核電站人橋吊車提升機構的可靠性分析

唐洪麗

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

核電站人橋吊車提升機構的可靠性分析

唐洪麗

上海第一機床廠有限公司 上海 201308

人橋吊車是核電站中燃料搬運的關鍵設備，提升機構作為人橋吊車的重要執行機構，直接關系到吊運核燃料的安全性。對人橋吊車提升機構的可靠性進行了分析，指出系統中的關鍵部件,為提升機構設計方案的確定提供依據。

核電站； 人橋吊車； 提升機構； 可靠性； 分析

人橋吊車是核電站燃料廠房內的主要燃料輸送設備之一，安裝在乏燃料水池上方大約30m的軌道上。目前我國大部分在役堆型為壓水堆，所使用的人橋吊車類似于橋式吊車，用于在燃料廠房中沿X、Y、Z三個方向水下操作燃料組件和相關組件及吊運工具等。

在人橋吊車的小車上裝有提升機構，在主梁下方有一個懸掛走臺。因設備吊運新燃料及乏燃料[1]，如果一旦提升機構出現故障，就可能會導致載荷掉落，嚴重時會導致燃料殼破損或放射性物質泄漏[1]等安全事故，對人員安全、設備安全及環境造成災害性影響，因此需要在設計階段對提升機構系統的可靠性進行分析。

筆者以獨立失效系統可靠性為模型，采用邏輯關系圖來表明提升機構中各元件或子系統中各元件的功能關系，指出實現提升機構或子系統正常功能的關鍵部件，為人橋吊車提升機構的設計提供依據，供同行參考。

1 獨立失效系統可靠性模型

獨立失效系統是由零部件構成的一個統一整體，其可靠性不僅與組成的各單元可靠性有關，還取決于單元的組合方式，以及可能失效的單元之間的相互聯系。如果系統中各零件的失效為相互獨立事件，則系統屬于獨立失效系統[2-3]。在可靠性工程中，常用邏輯圖來表示系統各單元之間的功能關系，可分為串聯系統、并聯系統和混聯系統等。

1.1 串聯系統

設系統由n個零部件組成，若其中任意1個零部件發生故障，則系統出現故障，因此只有全部零部件都正常時系統才正常工作，這樣的系統稱為串聯系統。

串聯系統可靠性框圖如圖1所示。串聯系統若要可靠地運行，就必須要求每個元件的失效時間都大于系統規定的失效時間[4]。

圖1 串聯系統可靠性框圖

串聯系統的可靠度計算可表示為[2，4]：

RS=P(A1∩A2∩…∩An)

(1)

式中：Ai為系統中第i個元件功能正常的事件，i=1,2…n；Ri為系統中第i個元件的可靠度；n為系統中的元件總數；P代表概率。

系統的可靠度RS與元件的數量n及元件可靠度Ri有關，元件可靠度低，或元件數量增加，則串聯系統的可靠度將迅速下降。

1.2 并聯系統

系統由n個零部件組成，若有1個或1個以上零部件正常工作，系統就能正常工作，或只有當全部零部件都發生故障時，系統才會出現故障，這樣的系統稱為并聯系統。并聯系統可靠性框圖如圖2所示。

圖2 并聯系統可靠性框圖

并聯系統可靠度計算可表示為[2，4]：

RS=P(A1∪A2∪…∪An)

=1-(1-R1)(1-R2)…(1-Rn)

(2)

系統的可靠度RS與元件的數量n及元件可靠度Ri有關，隨著元件可靠度的提高及元件數量的增加[4]，并聯系統的可靠度將提高。

1.3 混聯系統

由m個子系統組成串聯系統，每個子系統都由n個零件并聯組成，則這樣的系統稱為串并聯系統，其可靠性框圖如圖3所示。

圖3 串并聯系統可靠性框圖

串并聯系統可靠度計算可表示為[2，4]：

(3)

式中：Rij為第i個串聯子系統中第j個元件的可靠度。

由m個子系統組成并聯系統，每個子系統都由n個零件串聯組成，則這樣的系統稱為并串聯系統，其可靠性框圖如圖4所示。

圖4 并串聯系統可靠性框圖

并串聯系統可靠度計算可表示為[2，4]：

(4)

2 提升機構可靠性分析

人橋吊車提升機構由傳動系統及輔助子系統組成。傳動系統由電動機、聯軸器、制動器、卷筒等組成。輔助子系統由稱重系統、鋼絲繩纏繞系統及電氣控制系統等組成。

2.1 傳動系統

2.1.1 雙制動器傳動系統

系統主要由單電動機、單減速器、運行制動器、雙聯單卷筒帶安全制動器[5]等組成，如圖5所示。

圖5 雙制動器傳動系統布置形式示意圖

該系統中，電動機通過聯軸器、減速器驅動卷筒旋轉，鋼絲繩依靠卷筒的旋轉完成物體的提升。整個系統是1個串聯系統。運行制動器B1正常工作時先動作。由于本次設計中沒有選用緊急制動器，所以此處不做分析。安全制動器B2安裝在卷筒的端部，當系統傳動鏈故障時，能夠緊急抱閘，使整個系統保持載荷不掉落，因此其與傳動鏈之間屬于并聯系統。雙聯卷筒由2根鋼絲繩組成，設計為1根鋼絲繩斷裂時，另1根鋼絲繩能保持載荷的平衡，以及安全地放下載荷[6]，因此2根鋼絲繩之間是并聯關系。上述系統的邏輯框圖如圖6所示。

圖6 雙制動器傳動系統邏輯框圖

根據以上分析，先將電動機M1、聯軸器C1、制動器B1、減速器(齒輪副分別為G1、G2和G3)作為整個提升系統中的1個子串聯系統，其可靠度Rs1為：

Rs1=RM1RC1RB1RG1RG2RG3

(5)

式中：RM1為電動機M1的可靠度；RC1為聯軸器C1的可靠度；RB1為制動器B1的可靠度；RG1為減速器齒輪副G1的可靠度；RG2為減速器齒輪副G2的可靠度;RG3為減速器齒輪副G3的可靠度。

傳動鏈與安全制動器B2組成了1個并聯系統，其可靠度Rs2為：

Rs2=1-(1-RM1RC1RB1RG1RG2RG3)(1-RB2)

(6)

式中：RB2為安全制動器B2的可靠度。

上述系統與卷筒兩側的連接裝置C2和C3,以及卷筒D1組成了1個串聯系統，其可靠度Rs3為：

Rs3=[1-(1-RM1RC1RB1RG1RG2RG3)(1-

RB2)]RC2RC3RD1

(7)

式中：RC2為連接裝置C2的可靠度；RC3為連接裝置C3的可靠度；RD1為卷筒D1的可靠度。

2根鋼絲繩W1和W2組成1個并聯系統，其可靠度Rs4為：

Rs4=1-(1-RW1)(1-RW2)

(8)

式中：Rwi為單根鋼絲繩元件的可靠度，i=1,2。

整個提升機構串聯系統的可靠度Rs為：Rs=[1-(1-RM1RC1RB1RG1RG2RG3)(1-RB2)]RC2RC3RD1[1-(1-RW1)(1-RW2)]

(9)

2.1.2 三制動器傳動系統

若提升機構增加1個緊急制動器，則變為三制動器傳動系統，如圖7所示。

圖7 三制器傳動系統布置形式示意圖

這一系統和第一種系統類似，不同之處是增加了運行制動器B3。這一系統的邏輯框圖如圖8所示。

圖8 三制動器傳動系統邏輯框圖

首先計算運行制動器B1和緊急制動器B3組成的并聯系統的可靠度Rs1：

Rs1=1-(1-RB1)(1-RB3)

(10)

式中：RB3為緊急制動器B3的可靠度。

電動機M1、聯軸器C1、制動器(B1和B3并聯系統)、減速器(齒輪副分別為G1、G2和G3)作為整個提升系統中的1個子串聯系統，其可靠度Rs2為：

Rs2=RM1RC1[1-(1-RB1)(1-RB3)]×

RG1RG2RG3

(11)

傳動鏈與安全制動器B2組成了1個并聯系統，再與卷筒兩側的連接裝置C2和C3,以及卷筒D1組成了1個串聯系統，前述系統再與2根鋼絲繩W1和W2組成的并聯系統構成了整個串聯的提升機構系統，其可靠度為：

Rs=Rs′RC2RC3RD1[1-(1-RW1)(1-RW2)]

(12)

式中：Rs′=1-{1-RM1RC1[1-(1-RB1)(1-RB3)]RG1RG2RG3}(1-RB2)。

針對有無緊急制動器的可靠度，只需要比較制動器并聯系統可靠度與單個運行制動器可靠度的關系。根據并聯系統的特點，系統可靠性隨元件可靠性的增加及并聯系統元件的增加而提高。一般情況下，提升機構的運行制動器和安全制動器在安裝條件允許時，多數采用同型號的制動器，這就意味著其可靠度的值可以看成是相同的，那么增加了制動器個數就增加了制動系統的可靠性，因此增加了緊急制動器的設計，可以提高系統的可靠性。事實也是如此，當運行制動器失效時，緊急制動器代替運行制動器保持住整個提升系統，避免了載荷的跌落。若運行和緊急制動器均失效，投入使用安全制動器，系統中安全制動器的設計與傳動鏈也屬于并聯關系，同樣增加了系統的可靠性。但是因為安全制動器的制動是直接作用在卷筒上的，制動力矩較直接安裝在高速軸上的運行制動器和緊急制動器力矩大得多，直接制動對系統傳動鏈的沖擊和損害較大，所以設計方案應盡量采用高速軸雙制動加低速軸安全制動器的制動系統。

2.2 稱重系統

提升機構中除了主傳動系統外，還應配備一些重要的輔助功能子系統。人橋吊車作為核電站中吊運安全重要物項的起重設備，應采取必要的措施防止超載[7-8]。稱量系統的功能就是避免超載和自動連續記錄載荷[9]，并且對稱量有較高的精度要求。人橋吊車的稱量相對精度要求值是1%。目前設計的人橋吊車稱量子系統共有3個分支子系統，包括配置銷軸式傳感器的子系統、配置吊鉤秤的子系統，以及配置起重限制器的子系統。

2.2.1 配置銷軸式傳感器的子系統

第一個分支子系統一般采用兩種設計型式。

(1) 傳感器安裝在平衡梁中部。在起升平衡梁裝置中部采用銷軸式傳感器，通過儀表放大器等將作用在傳感器上的力經過處理傳輸到顯示屏上。若只考慮將從載荷到傳感器的部分作為分支子系統，那么這種安裝方式可以簡化為如圖9所示的邏輯框圖。

圖9 平衡梁中部采用銷軸式傳感器的邏輯框圖

系統的可靠度Rsm為：

Rsm=R1R2R3R4R5R6R7

(13)

(2) 傳感器安裝在平衡梁兩側。平衡梁兩側各安裝1個傳感器，或只在單側安裝，假設傳感器可靠度為R5，那么這一串聯系統的邏輯框圖如圖10所示。

圖10 傳感器在平衡梁兩側的邏輯框圖

系統的可靠度Rss為：

Rss=R1R2R3R5R6R7

(14)

在傳動效率相同的情況下，2個串聯系統的可靠度比較取決于系統中是否有平衡梁。根據串聯系統的特點，增加元件的數量，系統的可靠性會降低。因為第一個子系統中平衡梁裝置上除載荷分配在傳感器上的力外，還有由于安裝及制造原因等導致的傳感器承受非吊運載荷的附加力作用，因而降低了系統的稱量可靠性。試驗證明，采用傳感器在中部的設計，稱量精度低于傳感器安裝在平衡梁單側的情況。位置更改后，減少了一個影響稱量可靠度的元件，系統的稱量可靠度提高。

2.2.2 配置吊鉤秤的子系統

第二個分支子系統采用最直接的方法，將吊鉤秤直接掛在吊鉤組上，載荷直接掛在吊鉤秤上。系統的邏輯框圖如圖11所示。

圖11 配置吊鉤秤的稱重系統邏輯框圖

系統的可靠度Rsn為：

Rsn=R1R5R7

(15)

一般情況下，設計時傳感器的精度比系統的精度要高得多，且電子秤類傳感器精度比銷軸式傳感器的精度高，即第二分支中的R5比第一分支稱量可靠性更高。通過對比，得出以下結論：電子秤稱量系統的稱量精度高于平衡梁銷軸式的稱量精度，平衡梁銷軸式中兩側安裝型式比中部安裝型式稱量精度高。

2.2.3 配置起重限制器的子系統

第三分支子系統是在卷筒末端裝設起重限制器，即超載限制器[5]。這個子系統只在載荷達到額定載荷的90%時報警，達到并超過1.1倍額定載荷時切斷電源，停止提升運動[7-8]。其無論是精度還是可靠性，這一子系統都比前述兩個子系統要低。這個子系統可以作為另兩個子系統的補充，即成為一個并聯的分支，根據并聯系統的特點，整個稱重系統的可靠性得到提高。

2.3 鋼絲繩卷繞系統

除上述傳動系統、稱重系統外，人橋吊車的鋼絲繩卷繞系統也是提升機構中至關重要的子系統。鋼絲繩卷繞系統屬于一個簡單的并聯系統，增加了提升機構的可靠度，而且還使人橋吊車滿足防單一故障的設計準則[10]。鋼絲繩卷繞系統分為兩個獨立的載荷路徑，每個路徑在鋼絲繩斷裂或失效的情況下支承載荷且保持垂直對準[9，11]。

鋼絲繩卷繞系統如圖12所示。

圖12 鋼絲繩卷繞系統

2.4 電氣控制系統

整個提升系統是一個機電混合的復雜系統。目前國內核電站的人橋吊車多采用一套可編程序控制(PLC)系統，系統的關鍵環節發生故障時，就不能正常工作。為了提高系統的可靠性，還可以采用冗余PLC的方式，將需要完成的主要功能考慮在內。當主PLC出現故障不能工作，且檢測和維修時間不能滿足現場需求，特別是裝料、卸料時間周期內帶載荷工作時，需要投入冗余PLC將載荷放置在安全的位置。除了筆者所提及的各系統外，人橋吊車提升機構上還有其它并聯冗余設計，如電氣聯鎖、應急手動裝置[9]等，主要目的都是為了保證設備吊運危險載荷[10]時的安全性。

3 結束語

以獨立失效系統可靠性邏輯圖及可靠度計算為基礎，對人橋吊車提升機構的傳動系統及幾個主要子系統進行可靠性分析[12-15]，給出了人橋吊車設計布置形式的選擇依據。在同類吊車上，可以根據零部件的可靠性數據，參照本文所述方法進行計算和分析，進而確定提升機構的布置形式。

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[8] 起重機械安全規程 第1部分：總則：GB 6067.1—2010[S].

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Spent fuel pit crane is the key equipment for handling of spent fuel in nuclear power plant. As an important operating mechanism of the spent fuel pit crane, its lifting mechanism has a direct connection to the safety during handling of nuclear fuel. By analyzing the reliability of the lifting mechanism of the spent fuel pit crane, highlighted the key parts of the system that might be taken as the basis for determining of the design scheme for the lifting mechanism.

Nuclear Power Station; Spent Fuel Pit Crane; Lifting Mechanism; Reliability; Analyses

2016年7月

唐洪麗(1980— )，女，本科，工程師，主要從事機械設計及技術管理工作， E-mail: tanghl@shanghai-electric.com

TH215

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1674-540X(2016)04-021-05