核電站核島換料機夾爪氣動系統的設計

劉 俊， 傅 波， 帥劍云

（1.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中科華核電技術研究院，廣東 深圳 518124）

1 引 言

氣壓伺服控制技術是以氣體為工作介質，實現能量傳遞、轉換、分配及控制的一門技術。氣動技術與其他的傳動和控制技術相比較，具有其獨特的優勢：氣動裝置結構簡單、輕便、安裝維護簡單；工作介質是取之不盡、用之不竭的空氣，具有防燃、防爆、防電磁干擾等一系列的優點；排氣處理簡單，不污染環境，成本低；輸出力與工作速度的容易調節，可靠性高，使用壽命長；可實現緩沖，對沖擊負載和過負載有較強的適應能力。正是基于以上優點，氣動技術在核電領域擔當著重要的角色。換料機夾爪是核電站核燃料在裝卸料時的直接跟核燃料棒接觸的核心執行機構，它能否按預定設計順利打開和收緊關系到換料工作是否能順利完成，甚至會引發核安全的問題。目前所有二代及二代半核電技術換料機均采用氣動系統來驅動夾爪的工作[1-4]，因此設計出一個功能完備、安全性良好的氣動系統意義重大。

2 氣動控制元件

（1）電磁換向閥。方案選用諾冠SXE系列二位五通先導式電磁閥，該種電磁閥采用帶特殊涂層的硬密封閥芯閥套，可無故障長壽命工作，ISO#1 and#2上集成流量調節器，低功耗標準線圈和手控方式，有多種底板和附件可選。使用壓力范圍0～16MPa，環境和介質溫度為15℃～50℃，響應時間為20ms。

（2）減壓閥。由于換料機氣動系統所使用的氣源是核島所有其他氣動裝置共用的氣源，壓力遠遠超出系統所需壓力，因此必須使用減壓閥減壓并保持壓力穩定。

方案采用諾冠減壓閥R72G-2GK-RMG+74316-50，輸入壓力為0～3MPa，調整范圍為0.1～2 MPa，安裝方式為底板式，輸出壓力由壓力表顯示，適用溫度-15℃～+80°C。連接尺寸為G1/4in，標準額定流量為2000L/min。

3 氣缸的設計

根據夾爪順利張開和收縮驅動桿所需行程和推力要求，方案選擇諾冠公司生產的RM系列氣缸，型號為RM/55464/JM/75。該型氣缸能使夾爪驅動桿順利到達工作所需要的兩個位置，活塞桿行程為75mm。

3.1 氣缸的輸出力

根據核島氣路系統的壓力情況，氣缸的工作壓力設定為0.8MPa，缸徑為63mm，活塞桿直徑為18mm，由此可以計算出氣缸的理論推力：

考慮到氣缸的效率，則實際的輸出推力為：

式中：D——缸徑（m）；

P——氣缸的工作壓力（Pa）；

η——氣缸的效率，η的取值范圍為0.7～0.9，上

式中η的取值為0.8。

3.2 活塞桿的穩定性校核

因為氣缸活塞桿是驅動夾爪抓取核燃料棒驅動執行部分最為脆弱的部分，為了防止在換料工作過程中出現意外事故，必須驗證驅動裝置的可靠性，即氣缸活塞桿的的穩定性[5]?；钊麠U穩定性驗算條件：

式中：F——活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；

Fk——縱向彎曲極限推力（N）；

nk——穩定性安全系數，一般取1.5～4。

縱向彎曲極限推力不僅與活塞桿的材料、直徑、安裝長度有關，而且還與氣缸的安裝支撐方式的末端因數有關，見表1。

表1 末端因數

那么，縱向彎曲極限推力Fk可以根據戈登-蘭肯式求得[6]：

式中：f——材料的抗壓強度，鋼材f=480（MPa）；

A——活塞桿橫截面積；

a——實驗常數，鋼材a=1/5000；

m——末端系數；

k=d/4=4.5（mm）；

L——活塞桿的計算長度（m）。

對于方案中采用的氣缸，其安裝方式為固定-自由，m的取值為0.25?；钊麠U的計算長度L為140mm，活塞桿橫截面回轉半徑k=d/4=4.5mm。代入式（4）可得活塞桿縱向彎曲極限力：

根據核級設備安全規定，取穩定性安全系數nk為 4，則：

由于在實際使用中活塞桿的最大軸向壓力F=1.79kN＜4.84kN，所以方案中選用的活塞桿的強度是滿足設計要求的。

4 空氣凈化處理裝置

4.1 壓縮空氣質量要求

不同的場合，不同的設備對壓縮空氣的質量要求也不相同。低劣的空氣質量不僅會影響到設備的使用壽命，更嚴重的則可能帶來很多安全事故，使預定功能無法完成。我國采用的ISO 8573即國家標準GB/T 13277－91（見表2），為各種場合壓縮空氣質量提供了選擇的依據。根據該標準推薦的核級設備壓縮空氣標準，該氣動系統的壓縮空氣品質要求為2-3-2。即固體粒子等級2，含水量等級3，含油量等級2。

表2 空氣質量標準

4.2 空氣凈化處理

空壓機排出的壓縮空氣是不干凈的，除了含有水（包括水蒸氣、凝結水）和懸浮物外，還有油（包括油霧、油蒸氣）。這些污染物對提高生產效率、降低運行成本、提高產品質量是不利的，因此就需要進行干燥凈化處理[7]。選用合適的氣源處理系統及其元件是非常重要的，其空氣壓縮系統如圖1所示。

圖1 空氣壓縮系統圖

（1）空氣過濾器。從空壓機輸出的壓縮空氣中含有大量有害雜質，會對氣源系統造成很大的危害，其中危害最大的是油。變質的潤滑油（油分）會使橡膠、塑料、密封材料變質，堵塞小孔，造成閥類動作失靈，污染產品。水分和粉塵會造成金屬器件、管道生銹腐蝕，造成運動部件卡死或磨損，使氣動元件動作失靈和漏氣，水分和塵土還會堵塞節流小孔或過濾網。分水過濾器、減壓閥和油霧器的三聯件是氣動系統中不可或缺的輔助裝置。

（2）油霧器。可分離掉主管路過濾器和空氣過濾器難以分離掉的0.3～5 μm氣狀溶膠油粒子及大于0.3 μm的銹末、炭粒。安裝在電磁先導閥及間隙密封滑閥的氣源上。

5 氣動系統圖及工程安裝示意圖

根據設計所選氣動元件，核島換料機的氣動系統圖見圖2。

圖2中，1為空氣壓縮系統，為整個氣動系統提供氣源；壓縮空氣經過油霧器2、空氣過濾器3凈化之后，空氣質量達到預定要求。之后空氣經減壓閥4減壓后輸送給電磁控制閥的空氣壓力穩定在0.8 MPa左右。系統通過控制程序控制電磁閥的切換程序從而控制氣缸7的工作情況，實現整個換料機夾爪夾取和釋放核燃料棒的工作。工程安裝示意圖見圖3[8]。

圖3 工程安裝示意圖

6 結束語

（1）根據核電供氣空氣質量要求和該系統具體使用需要，選定了氣動回路所需油霧器、空氣過濾器、減壓閥以及電磁閥等元器件的型號，并繪制了氣動系統圖。

（2）設計計算了氣缸的缸徑、行程、供氣壓力和氣缸的輸出推力。根據換料機夾爪工作時驅動桿位置的要求，選取了諾冠公司生產的RM系列氣缸，型號為RM/55464/JM/75，滿足使用要求。

（3）用戈登-蘭肯公式對核心的執行器——氣缸進行了穩定性校核，確保系統功能的穩定性，消除了潛在的安全隱患。

圖2 氣動系統圖

[1]徐炳輝.氣動手冊[M].上海：上?？茖W技術出版社，2005.

[2]SMC中國有限公司.現代實用氣動技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]陳濟東.大亞灣核電站系統及運行[M].北京：原子能出版社，1994.

[4]蘇林森，楊 輝.900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2004.

[5]劉繼國，孫德剛.100MW高溫氣冷實驗堆燃料元件裝卸系統設計[J].高技術通訊，1996，6（5）：51-55.

[6]陸鑫盛，周 洪.啟動自動化系統的優化設計[M].上海：上海科學技術交獻出版社，2000.

[7]路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[8]尹佳林.換料機操作[M].GNPS維修操作，2007.