乏燃料臥式剪切機翻轉機構設計及可靠性分析

劉君琰 ，鄒樹梁 ，王湘江 ，劉昌福 ，趙 芳

（1.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001；2.核設施應急安全作業技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南衡陽421001）

乏燃料臥式剪切機翻轉機構設計及可靠性分析

劉君琰1，2，鄒樹梁2，王湘江1，2，劉昌福1，2，趙 芳1，2

（1.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001；2.核設施應急安全作業技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南衡陽421001）

為解決現有的乏燃料立式剪切機在剪切乏燃料過程中所存在的未經剪切的元件掉入溶解器、刀架滾輪磨損等一系列問題，提出一種臥式送料剪切機的翻轉機構方案，使得乏燃料組件由豎直位置翻轉至水平位置。這種結構以雙液壓缸聯動舉升來實現燃料組件的翻轉動作，并以滾珠絲杠副機構來實現燃料組件反轉后的水平橫移運動。介紹了翻轉機構的工作原理并確定舉升機構和橫移結構設計及其參數。在完成剪切機翻轉機構設計后，為保證其設計合理性對臥式剪切機送料系統翻轉機構關鍵部件的主要失效模式進行了詳細可靠性分析，并建立可靠性分析模型，最后得出具體可靠性計算結果。

剪切機；翻轉機構；液壓缸；滾珠絲杠副；可靠性

0 引言

乏燃料立式送料剪切機是核動力堆乏燃料后處理廠將乏燃料組件剪切成2 030 mm的首端關鍵設施，其送料部分是乏燃料剪切的關鍵部件[1]，其性能的優劣會直接影響剪切機燃料剪切任務的成敗。現階段乏燃料后處理用的都是立式剪切機，大部分的剪切機失效都是由于送料系統故障導致的，送料系統中最常發生的故障主要有未經剪切的元件掉入溶解器、刀架滾輪磨損、推料剪切失敗等故障。因此，送料系統的整體布局以及剪切方式等因素都可能影響到剪切機使用壽命和其生產能力，與立式剪切機相比，臥式剪切機是將燃料組件翻轉過來進行激光切割，能提高工作效率，有利于解決上述的常見故障以及燃料組件收集問題。故設計出合適的臥式剪切機送料系統翻轉機構非常重要?，F在很多學者大多是針對通用型剪切機送料系統控制部分進行研究，而對實現剪切機送料系統核燃料組件的臥式剪切機翻轉機構設計的具體設計還沒有提及[2-4]，基于此并以立式剪切機送料系統為基礎闡明臥式剪切機翻轉機構的工作原理，并對核燃料組件實現90°翻轉的翻轉機構進行設計。翻轉機構包括舉升機構和橫移機構這兩個部分，因此主要從這兩個部分的關鍵部件的設計及其主要部件液壓缸和滾珠絲杠副的失效模式進行分析，依據相關可靠性理論[5-7]，對兩個主要構件建立可靠性分析模型，最后根據這個模型進行具體分析計算得出具體結果。

1 剪切機翻轉機構設計

翻轉機構的設計目標是將長4 100 mm、重約670 kg的乏燃料組件完成90°翻轉并水平橫移送至末端進行激光切割。要求操作簡單、工作運行可靠、運動平穩，根據要求設計出了相對合理的翻轉機構，其基本結構如圖1所示。

圖1 翻轉機構基本結構組成

臥式剪切機翻轉機構的工作原理是將燃料組件從提升水池的元件提升機上經裝料井抓頭9抓取得取提升到料筒內，經液壓缸7平移到翻轉平臺合適位置，此時料槽4豎直立在支撐底座1上，組件移至料槽后抓頭9松開退出，組件下端在夾具內，上端由鎖緊裝置鎖緊，經由液壓缸2雙油缸的剛性同步實現組件翻轉至水平，此時下端的夾緊裝置5連接橫移機構滾珠絲杠副3由液壓馬達10驅動，將旋轉運動轉換成線性運動，推動核燃料組件水平移動到支撐底座1末端，再進行激光切割。

對翻轉機構進行設計，包括舉升機構和橫移機構主要結構件的主要參數設計以及闡明燃料組件的翻轉原理。

1.1 舉升機構設計

翻轉機構中的舉升機構必須結構簡單，安全可靠。燃料組件尺寸規格大、重量大，以液壓馬達提供動力源，通過單活塞雙液壓缸的聯動伸縮舉升可以達到燃料組件翻轉90°.液壓缸受力最大點在翻轉至水平位置時，裝有組件的料槽重約15 000 N，以此對此時乏燃料組件進行受力分析，求得液壓缸最大驅動力Fmax=42 kN，根據機械設計手冊第4卷表22.4-2規定液壓缸的公稱壓力系列初步選定液壓缸的系統壓力P=4.5 MPa，由液壓缸內徑計算公式得D=125.91 mm，圓整D=125 mm，則活塞桿直徑為d=63 mm.

1.2 橫移機構設計

由液壓馬達提供動力源，帶動滾珠絲杠的螺桿傳動，套在螺桿上的螺母此時會在滾珠螺桿上水平移動，將螺母與料槽上的夾緊裝置固連在一起，則料槽內的燃料組件會在螺桿的帶動下隨著螺母一起在底座上實現水平移動。根據手冊選擇滾珠螺桿的材料為40CrMnSiMoVA，橫移機構中加上組件的料槽質量W=1 500 kg，最大行程Smax=4 100 mm，最大移動速度Vmax=1 800 mm/min，馬達最高轉速為Nmax=250 r/min，所以 L==7.2 mm，根據設計手冊選取公稱導程ph=10 mm，公稱直徑d0=50 mm.

2 翻轉機構可靠性分析

2.1 液壓缸活塞桿可靠性分析

在工程實際中，液壓缸也會有各種不能工作的故障發生。對活塞桿結構失效進行可靠性分析的邊界前提為：（1）系統的液壓部分正常；（2）系統的機械部分正常?；钊麠U失效方式主要有強度和穩定性失效這兩種類型。

2.1.1 活塞桿強度可靠性分析

應力-強度干涉模型經常被用在元件的靜強度可靠性分析上，可靠性分析時由于影響元件強度和應力的參量都是隨機變量，故而元件所受到強度和應力參量也被認為是呈分布狀態的隨機變量[8]。依據干涉理論得如下可靠度表達式[9]:

式中：s為應力，δ為強度，g（δ）為強度概率密度函數，f（s）為應力概率密度函數。當零件應力及強度都為正態分布時，式（1）有

式中：us為應力 s均值，σs為應力 s標準差，uδ為強度δ均值，σδ為強度δ標準差。

2.1.2 活塞桿穩定性可靠性分析

令液壓缸工作時穩定的臨界壓力為Fk，服從概率密度函數g（Fk），活塞桿上的壓力為F，服從概率密度函數f（F）[10].

液壓缸穩定可靠度R有：

當液壓缸活塞桿的臨界壓力FK、壓力F及分布參數確定后，即可根據上述方法進行液壓缸穩定可靠性計算。

2.2 滾珠絲杠可靠性分析

滾珠絲杠是翻轉機構中橫移機構的關鍵部件，分析其結構特點，滾珠絲杠主要失效模式[11-12]有兩種：（1）滾珠絲杠副破壞形式主要是在不常轉動場所中鋼球或者滾道表面的塑性變形超過其閾值。（2）滾珠與滾道表面某定點接觸處承受一定的應力循環次數后產生的疲勞點蝕。

2.2.1 滾珠絲杠副靜載荷可靠性分析

滾珠絲杠在轉速n≤10 r/min情況下，當滾道接觸面和受接觸應力最大的滾動體間產生的塑性變形之和一般不容許超0.0001倍滾動體直徑，此時的載荷被定義為基本額定靜載荷C0a[13]?；绢~定靜負載C0a的計算公式：

式中：ρ11、ρ12、ρ21、ρ22分別是接觸點處滾道和鋼球的主曲率。

計算額定靜載荷（C0a）時通常要考慮材料成分、熱處理等因素。假設額定靜載荷（C0a）為正態分布C0a～N（），據分析知，最大軸向載荷 F 也可設定成正態分布F～N（F ，eF）[14]。求解靜載荷失效可靠度時，參考相關文獻[11-12]，當額定靜載荷公式中一些參數方差不易確定時，給出其變異系數最后利用一次二階矩法來進行計算。

滾珠絲杠副的失效概率Pf為：

式中：CC0a為額定靜載荷變異系數，CF為最大軸向載荷變異系數；σC0a為額定靜載荷的方差，σF為最大軸向載荷的方差。

2.2.2 滾珠絲杠副動載荷可靠性分析

當同參數的一組滾珠絲杠副在同一條件下運行106轉時，90%螺旋副不產生點蝕失效，此時能承受的純軸向載荷定義為基本額定動載荷（C）a[13]。

式中：fc為額定動載荷特征值；fu為工作行程系數;frN為螺母滾道適應度；frs為螺桿滾道適應度；rN為螺母滾道曲率半徑（mm）；rs為螺桿滾道曲率半徑（mm）；lu為有效工作行程（mm）；Ph為導程（mm）.

眾多試驗闡明滾珠絲杠的疲勞壽命服從威布爾分布，當已知可靠度R下的滾珠絲杠壽命L計算動負載與疲勞壽命關系有[14]，

式中：k為額定動載可靠性系數；a為絲杠壽命的可靠性系數；ε為疲勞壽命指數，對滾珠絲杠副ε=3；m為威布爾分布形狀參數，m=10/9；F為當量動載荷。

由于材料的一些加工和不均勻因素，假設基本額定動載荷Ca和計算動負載C兩者均呈正態分布[11-12]，分析動載荷失效可靠性時，給出變異系數后用一次二階矩法去求[11-12]。滾珠絲杠副點蝕疲勞失效概率Pf為：

式中：CCa為額定動載荷的變異系數；CC為計算動負載的變異系數；σCa為額定動載荷的方差；σC為計算動負載的方差。

3 案例

（1）選取的兩端鉸接液壓缸，活塞桿伸出后的長度l～（ul，σl）=（4 100，12）mm，鋼質活塞桿的彈性模量E～（uE，σE）=（2.1 × 105，0.06 × 105）MPa，活塞桿直徑 d～（ud，σd）=（63，0.0189）mm，液壓缸工作時活塞桿所受的軸向壓力 F（uF，σF）=（42 000，8 400）N.計算得到的活塞桿脈動疲勞強度的概率分布為：uδ～N（161.82，68.229）， 應 力 的 概 率 分 布 為 μs～ N（17.72，2.54）.對活塞桿強度及穩定性進行可靠性分析。

分析對比液壓缸強度失效和穩定失效的結果，并將結果與給定可靠性要求進行對比，滿足要求則說明液壓缸的設計合理，反之則應進行改進。

（2）選取的滾珠絲杠實際靜載荷166 530 N，實際動載荷51 043 N，要求壽命t=7×106轉的可靠度為0.99，根據選取的滾珠絲杠副參數計算可得額定靜載荷與動載荷分別為127 505.8 N和36 478.3 N.取額定靜載荷的變異系數為0.06，定動載荷的變異系數為0.08，取實際靜載荷的變異系數為0.1，實際動載荷的變異系數為0.1[11-12].對橫移機構中滾珠絲杠副靜載荷和動載荷進行可靠性分析。

將以上計算結果的靜載荷和動載荷的失效概率與給定可靠性要求進行分析對比，若滿足說明設計符合要求。

4 結論

（1）本文針對乏燃料立式送料剪切機剪切乏燃料所存在的弊端設計了一種臥式剪切機翻轉機構，并對主要構件液壓缸和滾珠絲杠進行詳細設計，這對剪切機及類似機構的翻轉具有借鑒意義。

（2）根據液壓缸和滾珠絲杠副典型失效模式可靠性分析結果，發現液壓缸穩定性失效概率大于強度失效概率，滾珠絲杠副靜載荷失效概率大于動載荷失效概率，因此在工程設計中應充分考慮液壓缸的穩定可靠性和滾珠絲杠的靜載荷可靠性。

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Design and Reliability Analysis of Flip-flop Mechanism of Spent Fuel Horizontal Shearing Machine

LIU Jun-yan1，2，ZOU Shu-liang2，WANG Xiang-jiang1，2，LIU Chang-fu1，2，ZHAO Fang1，2
（1.University of South China，School of Mechanical Engineering，Hengyang Hunan 421001，China；2.Nuclear Facilities Emergency Safety Technology&Equipment Key Laboratory of Hunan Province，Hengyang Hunan 421001，China）

In order to solve the series of problems such as the non-shearing elements falling into dissolver and cutter wheel wear when the existing spent fuel vertical shearing machine cut the spent fuel，the flip-flop mechanism scheme of a horizontal type for feeding and cutting machine which allows the spent fuel assembly to be turned from the upright position to the horizontal position is put forward.The mechanism is actuated by double hydraulic cylinders to effect the flip-flop of the fuel assembly and the horizontal traverse movement after the fuel assembly reversal by ball screw accessory mechanism.This paper describes the working principle of the inverting mechanism and the structural design and parameter determination of lifting mechanism and transverse mechanism.In order to ensure the rational of the design of the shearing mechanism，the reliability analysis of the main failure modes of the key components of the flip system about the horizontal shearing machine is carried out and the reliability analysis model is established after the completion of design about the shearing mechanism，then the reliability index is calculated.

shearing machine；flip mechanism；hydraulic cylinder；ball screw；reliability

TH122

A

1672-545X（2017）10-0012-05

2017-07-18

核設施退役和核泄漏安全處理技術及裝備研發（02072012KJT01）

劉君琰（1992-），女，湖北孝感人，在讀研究生，機械工程專業，研究方向：機械可靠性；鄒樹梁（1956-），男，江西安福人，教授，博士生導師，研究方向：核安全安保與應急。