基于本質安全理念的核物料桶旋轉投料系統設計*

趙洪海，雷潔珩，李全興，鄧 健

(1.中核二七二鈾業責任有限公司，湖南 衡陽 421200;2.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001;3.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

目前我國正在調整核電中長期發展規劃，統籌發展全國各地核電建設。隨著核電勢頭的快速發展，裝機容量提升迅速，對核燃料的供給提出了更高的要求[1]。

鈾礦石是制備核燃料的主要原料，從鈾礦石到核燃料的整個制備流程中，會先后經歷鈾純化和鈾轉化兩道步驟。鈾純化是指從鈾礦濃縮物到精制UO2的生產過程。鈾轉化是指從精制UO2到UF6的生產過程。鈾純化步驟產出的UO2粉末料存儲在特質的物料桶中待用。所述物料桶在下端設有可封閉或打開的出料口，并且容量和體積均設計的較小，以便于運輸或儲存。待到鈾轉化步驟時，需要將多罐物料桶中的UO2粉末料排入中轉料倉中，該操作被稱為UO2投料操作。

目前行業內，UO2投料操作均在三層廠房內執行。廠房一樓儲放有多罐裝有UO2粉末料的物料桶，廠房二樓安置有依次連通的氫氟化設備(用于處理UO2)和中轉料倉，廠房三樓安置有連通至中轉料倉的排料口，排料口用于接收從物料桶中傾倒出來的UO2粉末料。執行UO2投料操作時，需要由人工操縱行車將多罐物料桶從廠房一樓吊運至廠房三樓，再將物料桶逐個與排料口進行對接倒料。目前的投料方式存在以下不足：物料桶由人工從廠房一樓吊運至廠房三樓，對接倒料完成后，空的物料桶又需要通過人工吊運回廠房一樓。上下往返吊運的操作費時費力，人工勞動強度大；廠房三樓的料桶對接始終需要由人工操作，負責料桶對接以及出料口的打開和關閉，料桶出料口每次的打開與關閉都需要人工進行操作，操作過程費時費力且十分繁瑣；在廠房三樓執行對接倒料時，UO2粉末料容易從物料桶出料口與廠房三樓排料口的接觸面之間泄漏出來，產生揚塵，UO2具有放射性，在此環境下工作的操作人員的身體健康會受到嚴重損害；一方面，為避免UO2粉末料擴散到廠房外部污染環境，廠房內外通風條件較差，另一方面，廠房內部的各種大型設備在運行的時候溫度很高，綜合以上兩個原因，廠房內的溫度會很高。特別是在室外溫度本身就比較高的時候，廠房三樓的室內溫度高達50～60℃，位于廠房三樓的操作人員工作環境非常惡劣。

為了解決目前存在的問題，綜合實際情況，現擬采用電動滾筒運輸線的方式進行運輸。因投料口在進行投料作業的同時還要進行其它作業，因此需將運輸線布置在投料口一側，料桶在運輸至投料口位置時，由該機構將料桶提升，然后旋轉至投料口的位置，再將運輸組件下降，讓投料口精準對位，最后進行投料操作[2-3]。通過設計與分析，最終達到保證本質安全的目的。

1 結構的設計

1.1 整體結構及工作原理介紹

在危險物料的轉運過程中，各種機械裝置的設計需要根據實際生產需求進行個性化定制，有利于生產作業的安全進行。在這一背景下，設計了一種實現料桶旋轉投料作業的系統，可以對運輸軌道上的物料桶進行旋轉投料操作。在安全性能上，實現了設備的遠程自動化操作，有利于工作人員的安全。在設備穩定性上，通過精準的定位組件，升降旋轉平臺，運輸軌道組件以及支撐模塊保證了設備的平穩運行。

整套系統由旋轉升降裝置，運輸軌道組件，支撐機構等組成，如圖1所示。

升降旋轉裝置由升降平臺和平臺上的回轉支承組成，升降平臺依靠液壓缸驅動，帶動整個運輸軌道和支撐機構提升，提升到指定位置后，安裝在升降平臺底部的減速電機啟動，帶動與其連接的小齒輪轉動，小齒輪與回轉支承的外齒輪始終嚙合，因此回轉支承由小齒輪帶動轉動，回轉支承與運輸軌道底板連接，從而實現運輸軌道的旋轉，旋轉到運輸軌道上的投料口與地面上的投料口對齊為止。投料口對位準確以后，支承腿上的電機開始帶動支撐機構向下移動，直到支撐機構與地面穩定接觸。運輸軌道上的電動滾筒開始帶動料桶和托盤向投料口方向移動，移動到托盤上的投料口與運輸軌道上的投料口、地面上的投料口在豎直方向上對齊，運輸軌道上安裝有定位機構，由正反轉滑臺帶動擋板阻擋料桶因為慣性向前移動，確保投料口精準對位。其工作流程如圖2所示。

1.2 升降旋轉裝置設計

升降旋轉裝置由升降平臺、減速電機、回轉支承和上頂板組成，如圖3所示。由于負載較大，因此選擇采用液壓缸為升降平臺的上下移動提供動力，液壓油缸相較于氣缸，能承受更大的工作壓力，在面對溫度較高的工作環境時，正常情況下液壓油缸依然可以穩定工作6 000 h而不發生故障。升降平臺上安裝回轉支承，下方安裝帶動回轉支承旋轉的減速電機，回轉支承上方直接與運輸軌道底板相連。升降旋轉裝置作為物料桶運輸轉運過程中的重要組成裝置，用以實現料桶的升降以及向投料口方向的旋轉。

圖3 升降旋轉裝置示意圖

根據機械結構設計基本規則及本設計具體情況，輸入參數主要有升降行程、旋轉角度、設計負載、升降速度、旋轉速度等參數，輸入參數如表1所列。

表1 升降旋轉裝置的初始輸入參數表

裝置的升降過程主要依靠升降平臺下的液壓缸來完成，旋轉過程則依靠減速電機帶動回轉支承的旋轉來完成。

1.3 運輸軌道組件設計

運輸軌道組件由運輸軌道，側向立柱以及定位裝置等組成，如圖4所示。運輸軌道由兩側導軌和電動滾筒組成，電動滾筒具有結構簡單、維修成本低、功耗小等優點，因此在運輸帶上被廣泛使用[4]，電動滾筒為內置電機式，能在運輸過程中對料桶移動提供較強動力。側向立柱則直接安裝在運輸軌道兩側的導軌上，為橡膠材質，能對料桶和托盤起到很好的緩沖及限位作用，立柱支架與導軌螺栓連接。定位裝置由正反轉絲杠滑臺和擋板組成，正反轉絲杠滑臺安裝在運輸軌道下方，絲杠上的兩個滑臺能同時相向或相背運動，兩個滑臺上分別固定有兩塊擋板，延伸至軌道上方，當滑臺向中間靠攏時，擋板就可以對料桶起到阻擋作用，以實現料桶的定位。運輸軌道組件主要起到運輸料桶的作用，過程中還需要對料桶進行定位，側向立柱能夠有效地防止料桶傾翻，極大地保證了設備的安全運行。在料桶運輸到投料位置時，電動滾筒停止轉動，因為料桶重量較大，因此此時料桶有較大慣性，需要定位裝置阻擋確保其準確停留在投料口位置，在料桶到達預設位置時，滑臺啟動，擋板收縮，使得料桶準確停留在投料口位置進行投料[5]。

圖4 運輸軌道組件1.運輸軌道 2.側向立柱 3.定位裝置

1.4 支撐機構設計

在升降旋轉裝置將整個運輸組件和料桶旋轉至投料口位置以后，料桶需要向前移動至投料口才能完成投料操作，料桶到投料口位置時，整個裝置相當于一個懸臂梁機構，投料口一側的運輸軌道將會受到很大的壓力。因此，必須在投料口一側的軌道下方布置支撐機構，料桶在移動過程中，由升降旋轉裝置和支撐機構共同支撐，如圖5所示。

支撐機構的連接板與運輸軌道底部連接，依靠移動裝置上的電機帶動絲杠上固定的支撐腿使得支撐腿上下移動，支撐腿底部安裝有腳杯，接觸到地面時具有很強的穩定性。

圖5 支撐機構示意圖1.連接板 2.移動裝置 3.支撐腿 4.腳杯

2 核心零部件強度校核

2.1 理論計算

設計的過程中，關鍵需要考慮旋轉底盤下的回轉支承載荷分布，這也是設備平穩運行的關鍵所在。根據相關國家標準，在本設計中選擇單排四點接觸球式回轉支承[6]，以圖6中的裝置簡化模型對回轉支承進行載荷計算。簡化模型中各參數如表2所列。

圖6 裝置簡化模型

回轉支承在工作時所受的力包括：總軸向力Fa(kN)，力矩作用平面上的總徑向力Fr(kN)，總傾翻力矩M(kN·m)。由平衡方程[7]：

∑Fy=0

Fa=G1+G2+G3

(1)

式中：Fa為軸向載荷，kN；G1為料桶組件重量，kN；G2為軌道組件重量，kN；G3為支撐機構重量，kN。

將表2中數據帶入公式(1)，可得：

Fa=9 kN

由力矩平衡方程得：∑M=0，即:

M=M1-M2

(2)

式中：M為總傾翻力矩；M1為回轉支承右側力矩；M2為回轉支承左側力矩。

將表2數據代入公式(2)，可得：

結合實際情況，徑向力Fr可忽略不計，因此Fr=0；根據相關設計經驗結合回轉支承國標JB/T 2300-1999以及實際情況選定011.20.200回轉支承，其參數如表3所列。

表3 011.20.200回轉支承參數

需要對回轉支承進行強度校核，由上述計算過程，可得知：

Fa=9 kN，Fr=0，M=1.09 kN·m

對于該類型回轉支承，當量負載Cd：

(3)

式中：Fa為軸向載荷，kN；Fr為徑向載荷，kN；M為總傾覆力矩，kN·m；D0為滾道直徑，mm。

將已得結果代入式(3)，可得：

Cd=36.25 kN

011.20.200回轉支承負荷能力Cd0：

Cd0=f0d02zsinα

式中：f0為回轉支承靜容量系數，N·mm-2，由表3可知，表面硬度為58HRC，查表得f0=41；d0為滾球直徑，mm；z滾動體總數；α為接觸角，(°)。

由表3參數，可計算得出Cd0=406 kN，一般回轉支承得安全系數取1.1～1.4，本設計中安全系數：

由校核結果可知，選用的回轉支承滿足此工況[8]。

2.2 仿真分析

采用ANSYS Workbench對模型進行靜力學分析，回轉支承材料默認為50Mn碳素鋼，密度為7 850 kg/m3,抗拉屈服強度為2.5×108Pa。建模以后對回轉支承進行網格劃分，網格尺寸設置為6 mm，將Mesh中的Smothing設置為Medium,使網格過渡更平穩同時不影響計算速度，最終劃分出來的網格節點數為155 457，單元數為80 864，網格劃分符合需求。網格劃分如圖7所示[9]。

對受力平面進行區域劃分，如圖8所示，區域1施加7 000 N均布載荷，再在區域2共同施加2 000 N均布載荷，對回轉支承下方添加固定約束，分析結果如圖9所示。根據分析結果可得，最大應力出現在回轉支承上平面邊緣，如圖9(a)所示，最大應力為78 MPa；最大變形出現在回轉支承下平面邊緣，如圖9(b)所示，最大變形量為0.003 mm。根據機械設計手冊，該型號回轉支承抗拉強度為800 MPa，大于78 MPa，由仿真結果可得，其安全系數為10.3，故滿足強度要求。

圖7 網格劃分圖8 受力平面劃分

圖9 結果分析

3 結 論

綜上所述，以核物料的運輸作為切入點，基于本質安全理念，通過結構設計和強度校核，設計了一套核物料桶自動化運輸系統中的旋轉投料系統，提升了核物料運輸過程中的安全性和可靠性，確保了該系統的本質安全,得出如下結論。

(1)對旋轉投料系統中的升降旋轉裝置、運輸軌道組件及支撐機構等進行了結構設計，能實現核物料桶的自動化旋轉投料。

(2)對核物料旋轉投料系統中的核心零部件回轉支承進行了理論校核，計算得出其當量負載為36.25 kN，安全系數為11.2，滿足強度要求。

(3)對回轉支承進行了有限元仿真分析，得出其最大應力為78 MPa，安全系數為10.3，滿足強度要求。