基于故障樹的裝卸料機抓具失效原因分析

胡雯婷

(中原運維海外工程有限公司,上海 200233)

裝卸料機是核電廠燃料操作與貯存的核心設備之一，用于反應堆停堆換料期間裝卸、轉運新燃料和乏燃料。裝卸料機抓具失效是較為常見的故障，會對反應堆大修造成不利的影響。本文通過歸納總結ACP1000堆型裝卸料機調試過程中頻繁出現的故障，并進行故障分析，提出相應故障的排查方式及改進措施。

1 故障描述

當操縱員按下“脫開”按鈕時，由于某種故障原因操作臺上界面顯示“脫開”狀態指示燈不亮。通過檢查壓縮空氣進氣壓力表示數為0.4 MPa工作壓力，使用肥皂水涂刷氣接頭及各連接位置，經檢驗氣路系統均無漏氣情況，氣缸工作正常，限位圓盤能夠正常往復工作，但抓具仍然無法正常脫開。

2 工作原理

裝卸料機通過氣動方式驅動其抓具進行脫開嚙合動作，主要由雙電磁閥、氣管卷筒、雙桿圓管氣缸、燃料組件抓具等部件組成。當控制臺給出“脫開”信號后，壓縮空氣經調壓后進入雙電磁閥，進氣電磁閥打開后通過軟管經由氣管卷筒進入氣缸，驅動氣缸下導桿向上運動。氣缸下導桿經伸縮套筒連接管與燃料組件抓具驅動叉桿相連接，而驅動叉桿又與控制套筒固定連接，所以通過氣缸驅動能夠使控制套筒上下往復運動，控制套筒的運動能夠帶動抓鉤脫開、嚙合動作。

圖1 裝卸料機抓具結構示意Fig.1 The structure of the manipulator crane gripper

但是通過控制套筒驅動抓具運動過程中，首先需要打開抓具的機械性自鎖。裝卸料機抓具通過夾緊套筒、聯鎖板、聯鎖滾柱等部件協同作用使抓具機械式自鎖，如圖 1所示。夾緊套筒的上升以及下降，能夠使抓具處于鎖定以及非鎖定的狀態。當夾緊套筒處于上升狀態時，聯鎖滾柱滾動到滑動套筒一側，抓具自鎖抓鉤無法活動。此時即使氣缸動作，但是對于抓具的操作依然是無效的；當夾緊套筒處于下降狀態時，此時聯鎖滾柱滾動到夾緊套筒一側，則打開抓具自鎖，抓鉤可以自由活動。

3 故障樹模型

基于設備調試過程中出現的故障對抓具失效原因進行分析，總結匯總出抓具失效故障樹模型，如圖 2所示。

圖2 裝卸料機抓具失效故障樹模型Fig.2 The fault tree model of the manipulator crane gripper

4 故障分析與確認

4.1 抓具零件加工問題

4.1.1 零件表面毛刺、銳邊等

抓具零部件均為機加工件，加工完成后表面依然殘留加工毛刺、銳邊等問題，在零件活動過程中容易造成活動部件的卡澀，例如聯鎖滾柱、導向座等零件表面存在毛刺時會影響聯鎖滾柱在滾柱導向座間滾動，最終影響抓具脫開嚙合功能。另外抓具內部有部分定位銷配孔加工，加工完成后需要重點關注配孔處邊緣毛刺問題，避免在活動過程中對于零部件的劃傷及干涉。

在抓具零部件制造過程中需重點關注尺寸檢驗，裝配過程中反復手動拔插檢查活動部件運動靈活。數次手動拔插后，臨時拆除部分活動部件，觀察套筒內部表面、滑動套筒外表面、抓鉤肩部等部位是否有異常劃痕，如無異常劃痕則可排除該故障。

4.1.2 零件加工不到位

控制套筒沿著抓鉤導向部及中部往復運動，驅動抓鉤轉動。抓鉤導向部與抓鉤中部通過R20圓滑過渡(見圖3)，如果圓角過渡加工不到位，會影響控制套筒的滑動。抓鉤肩部轉動處有R90及R4圓滑過渡，如果加工不到位抓鉤在運動過程中會受到套筒的干涉，影響抓鉤轉動到位。

4.2 抓具裝配問題

4.2.1 聯鎖滾柱及滾柱導向座裝配問題

聯鎖滾柱在滾柱導向座之間靈活滾動進出，以保證抓具能夠靈活打開、閉合自鎖。在裝配滾柱導向座過程中，導向座之間間隙過小會導致聯鎖滾柱的動作受阻，抓具自鎖無法脫開。裝配過程中需手動撥動聯鎖滾柱，要求能夠在滾柱導向座之間靈活滾動。

4.2.2 滑動套筒行程未到位

采用單一故障設計保護原則，裝卸料機除了通過氣動驅動，還可以使用手動應急工具旋轉螺桿，最終驅動控制套筒往復運動。手動應急機構復位后，如果螺桿旋轉不到位會使控制套筒的滑動距離小于75 mm(理論滑動距離為75 mm)，抓具端部無法完全脫開燃料組件。

由于滑動套筒裝配在缸體內部不便于觀察，可以間接觀察控制套筒到缸體底部的距離或者氣缸支撐內圓盤的行程距離是否大于75 mm，如能夠滿足該滑動距離，則可以排除該故障。

4.3 抓具不銹鋼材料易卡澀咬合

滑動套筒在缸體內上下運動過程中會與缸體內側長期接觸，零部件表面會產生磨損，最終加劇抓具卡澀。抓具內部滑動套筒、控制套筒、缸體、導向輪、滾柱等部件均使用不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb。不銹鋼磨損機制包括磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等。磨損率隨著環境溫度的升高而加劇，在設備調試過程中無水進行潤滑，會加速不銹鋼表面的粘著磨損，最終造成抓具運行不到位[1]。

4.4 運動過程中有干涉

裝卸料機內部較多運動部件，設備裝配過程中如有小顆粒進入抓具內部，會造成零件損壞或運動失效。所以在設備裝配過程中，需要尤其重視廠房清潔度的檢驗，并在裝配過程中需反復對異物進行檢查以及清理。

裝卸料機氣動驅動(其結構見圖4)抓具脫開嚙合動作，使用雙桿圓管氣缸，氣缸下導桿向下運動驅動抓爪嚙合，此時氣缸上導桿處彈簧處于拉伸狀態。當觸發抓具“脫開”信號后，氣缸下導桿向上運動，同時氣缸上導桿處彈簧釋放拉力，同時驅動滑動套筒向上運動。

圖4 裝卸料機氣動驅動結構示意Fig.4 The structure of the pneumatic driving mechanism for the manipulator crane

在廠內設備調試過程中，頻繁出現氣缸正常工作驅動滑動套筒向上運動，但是無法觸發到上限位信號，抓具脫開不到位。經過排查分析，可能是由于氣缸上導桿處彈簧壓緊力過大造成。

在氣缸推力以及彈簧拉力的共同作用下驅動抓具脫開。但是當彈簧恢復到原狀后，上導桿再向上運動壓縮彈簧，彈簧壓緊力會反向抵消部分氣缸的推力，氣缸的拉力不足以驅動滑動套筒運動。裝卸料機氣缸的工作壓力為0.4 MPa，逐步調整工作壓力至0.6 MPa，測試在相同工況條件下，無法觸發上部限位信號的次數明顯降低。將彈簧總長度縮短50 mm，在0.4 MPa工作壓力環境下測試抓具均能夠按要求動作，該故障可以排除。

4.5 到位信號丟失

設備在調試過程中，頻繁出現抓具在活動過程中兩個到位信號始終丟失，此時程序邏輯保護無法進行起升運動。在故障排查過程中發現，氣缸在實際運動過程中導桿會隨著進行旋轉，帶動圓盤相應進行旋轉，原水滴形圓盤突出部分無法觸發到接近開關限位信號。

針對接近開關信號丟失問題，將下支板與橫板的螺栓安裝方式改為焊接連接，而上支板由于受到氣缸圓筒安裝位置的限制，保留原安裝孔位的前提下，將接近開關安裝孔位加工長槽，以增加接近信號的感應區域。通過改動后，頻繁測試限位信號均能夠按要求觸發，該故障可以進行排除。

5 故障點及排除方案

故障點及排除方案見表1。

6 結論

本文針對裝卸料機抓具調試過程中遇到的故障進行匯總以及原因分析，提出相應的故障排除方案，對于后期同類型設備調試過程中故障排查具有一定的借鑒意義。