半自动芯块装管装置总结性分析及改进方案
半自动芯块装管装置总结性分析及改进方案
顾玉娜，翟家海
摘要：文章首先对目前国内核燃料元件厂所采用的半自动倾斜式芯块装管装置进行了总结性分析，然后结合已经了解到的国外全自动芯块装管装置的结构形式和技术要求，论述了国内半自动装管装置的不足。基于国内现行的UO2芯块制造方式及质量，提出了下一步的改进方案，力求使设备的自动化程度更高，满足我国今后相当长的时期内核燃料元件制造的要求。
关键词：芯块装管装置 结构特点 技术改进
1 引言
随着科技的进步和我国经济的发展，国家做出了积极发展核电的战略决策，这意味着近期核燃料元件的需求量将有较快地增长。为确保向核电站保质保量、按期供货，核燃料元件生产能力的扩大和技术水平的提高是很迫切的。
芯块装管装置是将合格的UO2芯块填装进空包壳管内的设备，是核燃料元件生产过程中的关键工序之一。目前国内采用的半自动倾斜式芯块装管装置经过几次技术改进，已经能很好的满足当前燃料元件生产的需要，但还存在着工人劳动强度大、生产效率低、辐射剂量较大等问题，无法满足未来核电对燃料元件的需求。本文将对目前国内采用的半自动芯块装管装置进行总结性分析，在此基础上提出技术改进方案，以提高生产效率、减轻劳动强度，顺应国家核电发展的大趋势。
2半自动倾斜式装管装置
2.1 结构特点及功能
半自动倾斜式芯块装管装置结构如图1所示，本装置主要由装料台、装管机(含预装组件、床身、上下料步进装置、进退组件等)、上下料架以及配套的电控系统等组成，其主要设备是一台可以控制包壳管倾斜角的非标准异形蜗轮蜗杆翻转工作台。大致的操作流程为：包壳管固定在平台台面上，装入芯块的包壳管开口端设置有带喇叭口过规，芯块通过过规导入包壳管，超差或因其他原因无法通过过规的芯块进入包壳管之前被剔除，下部装有负压抽气装置，芯块碎屑和粉尘被气流抽走。对于较长的燃料棒，可以实施分段操作：先将包壳管固定在平台上呈水平状态，推入第一段芯块，启动翻转工作台使平台倾斜成45℃，芯块靠自重和电磁激振力下滑到达包壳管底部，工作台台面再次恢复水平状态，接着再推入第二段芯块，如此反复操作，直至到达规定的芯块柱长度。
芯块装管装置每次装管数量为25根，按其功能，本装置可分为芯块预装工位、包壳管上料工位、芯块装管工位、燃料棒下料工位。经过多次改进的半自动芯块装管装置，具备了包壳管自动上料、燃料棒自动下料以及依靠芯块自重和电磁激振力使其自动下滑到达包壳管底部的功能，在一定程度上提高了设备的自动化程度。
2.1.1 装料台
装料台是为完成UO2芯块从V形料盘向装管机预装组件过渡而设置，属芯块预装工位，其主要由滚动直线导套副、料盘定位条、台板、定位手柄、型材支架组成，与前几代芯块装管机的装料台基本相同，需要人工将芯块通过装料台拨送至装管机前端的预装组件。
图1 芯块装管装置简图
2.1.2 装管机
装管机采用翻转倾斜式主体结构，其翻转角度在0～50°范围内可调，可根据不同产品对装管工艺的要求，选择合适的翻转倾斜角度。适度增加翻转倾斜的角度，不但可增大管内芯块的下落势能，亦可避免由于管内芯块柱的径向错位而影响管内气体的排出。
为保证装入包壳管的UO2芯块顺利滑向包壳管下端塞端，需要克服芯块与包壳管壁的摩擦力、芯块粉尘/碎屑存在的与管壁“楔”卡现象以及管内气阻等，除充分利用芯块的重力势能，在621工程芯块装管装置设计中，特在装管机前端底部增设电磁振动器。该振动器工作方式为冲击式，可根据工艺要求手工调整振动器的振幅。
2.1.2.1 预装组件
预装组件设置在装管机前部，其功能是对合格的UO2芯块在装管前进行预装和排长。预装组件主要由预装板、更生板、接口板和导向孔等零件组成，在预装板V形槽下部开有排屑孔，以便将芯块装管前落下的微量粉尘或碎屑通过排屑孔由排风系统及时带走。继上一步人工将芯块拨送至预装组件后，仍需人工在此对预装芯块进行排长。
图2 预装组件简图
2.1.2.2进退组件
进退组件设置在装管机后部，其功能是将包壳管推入预装组件接口板的导向孔中，属包壳管上料工位，它主要由基板、带V形槽随动板、左/右压板、左/右压紧气缸、进退气缸、滚动直线导轨副等组成，其示意图如图3所示。根据不同产品装管工艺的需要，其可安置在装管机上的不同位置。
图3 进推组件简图
进退组件采用气缸顶压式结构，采用分别带有12条/13条V形槽的压板，V形槽内粘贴软质材料，V形槽尺寸根据包壳管的外形尺寸确定；动作执行采用FOSTO紧凑型短行程气缸，进退料机构采用滚动直线导轨副，彻底消除了前几代装管装置存在的进退料有时不到位现象。为适应包壳管长度方向的公差，进退组件特设置了压簧顶杆机构，有效避免了进退气缸直接施加作用力过程中，由于气缸作用力不易调定，各包壳管存在长度差而受力不一致造成的包壳管弓曲乃至崩出接口板的事故。
2.1.2.3包壳管上下料装置
包壳管上下料装置仍采用前几代装管装置的步进式基本主体结构，其工作原理为电机直联减速机驱动偏心轮、偏心轮带动V型槽步进横杆进行上→左→下→右的往复运动，从而同时完成包壳管/燃料棒的上料/下料动作，如图4所示。
图4 上下料步进装置简图
2.1.3上下料架
上/下料架主要由导轨、可调节支架、铝合金型材支架等组成。采用铝合金型材来组装的支架部分，既减少机加、焊接、热处理部分工作量，同时设备造型美观、实用。
2.1.4电控系统
半自动芯块装管装置电控系统以PLC为核心，采集设备状态信息和控制柜操作面板的操作指令，实现设备的半自动/手动控制。
2.2半自动装管装置的不足
目前国内采用的半自动装管装置，实现了空包壳管自动上料、装入芯块的燃料单棒自动下料等功能，然而其他大部分工位仍依靠人工操作。虽然半自动装管装置已能满足当前核燃料元件生产的需要，但也存在着以下不足：这种人工敞开式操作为主、半自动操作为辅的设备运转模式，生产效率与生产质量很大程度上取决于操作人员的素质、责任心等人为因素，质量一致性得不到有效保证，并且不利于减少物料损耗和减轻劳动强度。另外，岗位工人手动将芯块柱推入包壳管内，虽然在装管台下有负压抽吸装置，但仍然会有粉尘扩散出来，增加了工人被污染的几率，不利于辐射剂量防护。
3.技术改进方案
目前国内采用的半自动倾斜式芯块装管装置已具备了空包壳管自动上料、装入芯块的燃料棒自动下料的功能，但仍需要人工将待装芯块从不锈钢V型槽料盘上推入预装组件接口板上进行排列并测定长后，再由人工将芯块平推到空包壳管内。这种工作方式，不但生产效率较低，而且工人的辐射剂量和劳动强度也较大，已不能适应我国核电今后的趋势。因此，从生产效率匹配、减轻劳动强度、利于辐射保护等多个方面考虑，需要从芯块排长、排序以及芯块推料方面对目前的装置进行改进，以满足核燃料元件可靠、连续、自动化生产的要求。
基于现有的半自动芯块装管装置，我们进行了优化设计，主要增加了带料盘存储功能的芯块自动排长、排序装置并对自动装管装置部件进行了改进。初步拟定总体构成方案如图6所示。具体分析如下：
图6 全自动芯块装管装置总体构成方案示意图
3.1带料盘存储功能的芯块自动排长、排序装置
芯块自动排长、排序装置用于将盛装在不锈钢V型槽料盘中的芯块转运至自动装管装置部件的预装区域。该装置主要由料盘暂存部件、料盘纵向移动部件、料盘推齐及推料部件等组成。
料盘暂存部件由两组垂直安装、相互平行的不锈钢滚子链组成，滚子链安装链条附件用于搁置料盘，共可以搁置8个不锈钢料盘。两组不锈钢滚子链共用同一个由变频电机+减速机构成的驱动装置，以保证两组链条运转的同步性，且速度可调以满足生产节拍匹配的需要；料盘纵向移动部件由支架、两条平行布置的同步带及驱动装置构成，同样由变频电机+减速机构成的驱动装置驱动；料盘推齐及推料部件由齿形带驱动轴、下压气缸等组成，齿形带驱动轴集成了直线导轨、线性驱动单元、连接附件等，具备正、反转运转速度高，连接附件容易等特性。
正常工作时，首先由人工将8个料盘按次序摆满料盘暂存部件，开机后，两组不锈钢滚子链按设定的速度将料盘垂直提起，运送至料盘纵向移动部件上端；为保证平稳无冲击，在到位前设置减速光电开关。料盘纵向移动部件高速将料盘纵向转运至芯块自动装管装置预装部位对应位置（即与预装部位V型槽一一对应位置），料盘与预装部位间距控制在5mm左右，为保证料盘到位位置准确，特设置到位气缸，用于阻挡料盘过位；料盘推齐及推料部件中下压气缸动作，将作用杆端下移约5mm，保证杆端作用于料盘侧端面上，齿形带驱动轴动作，将料盘向预装位置移动5mm左右，保证料盘与预装部位紧密接触，且二者的高度差控制在1.5mm左右；而后下压气缸抬起到位，保证此时杆端作用于芯块端面上，齿形带驱动轴动作，移动600mm左右（该距离可调），将料盘中的芯块转运到芯块自动装管装置预装部位的对应V型槽中，即完成一次芯块自动转运。
相比较之前的装管装置，在芯块自动排长、排序装置部件上设置了料盘存储功能，该功能可沿垂直高度一次装入8个料盘，以利于发挥全自动装备的效能，减少人工依次置放料盘可能造成的设备暂停现象。
3.2自动装管装置
自动装管装置部件主要由前端预装组件、推料部件、接口部件、床身、电磁振动器等组成，其中床身要容纳自动上下料装置。该装置作为全自动芯块装管装置的核心部件，其主要取决于接口关系的正确与否、推料部件的可靠性与工作效率。
预装组件和接口部件共同设置在自动装管装置床身前端部位，其功能是对芯块自动排长、排序装置转运过来的UO2芯块在装管前进行预装和排长。
推料部件主要由高速齿形带驱动轴、长推杆（25根）、气缸驱动压板、安全保护装置等组成，如图7所示。
图7 推料部件构成简图
在平推芯块进入包壳管的过程中，要求推入动作平稳，速度较慢且稳定，防止推入过快造成包壳管内空气来不及排出而被压缩形成的强大气阻，回程速度要快，以最大程度的提高生产效率，方便各部动作节拍匹配。在长推杆稳定推进的过程中，随着推入距离的增加，长推杆会逐渐处于失稳状态，为避免该现象的发生，特在预装组件与接口部件位置设置气缸驱动压板，在长推杆失稳之前下压到位，一则防止长推杆的失稳，二则可与预装组件形成相对密闭的空间，以利于微量粉尘或碎屑的排除。由于国内核燃料元件制造厂磨削后的芯块，公差控制在上偏差，造成芯块与包壳管内壁的径向间隙很小，即使是在手动操作状态下，也经常出现卡滞现象，该情况如果得不到及时有效处理可能会损坏推料装置。为避免在全自动状态下出现该情，特在推料装置末端设置安全保护装置；若长推杆未能推动芯块前行，则后端设置的弹簧将被微量压缩，进而触发光电开关报警，提醒操作人员及时处理个别芯块的超差。在向前推动芯块的过程中，芯块受到的推力一直是压簧经由长推杆施加的弹力，而非高速齿形带驱动轴带动长推杆直接施加的作用力。安全保护装置如图8所示。
采用带柔型缓冲机构的推杆推料和电磁激振力相结合的方式实现装管，很大程度上可克服卡滞现象造成的无法顺利装管现象，同时也有利于包壳管内气阻的顺利排出，客观上有利于装管的实施。为保证设备的安全连续运行，在推料机构上还设置安全保护措施，安全性能更高。
图8 安全保护装置图
相对于其他动作执行机构而言，齿形带驱动轴集成了直线导轨、线性驱动单元、连接附件等，具有易于安装、易于连接、易于调整、冲击小、运动惯量小的优点，可分段以不同的速度驱动，有利于各步运动节拍的匹配。同时采用该种执行机构，可是视情方便地添加扭力限制器等功能单元。
3.3 自动装管装置的优势
改进后的芯块装管装置，具备了料盘存储功能、芯块自动排长排序功能、自动装管功能（振动+柔性推杆装入）、自动上下料功能，一次可实现25根空包壳管的芯块自动填装功能，并且具有良好的节拍匹配能力和自动化稳定运行能力，大幅度提高了装备的自动化水平，可有效提高装管效率，解决单棒生产过程中的瓶颈问题。
4 结论
本文首先对国内正在使用的半自动倾斜式芯块装管装置进行了总结性分析，然后结合已经了解到的国外全自动芯块装管装置的结构形式和技术要求，论述了国内半自动装管装置的优缺点，基于国内现行的UO2芯块生产制造方式及质量，提出了一些改进方案，力求使设备的自动化程度更高，满足我国今后相当长的时期内核燃料元件制造的要求。
参考文献
[1] 成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社.2000
[2] 余梦生.机械零部件手册.北京：机械工业出版社.1996
