(中國核電工程有限公司 北京核化工研究設(shè)計院設(shè)備所，北京 100840)

乏燃料后處理，作為核燃料循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)，一直備受世界各國的重視和關(guān)注[1-2]。為了實現(xiàn)核電行業(yè)的安全和可持續(xù)發(fā)展，正確進行乏燃料的后處理尤為關(guān)鍵[3]。由于乏燃料中含有大量的放射性元素，如果不能進行有效處理，不僅僅是對資源和能源的浪費，更有可能對自然環(huán)境和人類社會帶來嚴重的輻射污染問題，造成難以估量的經(jīng)濟損失[4-5]。而乏燃料中間試驗廠作為我國第一個乏燃料后處理廠有著非常重要的意義。對乏燃料進行有效處理，不僅僅可以更高效地利用鈾礦資源，也可去除長半衰期的放射性廢物和減少毒性，這與國家“節(jié)能減排”的戰(zhàn)略完全切合。而在后處理廠首端系統(tǒng)中，作為幾個關(guān)鍵設(shè)備之一，廢包殼傾倒裝置的運行狀態(tài)和可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行狀況[6-7]。針對該類設(shè)備的研究，一方面是采用AGREE方法對運動系統(tǒng)進行可靠性分析和優(yōu)化設(shè)計，并采用數(shù)值模擬手段對系統(tǒng)運動過程進行動力學分析，對材料進行疲勞和強度評估[3]。另一方面是對系統(tǒng)進行簡化處理，采用實驗手段并結(jié)合設(shè)備運行經(jīng)驗分析結(jié)構(gòu)的可靠性[6]。但是由于乏燃料組件具有反射性，需要盡量減少系統(tǒng)故障和實驗次數(shù)。因此本文針對廢包殼傾倒裝置在運行過程中有可能出現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)軸萬向聯(lián)軸器及其固定銷發(fā)生斷裂故障，本文建立了設(shè)備零部件(主要包括保障設(shè)備正常運行的固定銷1、固定銷2和翻轉(zhuǎn)軸萬向聯(lián)軸器)的物理簡化模型，采用數(shù)值模擬手段對其進行了多體動力學分析和故障原因分析，得到了設(shè)備運行過程中固定銷和翻轉(zhuǎn)軸萬向聯(lián)軸器出現(xiàn)的最大應(yīng)力和扭矩，并根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料進行了疲勞和強度評估，發(fā)現(xiàn)在運行過程中可能出現(xiàn)的故障以及原因。最后針對該故障發(fā)生的原因提出了避免該故障的改進和預(yù)防措施，并對在設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題進行了經(jīng)驗總結(jié)，從而保障裝置的有效運行，降低事故導(dǎo)致的經(jīng)濟損失。

1 廢包殼傾倒裝置簡介

廢包殼傾倒裝置機構(gòu)原理及設(shè)備總裝示意圖如圖1所示，廢包殼傾倒裝置主要由傳動頭、穿墻軸、萬向聯(lián)軸器和倒料桶四部分組成。其中傳動頭和穿墻軸分別用來提供和傳遞實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)以及振蕩功能所需的動力，其中閥門電動裝置和電機分別為翻轉(zhuǎn)和振蕩功能提供動力。倒料桶用來承接溶解器大吊籃，并通過其附屬部件完成卡緊和振蕩功能。傳動頭和倒料桶通過萬向聯(lián)軸器進行連接，從而實現(xiàn)傳動頭帶動倒料桶及其部件進行相應(yīng)的動作。

在首端系統(tǒng)運行過程中，廢包殼傾倒裝置在翻轉(zhuǎn)工況往往運行正常，而在對大吊籃進行振蕩清空時，工作人員時常發(fā)現(xiàn)傾倒裝置翻轉(zhuǎn)軸的萬向聯(lián)軸器的固定銷和連接套發(fā)生斷裂，使傾倒裝置不能繼續(xù)進行翻轉(zhuǎn)和振蕩操作。由于缺少故障的觀察和反饋手段，操作人員往往不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，導(dǎo)致設(shè)備在故障情況下繼續(xù)運行，增大其他零部件出現(xiàn)故障的風險。根據(jù)現(xiàn)場工作人員反饋以及對設(shè)備本身進行受力分析，可以發(fā)現(xiàn)：設(shè)備在振蕩工況下翻轉(zhuǎn)軸受到的扭矩要大于翻轉(zhuǎn)工況下收到的扭矩；設(shè)備翻轉(zhuǎn)軸系缺少類似于安全銷的安全保護措施，從而不能及時發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)軸系扭矩過大而發(fā)生的失效故障；萬向聯(lián)軸器涉及選型存在偏差導(dǎo)致其承載能力不能滿足振蕩工況。針對以上問題，本文借助數(shù)值模擬的分析計算手段，對固定銷1、固定銷2和翻轉(zhuǎn)軸萬向聯(lián)軸器進行了多體動力學分析。

2 設(shè)備多體動力學分析

廢包殼傾倒裝置通過動力裝置驅(qū)動翻轉(zhuǎn)軸系，實現(xiàn)倒料筒的180°翻轉(zhuǎn)，再由動力裝置驅(qū)動振動軸系旋轉(zhuǎn)，使凸輪旋轉(zhuǎn)帶動倒料筒振動。廢包殼傾倒裝置翻轉(zhuǎn)時，翻轉(zhuǎn)軸系會承受較大的轉(zhuǎn)矩，振動時又對翻轉(zhuǎn)軸系施加了循環(huán)作用力，此時翻轉(zhuǎn)軸系還承受扭矩，可能造成翻轉(zhuǎn)軸系的損壞。針對設(shè)備的振蕩工況，本文利用ADMAS運動學仿真分析軟件對設(shè)備振蕩工況進行多體動力學仿真[8]。簡化后的廢包殼傾倒裝置三維模型如圖2所示，分析過程中保證翻轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)動，而振動軸通過萬向聯(lián)軸器帶動凸輪轉(zhuǎn)動，進一步帶動倒料筒上下振動。該工況下的關(guān)鍵零部件為兩個銷以及翻轉(zhuǎn)軸，利用ANSYS制作構(gòu)件柔性體，導(dǎo)入ADAMS中進行剛?cè)狁詈戏治?。剛?cè)狁詈戏治黾夹g(shù)路線如圖3所示，經(jīng)過建模、選擇材料、添加約束和輸入相應(yīng)的運動參數(shù)，最終通過計算得到在整個振蕩過程中設(shè)備翻轉(zhuǎn)軸的受力情況[9]。

在整個計算過程中，構(gòu)件材料類型：銷材料為14Cr17ni2，軸材料為07Cr17Ni7Al，其余為06Cr19Ni10。振動頻率為72次/分。振動時間設(shè)置為5 min。在ANSYS中生成關(guān)鍵部件的柔性體模型及網(wǎng)格如圖4所示。動力裝置、基座添加全固定約束，軸與軸承座添加鉸鏈約束，萬向聯(lián)軸器之間添加萬向副約束，萬向副與軸的一端添加滑動副約束等2個凸輪與下面立柱添加碰撞約束，2個紫色軸承座與下面青色基座也施加碰撞約束，銷1與料筒轉(zhuǎn)動軸之間添加固定副約束，而萬向節(jié)與銷1利用固定副來代替碰撞，銷2與動力裝置傳動軸之間添加固定副約束，而萬向節(jié)與銷2利用固定副來代替碰撞。在翻轉(zhuǎn)軸系與紫色可旋轉(zhuǎn)軸承座之間添加旋轉(zhuǎn)副，在翻轉(zhuǎn)軸與吊籃、料筒之間添加萬向節(jié)運動副，在凸輪與振動軸之間也添加萬向節(jié)運動副。進行機構(gòu)運動力學分析需按實際運動工況進行參數(shù)輸入，在動力裝置與凸輪軸之間添加轉(zhuǎn)動驅(qū)動，驅(qū)動輸入?yún)?shù)為216°/s，而翻轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動速度設(shè)為0，第三根軸轉(zhuǎn)動速度也設(shè)為0。設(shè)置運動過程的仿真時間為3.0 s，仿真步數(shù)為200。

3 機構(gòu)剛?cè)狁詈戏治?/h2>

3.1 銷1剛?cè)狁詈戏治?/h3>

對銷1進行剛?cè)狁詈戏抡妫筇幚淼玫狡鋺?yīng)力云圖如圖5所示。從結(jié)果可以看到，銷1的最大應(yīng)力點集中在萬向節(jié)與銷的接觸區(qū)域，上下各一個區(qū)域，分別編號位置為1與2。提取原始結(jié)構(gòu)銷1運動過程中最大應(yīng)力節(jié)點數(shù)據(jù)，可以看到運動過程中的最大應(yīng)力節(jié)點編號為280號節(jié)點(位置1區(qū)域內(nèi))，最大應(yīng)力為600 MPa左右。提取出最大應(yīng)力節(jié)點280處的von_mises等效應(yīng)力隨時間變化曲線如圖5(b)所示?？梢悦黠@看到有4個尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，這是由于凸輪的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的廢包殼翻轉(zhuǎn)裝置振動，且每個周期的最大應(yīng)力時間點發(fā)生在凸輪開始上升的階段。因為此時料筒由于慣性還不能立刻達到與凸輪運動同步，所以存在一定沖擊，最大應(yīng)力為600 MPa左右。隨后過渡到震蕩階段，應(yīng)力值在490 MPa左右波動，凸輪上升階段完成自由下降時刻，銷的應(yīng)力快速降低。提取出銷1與萬向節(jié)在接觸區(qū)域受到的合力隨時間變化曲線如圖5(c)所示。可以明顯看到有4個尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，與應(yīng)力變化規(guī)律相同，最大受力為32 000 N左右。隨后過渡到震蕩階段，受力為26 000 N左右，然后迅速下降。

3.2 銷2剛?cè)狁詈戏治?/h3>

對銷2進行剛?cè)狁詈戏抡妫筇幚淼玫狡鋺?yīng)力云圖如圖6所示。從結(jié)果可以看到，銷2的最大應(yīng)力點集中在萬向節(jié)與銷的接觸區(qū)域，上下各一個區(qū)域，分別編號位置為1與2。提取原始結(jié)構(gòu)銷2運動過程中最大應(yīng)力節(jié)點數(shù)據(jù)，可以看到運動過程中的最大應(yīng)力節(jié)點編號為1588號節(jié)點，最大應(yīng)力為650 MPa左右。提取出最大應(yīng)力節(jié)點1 588處的von_mises等效應(yīng)力隨時間變化曲線如圖6(b)所示。可以明顯看到有4個尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，這是由于凸輪的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的廢包殼翻轉(zhuǎn)裝置振動，且每個周期的最大應(yīng)力時間點發(fā)生在凸輪開始上升的階段，因為此時料筒由于慣性還不能立刻達到與凸輪運動同步，所以存在一定沖擊，最大應(yīng)力為650 MPa左右。隨后過渡到震蕩階段，應(yīng)力值在570 MPa左右波動，凸輪上升階段完成自由下降時刻，銷的應(yīng)力快速降低。提取出銷1與萬向節(jié)在接觸區(qū)域受到的合力隨時間變化曲線如圖6(c)所示?？梢悦黠@看到有4個尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，與應(yīng)力變化規(guī)律相同，最大受力為30 000 N左右。隨后過渡到震蕩階段，受力為27 000 N左右，然后迅速下降。

3.3 翻轉(zhuǎn)軸剛?cè)狁詈戏治?/h3>

對翻轉(zhuǎn)軸進行剛?cè)狁詈戏抡?，為了減少網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量以及計算量，截取階梯軸一部分進行剛?cè)狁詈戏抡妗：筇幚淼玫狡鋺?yīng)力云圖如圖7所示，從結(jié)果可以看到，受翻轉(zhuǎn)軸模態(tài)影響，最大應(yīng)力集中在銷孔與階梯軸截面變化之間的位置。提取原始結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)軸運動過程中最大應(yīng)力節(jié)點數(shù)據(jù)，可以看到運動過程中的最大應(yīng)力節(jié)點編號為641號節(jié)點，最大應(yīng)力為180 MPa左右。提取出翻轉(zhuǎn)軸受到的合力矩與合力隨時間變化曲線分別如圖7(b)所示?？梢悦黠@看到有4個尖峰，周期剛好是360/2/216=0.83 s左右，這是由于凸輪的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的廢包殼翻轉(zhuǎn)裝置振動，最大受力時間點為凸輪剛開始上升的階段，為1 200 N·m左右。圖7(c)為翻轉(zhuǎn)軸受到的合力隨時間的變化曲線，從結(jié)果可以看到，翻轉(zhuǎn)軸在運動過程中受到的力很小，平均值在100 N以下，說明其主要受到扭矩的作用，與事實相符。

3.4 疲勞與強度評估

根據(jù)計算結(jié)果，對上述設(shè)備進行進一步疲勞與強度分析。設(shè)備萬向聯(lián)軸器連接套的內(nèi)徑為40 mm，外徑為60 mm，固定銷為10 mm，而根據(jù)萬向聯(lián)軸器的尺寸參數(shù)可知，連接套內(nèi)徑為32 mm，外徑為60 mm，固定銷為10 mm的萬向聯(lián)軸器承載能力為640 N·m，而內(nèi)徑40 mm外徑75 mm的萬向聯(lián)軸器承載能力為1 280 N·m。因此通過對比可知，設(shè)備中選用的萬向聯(lián)軸器承載能力不能滿足振蕩工況下的扭矩。對于固定銷來說，根據(jù)計算其最大應(yīng)力為650 MPa，固定銷材料為14Cr17Ni2，而根據(jù)陳冠峰等人[10]的研究內(nèi)容可知，14Cr17Ni2的疲勞極限為310 MPa。由于固定銷在整個振蕩過程中的最大應(yīng)力超過了其材料的疲勞極限，因此在運行一段時間以后，固定銷可能會發(fā)生斷裂故障。

4 結(jié)論與建議

本文針對中試廠廢包殼傾倒裝置在運行過程中出現(xiàn)故障以及故障不能及時發(fā)現(xiàn)等問題，采用數(shù)值模擬手段建立了廢包殼傾倒裝置的翻轉(zhuǎn)軸萬向聯(lián)軸器及其固定銷模型，并進行了多體動力學分析和故障原因分析，主要結(jié)論如下：

(1)在凸輪開始上升的階段固定銷與萬向節(jié)接觸區(qū)域存在最大應(yīng)力點，上下各一個區(qū)域，固定銷1的最大應(yīng)力為600 MPa左右，固定銷2最大應(yīng)力為650 MPa左右；

(2)受翻轉(zhuǎn)軸模態(tài)影響，翻轉(zhuǎn)軸最大應(yīng)力集中在銷孔與階梯軸截面變化之間的位置，最大應(yīng)力為180 MPa左右，最大受力時間點為凸輪剛開始上升的階段，而翻轉(zhuǎn)軸在運動過程中受到的力很小，平均值在100 N以下，說明其主要受到扭矩的作用；

(3)通過疲勞與強度分析可知，設(shè)備中選用的萬向聯(lián)軸器承載能力不能滿足振蕩工況下的扭矩，固定銷在整個振蕩過程中的最大應(yīng)力超過了其材料的疲勞極限，在運行過程中可能會導(dǎo)致相關(guān)故障。

根據(jù)力學分析結(jié)果，本文提出如下改進設(shè)計建議：增設(shè)安全保護裝置。在熱室外部，蝸輪蝸桿與翻轉(zhuǎn)軸之間增加一段翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，并通過梅花聯(lián)軸器與穿墻翻轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，梅花聯(lián)軸器與翻轉(zhuǎn)軸通過固定銷聯(lián)接，同時梅花聯(lián)軸器彈性體可起到一定的緩沖減

震作用，從而起到保護熱室內(nèi)零部件的作用；對設(shè)備全工況進行受力分析并借助數(shù)值模擬等分析手段，得到設(shè)備在不同工況下的受力情況，從而根據(jù)全工況下的最大受力情況選擇和校核該設(shè)備的傳動零部件；增加設(shè)備的運行監(jiān)測和觀察手段。提出加設(shè)窺視窗和攝像頭的要求，從而能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測。