羅一峰
(中核二七二鈾業(yè)有限責(zé)任公司,湖南 衡陽 421004)
二氧化鈾是鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)過程中必不可少的原料,二氧化鈾投料是鈾轉(zhuǎn)化安全生產(chǎn)的重要組成部分。鈾純化系統(tǒng)生產(chǎn)的二氧化鈾產(chǎn)品,其包裝容器主要有2種結(jié)構(gòu),其中一種包裝容器的卸料口在容器底部,可以直接拆卸底蓋進(jìn)行投料;另一種包裝容器的卸料口在容器頂部(以下簡稱為上卸料容器)。在鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中,存在使用兩種包裝容器的情況。對(duì)于上卸料容器,由于二氧化鈾粉末粒徑較小,在室溫下可能與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生自燃[1],故不能采用負(fù)壓抽吸轉(zhuǎn)料,須通過翻轉(zhuǎn)進(jìn)行投料。
在制造業(yè)中比較通用的做法是采用鋼絲繩與起重機(jī)配合,通過手動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)投料[2]。在核電高速發(fā)展及自動(dòng)化趨勢不斷增強(qiáng)的情況下,這種手動(dòng)控制投料方式很難適應(yīng)發(fā)展的需要。目前自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置已成為國內(nèi)外制造裝備行業(yè)的一種必不可少的輔助機(jī)械,在汽車、冶金、核電等許多行業(yè)的生產(chǎn)、制造和加工過程都有應(yīng)用[3-7]。因此,有必要設(shè)計(jì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)上卸料容器的高效、安全投料。
目前鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)在接受上卸料容器時(shí),其投料操作流程:1)1人操作行車吊裝上卸料容器至流化床系統(tǒng)投料口;2)1人打開上卸料容器頂部桶蓋,并在投料口安裝橡膠圈(密封處理);3)1人操作行車吊鉤掛取上卸料容器的一側(cè),并扶住上卸料容器對(duì)準(zhǔn)流化床進(jìn)料口,確保翻轉(zhuǎn)過程中上卸料容器不發(fā)生晃動(dòng),操作行車起吊翻轉(zhuǎn)上卸料容器進(jìn)行投料,投料過程中操作人員需時(shí)刻關(guān)注橡膠圈的密封狀態(tài),不定時(shí)地反饋上卸料容器的翻轉(zhuǎn)角度與進(jìn)料速度,以便于精準(zhǔn)操作行車完成投料過程;4)投料完成后,借助鋼絲繩配合行車對(duì)上卸料容器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)復(fù)位,最終完成整個(gè)投料操作。
在上卸料容器投料過程中,上卸料容器重心不斷變化,存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。手動(dòng)控制投料操作存在如下問題:1)在使用行車傾倒投料過程中,桶易出現(xiàn)滑動(dòng),易發(fā)生設(shè)備及人身事故(其中扶住上卸料容器的操作人員安全風(fēng)險(xiǎn)最大);2)橡膠密封圈容易老化失去彈性,無法形成有效密封,投料過程中易出現(xiàn)物料泄漏噴濺的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)操作人員及生產(chǎn)環(huán)境造成傷害;3)在對(duì)接接口處未設(shè)置隔離裝置,在操作過程中遇到生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備故障時(shí),無法及時(shí)停止投料操作,易造成投料口堵塞,形成不可控狀態(tài);4)流化床生產(chǎn)系統(tǒng)的物料進(jìn)料口與上卸料容器的出口存在尺寸偏差,在傾倒投料過程中,由于二氧化鈾物料顆粒小、易揚(yáng)塵的特性,極易引起噴料飄撒,對(duì)廠房環(huán)境、職業(yè)健康安全、核材料回收率都有影響;5)投料過程勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,生產(chǎn)成本較高。
目前,鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線的二氧化鈾物料是由轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)吊裝至投料區(qū),轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)和投料區(qū)高度差約12 m,須使用行車進(jìn)行吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)。投料區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),無法增設(shè)自重太大的大型投料設(shè)備。結(jié)合中核二七二鈾業(yè)有限責(zé)任公司鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)廠房結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際情況,設(shè)計(jì)全新的、適用于上卸料容器的翻轉(zhuǎn)卸料裝置。
上卸料容器的基本特征形狀如圖1所示,側(cè)面呈圓弧狀;容器除上部端蓋外,其中下部均同一尺寸,容器直徑φ670;容器帶料整體質(zhì)量500 kg以上。此模型是在保持上卸料容器的基本特征的前提下做了一定的簡化,既能保證翻轉(zhuǎn)裝置的準(zhǔn)確可靠性,也能簡化設(shè)計(jì)過程。
圖1 上卸料容器
2.1.1 翻轉(zhuǎn)裝置功能要求
翻轉(zhuǎn)卸料裝置的作用是改變傳統(tǒng)的手動(dòng)控制翻轉(zhuǎn)投料,對(duì)上卸料容器進(jìn)行機(jī)械式自動(dòng)翻轉(zhuǎn)180°投料,對(duì)于此翻轉(zhuǎn)裝置的具體要求有:1)翻轉(zhuǎn)裝置為“開放”型,即待翻轉(zhuǎn)的上卸料容器能直接進(jìn)入翻轉(zhuǎn)裝置內(nèi),翻轉(zhuǎn)完成后可直接由行車吊裝運(yùn)離,也就是翻轉(zhuǎn)前后均不需要傳送裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn);2)翻轉(zhuǎn)裝置需增設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)180°,且具有反轉(zhuǎn)的功能,占地面積盡可能小;3)操作簡便,帶自動(dòng)化系統(tǒng);4)具有夾緊裝置和防脫落功能,消除容器翻轉(zhuǎn)操作過程中因本體較重出現(xiàn)滑落;5)解決投料過程中因密封性差造成物料泄漏的問題,并具有控制投料量的功能;6)能準(zhǔn)確有效地對(duì)上卸料容器進(jìn)行自動(dòng)翻轉(zhuǎn),操作過程效率高、安全性能高。
2.1.2 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)概述
設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料裝置如圖2所示。自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料裝置由翻轉(zhuǎn)支架及吊耳、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、夾具及鎖緊裝置、配重塊等構(gòu)成。
1—保險(xiǎn)吊環(huán);2—夾具(開口式抱箍裝置);3—鎖緊裝置;4—?dú)鈩?dòng)馬達(dá)、減速機(jī);5—翻轉(zhuǎn)支架;6—支架吊耳;7—配重塊。
翻轉(zhuǎn)支架及吊耳能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)輸和翻轉(zhuǎn)等功能,結(jié)構(gòu)簡單,為敞開式,便于上卸料容器的對(duì)位安裝。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為傳遞動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)氣壓驅(qū)動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,阻力損失小,動(dòng)作反應(yīng)快,能在高溫下工作,符合鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境條件。開口式抱箍夾具能夠?qū)⑸闲读先萜髌椒€(wěn)固定,結(jié)合鎖緊裝置可以消除其翻轉(zhuǎn)過程中的安全隱患。配重塊能夠消除翻轉(zhuǎn)過程中因重心不穩(wěn)而產(chǎn)生的晃動(dòng)。
針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場空間較小、不便于借助大型設(shè)備輔助投料的情況,要求設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)卸料裝置輕便靈活、結(jié)構(gòu)簡單。因在上卸料容器投料過程中,翻轉(zhuǎn)動(dòng)作為定點(diǎn)旋轉(zhuǎn),要求自由度較少;同時(shí)考慮單桶(含物料)質(zhì)量在500 kg以上,為保證上卸料容器翻轉(zhuǎn)過程中的安全及整體支架的強(qiáng)度,裝置采用龍門框架式支承結(jié)構(gòu),如圖3所示。該支承結(jié)構(gòu)的剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造價(jià)低廉,舉起同等質(zhì)量物體所受應(yīng)力小,能滿足實(shí)際需求。考慮其支架在使用過程中的穩(wěn)定性,底部兩端增加配重塊,保證使用過程中不出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象。
圖3 翻轉(zhuǎn)支架示意圖
要實(shí)現(xiàn)上卸料容器整體自動(dòng)翻轉(zhuǎn),必須保證上卸料容器固定裝置的強(qiáng)度。在制造行業(yè)中,夾具按使用范圍可分為通用夾具和專用夾具,夾具的主要形式有爪式和抱箍式[8]。爪式夾具的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣,能抓取各種尺寸的工件;但因其接觸面小,不能抓取過重的物體,不適用翻轉(zhuǎn)卸料裝置的應(yīng)用。抱箍式夾具使用范圍小,僅能夾取某一特定形狀的物體;但其接觸面大,能抓取重物。
鈾轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中上卸料容器規(guī)格統(tǒng)一,所以選用專用夾具。針對(duì)上卸料容器的外壁均為圓弧狀,且桶的質(zhì)量較大,采用抱箍式夾具。另外,考慮到投料操作屬重復(fù)性操作,為使操作過程簡單方便,夾具(抱箍裝置)形式采用開口式活動(dòng)門,附加機(jī)械式反扣鎖,上卸料容器夾具如圖4所示。
圖4 抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖
抱箍式夾具要使料桶夾緊且不滑落,則它的最大靜摩擦力(f靜)應(yīng)大于料桶的自重(G),即f靜≥G
f靜=μFn≥G。
(1)
正壓力Fn是抱箍對(duì)料筒的夾緊力,夾緊力越大,對(duì)料筒的正壓力就越大。為增加裝置的抗滑落能力,在抱爪內(nèi)表面處附著一層橡膠墊。橡膠與碳鋼的靜摩擦系數(shù)μ為0.6~0.8,取0.6,則使抱箍裝置能夾緊料筒且不發(fā)生滑落的理論壓力Fn=500×9.8/0.6=8 167 N。為方便計(jì)算,取夾具對(duì)料桶的壓力為8 200 N。
工業(yè)上常用的推動(dòng)方式有氣動(dòng)式、液壓傳動(dòng)式和機(jī)械傳動(dòng)式,氣動(dòng)式的氣動(dòng)缸體積較大,本體泄漏點(diǎn)多,維護(hù)維修較復(fù)雜;液壓式的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)穩(wěn)定,傳動(dòng)精度高;但液壓元件造價(jià)高,維修成本高[9]?;诂F(xiàn)場的操作空間及翻轉(zhuǎn)卸料裝置的外觀設(shè)計(jì)要求,不宜考慮氣動(dòng)式和液壓傳動(dòng)式,設(shè)計(jì)采用機(jī)械傳動(dòng)式,該種傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備本體質(zhì)量較輕、維護(hù)保養(yǎng)方便的特點(diǎn)。
翻轉(zhuǎn)卸料裝置機(jī)械傳動(dòng)方式的工作原理如圖5所示。通過氣動(dòng)馬達(dá)(4VA雙向減速氣動(dòng)馬達(dá))帶動(dòng)蝸輪減速機(jī),減速機(jī)依靠齒輪帶動(dòng)聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn),上卸料容器夾具(抱箍裝置)通過聯(lián)軸器的牽引進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)上卸料容器的翻轉(zhuǎn)。
圖5 動(dòng)力推動(dòng)工作原理示意圖
二氧化鈾具有放射性,泄漏至環(huán)境中會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害。另外,流化床生產(chǎn)系統(tǒng)會(huì)因生產(chǎn)條件變化使得系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)不斷變化,為保證其系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定,需對(duì)二氧化鈾進(jìn)料量進(jìn)行控制。
在二氧化鈾投料過程中,投料口與上卸料容器出口有一定的尺寸偏差,原設(shè)計(jì)安裝O形膠圈,依靠上卸料容器自身質(zhì)量對(duì)其進(jìn)行壓縮式密封;但在使用過程中因生產(chǎn)設(shè)備溫度高,造成膠圈老化、彈性降低,連接點(diǎn)無法形成有效密封。
本次設(shè)計(jì)制作了專用桶蓋(異徑接頭),解決投料口與上卸料容器出口的尺寸偏差問題;并在專用桶蓋上增加插板閥,保證投料操作過程中物料的進(jìn)料量處于可控狀態(tài),如圖6所示。為保證對(duì)接接口的密封性,在接口兩端安裝橡膠密封圈,使專用桶蓋接口與投料口完全契合而形成線密封,提高密封效果。
圖6 專用桶蓋示意圖
為實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)卸料裝置自動(dòng)化操作,利用氣動(dòng)馬達(dá)作為主動(dòng)力源,采用馬達(dá)帶動(dòng)蝸輪減速機(jī)(能自鎖)作為翻轉(zhuǎn)動(dòng)力源,通過減速機(jī)帶動(dòng)活動(dòng)抱箍門進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn),完成整個(gè)翻轉(zhuǎn)卸料動(dòng)作。用高壓軟管加控制閥控制進(jìn)氣量,控制閥可對(duì)馬達(dá)進(jìn)行關(guān)停操作;增加三位四通手轉(zhuǎn)閥,翻轉(zhuǎn)投料完成對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位操作。
由于上卸料容器(含物料)直徑φ670,質(zhì)量在500 kg以上,在投料操作中整個(gè)產(chǎn)品桶需要翻轉(zhuǎn)倒料,易出現(xiàn)滑桶、脫落的現(xiàn)象;因此產(chǎn)品桶的抱箍裝置除了設(shè)置用手動(dòng)機(jī)械鎖緊裝置外,加裝1套以鋼鏈條作為保險(xiǎn)吊環(huán)的防止產(chǎn)品桶滑落的保護(hù)裝置,確保安全。
有限元分析技術(shù)計(jì)算精度高,適應(yīng)于各種形狀復(fù)雜的零件,是工程分析的常用手段[10]3,筆者運(yùn)用SolidWorks Simulation對(duì)翻轉(zhuǎn)卸料裝置的關(guān)鍵零部件——抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,結(jié)合靜態(tài)分析的結(jié)果為失效判斷提供參考,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。
打開抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)的三維模型,在SolidWorks Simulation中建立靜態(tài)算例,選擇鎖緊機(jī)構(gòu)材料為普通碳鋼。普通碳鋼的彈性模量為2.1×105N/mm2,泊松比為0.28,屈服強(qiáng)度為220.594 N/mm2,張力強(qiáng)度為399.826 N/mm2。
通過分析抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)的鏈接與運(yùn)動(dòng)原理,可以看出夾具受力的主要部分在鎖緊機(jī)構(gòu)和抱箍部分,桶抱箍和翻轉(zhuǎn)支架及氣缸連桿為轉(zhuǎn)動(dòng)副鏈接。
為了研究抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)在工作時(shí)所受的載荷大小,對(duì)抱箍進(jìn)行受力分析并施加載荷。抱箍對(duì)料筒的壓力約為8 200 N;根據(jù)牛頓第三定律,可得夾具表面所受的壓力也約為8 200 N。夾具內(nèi)表面同時(shí)還受到切線上的摩擦力;但該摩擦力在豎直方向,只對(duì)機(jī)架有影響,對(duì)抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。所以,對(duì)抱箍內(nèi)表面施加8 200 N垂直表面向外的壓力。
在給實(shí)體對(duì)象劃分網(wǎng)格時(shí)不僅要考慮網(wǎng)格數(shù)量、類型、幾何形狀,還需要考慮有限元網(wǎng)格的精度和計(jì)算效率等問題[10]2。根據(jù)實(shí)際,將本算例的網(wǎng)格單元大小設(shè)置為15 mm,公差為0.75 mm,雅可比為4,其他參數(shù)選擇默認(rèn)值,抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖7所示。
圖7 抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖
抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析如圖8所示,位移如圖9所示??梢钥闯觯虞d應(yīng)力后抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為78.04 N/mm2,最大位移為0.687 mm。最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度(220.594 N/mm2),滿足實(shí)際使用要求。
圖8 抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析圖
圖9 抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)位移圖
設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)卸料裝置已經(jīng)在現(xiàn)有鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線上得以應(yīng)用。該翻轉(zhuǎn)卸料裝置操作只需2人配合即可完成整個(gè)投料動(dòng)作,1人拆除容器端蓋并安裝專用桶蓋;另1人操作行車吊取翻轉(zhuǎn)裝置,使其與上卸料容器進(jìn)行對(duì)位,并安裝鎖緊裝置、防脫落裝置。行車操作人員將上卸料容器吊裝至流化床生產(chǎn)系統(tǒng)投料口后,打開氣動(dòng)控制閥門使翻轉(zhuǎn)裝置自動(dòng)翻轉(zhuǎn)180°;并操作行車吊取翻轉(zhuǎn)裝置對(duì)準(zhǔn)對(duì)接接口,打開插板閥進(jìn)行投料。待投料完成后,操作翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行反轉(zhuǎn)復(fù)位,拆除專用桶蓋,容器端蓋進(jìn)行復(fù)位,完成整個(gè)投料操作。
該翻轉(zhuǎn)裝置安全有效地完成1 000余桶物料的投料工作,相比手動(dòng)控制翻轉(zhuǎn)投方式,避免了翻轉(zhuǎn)過程中人員近距離接觸容器,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作,提高了操作安全性;同時(shí)翻轉(zhuǎn)卸料裝置更快捷、方便。2種翻轉(zhuǎn)方式操作時(shí)間和操作人員安全性對(duì)比見表1、表2。
表1 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料裝置投料
表2 手動(dòng)控制翻轉(zhuǎn)投料
手動(dòng)控制翻轉(zhuǎn)投料操作復(fù)雜,操作過程中需3人協(xié)調(diào)配合,才能完成投料操作,投料操作時(shí)間20~25 min;而且在投料過程中大量物料粉塵會(huì)隨排空氣體噴灑到設(shè)備、管道及廠房等部位,每次至少需要20~30 min進(jìn)行物料收集。使用翻轉(zhuǎn)卸料裝置后,只需2人操作,投料操作時(shí)間僅為15 min。
4.2.1 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件磨損
在使用過程中,該裝置翻轉(zhuǎn)支架兩端的軸承會(huì)因一些外部因素導(dǎo)致出現(xiàn)磨損。檢修安裝時(shí),檢修人員操作不當(dāng),會(huì)造成軸承游隙過大或過小,內(nèi)外圈不同心,致使該裝置在使用中出現(xiàn)故障。另外,軸承潤滑不良、軸承污染、軸承疲勞等問題都會(huì)造成軸承損壞。對(duì)此要求檢修人員按檢修規(guī)程認(rèn)真檢修安裝,定期對(duì)軸承進(jìn)行潤滑或定期更換軸承。
4.2.2 鎖緊裝置拉手強(qiáng)度
翻轉(zhuǎn)卸料裝置與上卸料容器對(duì)位后,抱箍鎖緊裝置安裝位置在桶450 mm高度;但其鎖緊裝置的安裝會(huì)因現(xiàn)場操作人員的變化而影響其安裝位置尺寸,造成鎖緊裝置需要操作的力度不同,致使拉手材質(zhì)強(qiáng)度不夠出現(xiàn)斷裂的情況。為解決這一情況,需增加拉手加工尺寸,確保其鎖緊裝置拉手強(qiáng)度。
設(shè)計(jì)的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料裝置利用氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)蝸輪減速機(jī)(能自鎖)作為翻轉(zhuǎn)動(dòng)力源,抱箍式鎖緊機(jī)構(gòu)作為夾具,配合翻轉(zhuǎn)支架、控制系統(tǒng)等其他部件,實(shí)現(xiàn)了二氧化鈾卸料過程的自動(dòng)化。設(shè)計(jì)的專用桶蓋能確保投料過程中物料無泄漏,桶蓋上的插板閥能夠控制二氧化鈾投料量。
該裝置在鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用表明,操作過程運(yùn)行穩(wěn)定,能夠安全可靠地完成投料動(dòng)作,明顯降低了二氧化鈾投料操作難度及勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了操作過程的安全風(fēng)險(xiǎn),提高了現(xiàn)場設(shè)備安全管理水平,能滿足鈾轉(zhuǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)“上卸料容器”的投料需求,能夠滿足生產(chǎn)及職業(yè)安全職業(yè)衛(wèi)生的需求。