李平原

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

秦山核電70 萬生產(chǎn)單元是引進加拿大的重水堆，稱為CANDU 型重水堆。這種反應堆使用重水作為慢化劑和冷卻劑，特點是不停堆換料，裝卸料機推桿是完成換料的關鍵設備[1]。推桿組件主要包括B 桿、L 桿和C 桿。B 桿和L 桿的液壓馬達將運動傳遞給減速齒輪箱，經(jīng)減速齒輪箱傳遞給滾珠絲桿副，將旋轉運動變?yōu)橹本€運動，從而驅動B 桿和L 桿相互配合完成換料任務（圖1）。這就要求滾珠螺母絲桿副具有較高的定位精度和良好的動態(tài)響應。

圖1 裝卸料機推桿驅動原理

2 號推桿解體檢修時發(fā)現(xiàn)一個滾珠絲桿副內(nèi)墊珠損傷過半且部分被擠成啞鈴形。若墊珠磨損消失，會導致鋼珠直接接觸、磨損，發(fā)生傳動故障，甚至造成推桿功能失效，影響正常換料甚至導致反應堆停堆。因此需要分析墊珠損傷機理及對設備可靠性的影響。

1 推桿滾珠絲桿副運行原理

滾珠絲桿組件主要由絲桿、滾珠螺母、滾珠（包括鋼珠和墊珠）、擋塊及返回管組成，如圖2 所示。絲桿滾道與螺母滾道內(nèi)的鋼珠作為運動以及動力的傳動載體，靠擋塊從滾珠螺母滾道進入返回管，通過返回管使鋼珠完成在閉合回路中的循環(huán)運動，把絲桿的旋轉運動轉換為直線運動。為避免兩鋼珠直接接觸、磨損，在鋼珠間設計增加了一個塑料墊珠。

2 滾珠絲桿副檢修歷史

圖2 推桿滾珠絲桿副機械結構

2 號推桿上次檢修完成、試驗合格，于2017 年8 月服役，服役期間各項參數(shù)正常，未出現(xiàn)額外超載操作，更換825 個通道后，于2018 年9 月退役。2 號推桿最近幾次檢修歷史:2013 年11 月，推桿檢修時，發(fā)現(xiàn)B 上和B 下滾珠螺母滾道異常磨損，更換新備件。2014 年12 月，2016 年12 月，推桿檢修時，根據(jù)維修規(guī)程要求，檢查B 上和B 下滾珠螺母滾道狀態(tài)、導程差均滿足要求，未做更換。各次檢修過程測得導程差見表1，其中，導程差是滾珠螺母對絲桿軸向竄動量，取絲桿前端1 m、中間、距離后端1 m 處測量。

表1 滾珠螺母歷史檢修導程差測量記錄

3 滾珠絲桿副墊珠損傷原因分析及處理

絲桿和滾珠螺母材料均為17-4PH 馬氏體沉淀硬化不銹鋼（硬度范圍HRC40～47），鋼珠材料為鈷基合金（硬度范圍HRC56～63），墊珠材料是工程塑料化合物（材料TORLON）。鋼珠直徑6.35 mm，墊珠直徑6.30 mm，因此在運動中鋼珠與螺母、絲桿滾道之間接觸，墊珠在兩個鋼珠之間滾動。若墊珠產(chǎn)生磨損，對滾珠螺母組件的運動及導程差不會產(chǎn)生影響。本次磨損量稍微偏大，但仍屬正常，不影響墊珠的功能及推桿整體性能。

3.1 回流管、擋塊磨損

現(xiàn)場檢查回流管下方與滾珠螺母接觸的部分，沒有發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，也沒有臺階，說明滾珠在回流管與滾珠螺母之間滾動時較為順暢，未發(fā)生異常碰撞。

根據(jù)維修規(guī)程檢查原B 上（絲桿副）擋塊，未發(fā)現(xiàn)磨痕寬度超過1.02 mm 和深度超過0.10 mm 等異常；拋光、研磨后測量尺寸均符合尺寸要求，現(xiàn)場檢查滾珠螺母與擋塊接觸處未見明顯磨損，說明滾珠在擋塊與滾珠螺母之間切換時沒有問題。

3.2 滾珠螺母的磨損

滾珠絲杠副在設計工況下，接觸角在45°位置。實際上，更換下的滾珠螺母滾道表面損傷最嚴重處并非45°處，而是在20°～30°處。接觸角位置改變，滾道倒角消失以及滾道邊緣高的凸起（翻邊），表明滾珠螺母滾道表面在受到滾珠接觸壓應力的長期不斷反復作用下，造成表面嚴重形變和損傷。但由于該區(qū)域深度和范圍較小，未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹坑等表面損傷缺陷。

利用金相顯微鏡和掃描電鏡對滾道截面進行微觀分析，如圖3 所示。滾道受力面不僅倒角已經(jīng)消失，而且已產(chǎn)生明顯的凸起（位置1），該凸起高出表面130 μm，凸起內(nèi)存在明顯的金屬形變產(chǎn)生的流線。位置2 發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋起源于表面，與表面約呈20°，長約140 μm，深約30 μm，經(jīng)侵蝕后表面發(fā)黑，這是表面經(jīng)擠壓變形后耐蝕性降低的表現(xiàn)。

放大4000 倍觀察表明，該黑色區(qū)域為金屬形變流線，裂紋走向與流線方向平行，且存在明顯蝕坑。在位置3 處，也發(fā)現(xiàn)有表面金屬擠壓流變痕跡，但該區(qū)域深度和范圍較小，未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹坑等表面損傷缺陷。

圖3 滾道截面金相圖

正常情況下，在滾珠螺母螺旋滾道內(nèi)的滾珠運動狀態(tài)是滾動的，同時受到外載荷力作用。但是，滾珠螺母滾道磨損、變形，會造成鋼珠、墊珠滾動不暢，在滾道內(nèi)滑動、拖動，兩側鋼珠的推擠會導致墊珠變形，進而形成啞鈴形磨損。

4 結語

根據(jù)預防性大綱要求，滾珠螺母檢修策略是每次解體檢修對滾道表面進行拋光處理，更換墊珠、鋼珠和不滿足要求的擋塊。重新組裝后測量導程差在要求范圍內(nèi)則繼續(xù)使用，否則進行更換。

滾珠螺母的更換標準是根據(jù)運行記錄、檢修歷史，結合滾珠絲桿、滾珠螺母組件導程差綜合考慮。另外，滾珠螺母磨損是漸變過程，不可能突然加大，僅影響推桿的傳動精度，不會導致嚴重后果。目前的維修策略即能滿足運行要求，不需要采取定期更換的方式。