qū)動(dòng)介質(zhì)可避免對(duì)乏池水造成污染；

（2）每個(gè)液壓缸推進(jìn)壓力、行程、速度可單獨(dú)設(shè)定、顯示；

（3）可設(shè)置液壓壓力超限報(bào)警。

1.4 真空吸盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空吸盤系統(tǒng)的作用是將吸盤中的空氣、水抽盡后，使吸盤內(nèi)部形成真空，在外界水壓作用下使其可靠的吸附在池底。每臺(tái)水下液壓推動(dòng)裝置共設(shè)置有12個(gè)真空吸盤，液壓推動(dòng)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝架底部4個(gè)頂角各安裝有3個(gè)吸盤，12個(gè)真空吸盤采用3路獨(dú)立控制方式，每路由4個(gè)吸盤組成、其分布在安裝架底部4個(gè)頂點(diǎn)處，若其中某個(gè)吸盤出現(xiàn)故障可直接將其所在支路關(guān)閉，而不影響其它支路吸盤的吸附功能。

真空系統(tǒng)原理圖如圖8所示，為確保真空系統(tǒng)在水下能有效、可靠的工作，專門針對(duì)該工作環(huán)境配置了氣液分離器，氣液分離器主要用于水和其它混雜物的分離并提供真空蓄能；氣液分離器頂部設(shè)計(jì)破空閥接口，底部設(shè)置排污閥，同時(shí)設(shè)置液位計(jì)方便實(shí)時(shí)觀察罐內(nèi)積液情況，當(dāng)積液到達(dá)一定刻度后通過底部排污閥將罐內(nèi)液體排出。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖

圖8 真空系統(tǒng)原理圖

真空系統(tǒng)工作時(shí)，首先使氣液分離器中建立真空，操作時(shí)將氣液分離器與吸盤組間的氣動(dòng)蝶閥和手動(dòng)閘閥關(guān)閉、打開水環(huán)真空泵與氣液分離器間的閥門，啟動(dòng)水環(huán)真空泵，將氣液分離器中建立真空，氣液分離器上的壓力傳感器檢測到氣液分離器中的真空度達(dá)到-85 kPa時(shí)，水環(huán)真空泵與氣液分離器間的電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，水環(huán)真空泵停止工作；其次，打開吸盤組1和吸盤組2與氣液分離器間的閥門，每個(gè)吸盤內(nèi)的液體進(jìn)入到氣液分離器中，將每個(gè)吸盤組內(nèi)建立真空，使得吸盤牢靠的吸附住乏池池底。

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括檢測系統(tǒng)及電控系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)是通過壓力傳感器、位移傳感器和流量傳感器對(duì)液壓缸壓力、行程及流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將其顯示在觸摸屏上。電控系統(tǒng)采PLC及觸摸屏作為主控單元實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化及智能化控制，電控系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 電控原理圖

液壓缸行程采用位移傳感器作為行程檢測傳感單元，并通過信號(hào)采集與控制系統(tǒng)相連，最終在觸摸屏上設(shè)置并顯示，該信號(hào)與控制信號(hào)聯(lián)動(dòng)從而達(dá)到液壓缸驅(qū)動(dòng)行程的控制。位移傳感器選用IP67級(jí)耐水不銹鋼材質(zhì)傳感器并經(jīng)特殊處理后與液壓缸活塞桿相連，實(shí)現(xiàn)與活塞桿同進(jìn)退從而達(dá)到精確測量其行程。

液壓缸推力通過壓力傳感器檢測后并將檢測信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)，以控制系統(tǒng)測算后與設(shè)定值比較并將結(jié)果傳送到液壓泵，通過驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)等實(shí)現(xiàn)液壓缸推力的控制。水下液壓推動(dòng)裝置的工作流程見圖10所示。

圖10 水下液壓推動(dòng)裝置工作流程圖

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 液壓系統(tǒng)壓力計(jì)算

本設(shè)計(jì)中，格架最大推動(dòng)距離為500 mm，吊車吊鉤與格架頂部間鋼絲繩長度約為17 m，格架重量為7 t，液壓推動(dòng)裝置將格架推動(dòng)500 mm時(shí)，格架對(duì)液壓推動(dòng)裝置的最大反作用力約為2 kN，為了留有足夠的安全裕度，設(shè)計(jì)單臺(tái)液壓推桿的推力最大為＝4 kN，選用的液壓缸的缸徑為＝63 mm，計(jì)算液壓系統(tǒng)壓力時(shí)，依據(jù)以下公式：

3.2 真空吸盤直徑計(jì)算

每臺(tái)液壓推動(dòng)裝置共有12個(gè)吸盤，其中分為三組，每組4個(gè)吸盤，為了保證在進(jìn)行格架推動(dòng)時(shí)液壓推動(dòng)裝置的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)要求僅有2組真空吸盤投入運(yùn)行時(shí)仍能抵抗格架對(duì)其側(cè)向的4 kN的反作用力。每個(gè)真空吸盤組在乏池池底（乏池水的深度為12 m）抽真空后，其可承受的側(cè)向作用力為：

計(jì)算得：

＝4000 N

真空吸盤直徑的計(jì)算公式為：

計(jì)算得出≥11.2 cm，在此，為了充分保證真空吸盤的吸力能夠抵抗格架的反作用力，選擇直徑為12.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)吸盤。

4 結(jié)束語

水下液壓推動(dòng)裝置采用全不銹鋼制作及去離子水作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)從而避免其對(duì)乏燃料水池的污染；通過橡膠材料的真空吸盤與池底吸附，不對(duì)水池池底鋼敷面造成危害；液壓推桿行程長，對(duì)高密格架留有足夠的水下安裝空間，防止高密格架安裝時(shí)與相鄰格架發(fā)生碰撞，保證格架吊裝安全；同時(shí)，每個(gè)液壓推桿的推力與推動(dòng)距離可單獨(dú)設(shè)置，并可實(shí)時(shí)對(duì)推桿的行程及推力進(jìn)行檢測。水下液壓推動(dòng)裝置在進(jìn)行高密集乏燃料貯存格架在乏池內(nèi)安裝的實(shí)際應(yīng)用過程中，其操作簡單、安全可靠，可很好地用于高密格架的水下精確定位。

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Development of Underwater Hydraulic PropulsionDevice for Spent Fuel Storage Rack

LIAO Jiatao，LUO Wenguang，OU Jianlei

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu610041, China )

In this paper, the actuating mechanism, hoisting tools, hydraulic system, vacuum suction system and control system of underwater hydraulic propulsion device are designed in detail, the hydraulic system and vacuum system were designed and calculated according to the field requirements. The device is absorbed by the vacuum chuck and the bottom of the pool to resist the reaction force when the rack is pushed; at the same time, the thrust and the push distance of each hydraulic push rod can be set separately, and the displacement and thrust of the push rod can be detected in real time. The practical application of the device shows that when the device is used to carry out the underwater push of the rack, the positioning effect of the rack is accurate, and the requirement of use is satisfied.

underwater hydraulic propulsion device；hoisting tool; hydraulic system；vacuum chuck system

TG502.32

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.012

1006－0316 (2018) 01－0056－06

2017－06－12

廖佳濤（1986－），男，四川樂山人，碩士研究生，助理研究員，主要研究方向?yàn)榉磻?yīng)堆運(yùn)行與維護(hù)。