國(guó)產(chǎn)化裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)可靠性提升的研究與應(yīng)用

何家歡，朱彩軍

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 概述

1.1 背景

裝卸料機(jī)作為核電廠燃料操作與貯存(PMC)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，通過與燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置配合，完成反應(yīng)堆核燃料的裝料和換料。方家山核電項(xiàng)目的裝卸料機(jī)是中核集團(tuán)首批自主國(guó)產(chǎn)化的百萬級(jí)核電機(jī)組裝卸料機(jī)，由中國(guó)核電工程有限公司自主設(shè)計(jì)、制造、供貨。由于生產(chǎn)廠家在缺乏裝卸料機(jī)制造和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的情況下完成首臺(tái)裝卸料機(jī)樣機(jī)制造，并通過評(píng)審。將首臺(tái)工程樣機(jī)和第一臺(tái)產(chǎn)品分別安裝至方家山1號(hào)和2號(hào)核電機(jī)組，雖然經(jīng)過調(diào)試和運(yùn)行的磨合，但仍存在部分部件因設(shè)計(jì)的缺陷存在設(shè)備運(yùn)行的不可靠以及維修可實(shí)施性不便利的情況。

截至方家山機(jī)組第四次換料大修結(jié)束，裝卸料機(jī)已經(jīng)歷5次的裝料和4次的卸料工作，在此期間維修人員發(fā)現(xiàn)裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)暴露出可維修性不便利的弊端。機(jī)組前二次大修，裝卸料機(jī)大車運(yùn)行過程中出現(xiàn)重復(fù)性、間斷性的異音，隨后的兩次大修，大車行走機(jī)構(gòu)內(nèi)部的異音由原來的間斷性發(fā)展為持續(xù)性，且發(fā)生異音的行徑軌跡也有明顯增長(zhǎng)。

1.2 共性問題

裝卸料機(jī)大車在行走過程中發(fā)出的異音，嚴(yán)重影響了大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的可靠性，是裝卸料機(jī)運(yùn)行過程中極大不安全的因素。通過資料收集和現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)不僅是方家山機(jī)組裝卸料機(jī)大車行走過程中存在異音，在其他核電的同類型裝卸料機(jī)上，也同樣存在大車行走過程中發(fā)出異音的現(xiàn)象。

因此裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)可靠性不足不僅僅是一個(gè)安全問題，更是一個(gè)困擾同類型裝卸料機(jī)的共性問題。

2 異音分析

結(jié)合大車行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理和預(yù)防性維修項(xiàng)目的分析，判斷異音發(fā)生來源，才能提出有效的解決方案。

大車行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，將裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)分成三部分：電機(jī)、減速箱1組成的輸入結(jié)構(gòu)；車輪軸6、軸承3、隔套4組成的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；車輪7、軌道、導(dǎo)向輪組成的輸出結(jié)構(gòu)。裝卸料機(jī)通過PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩至減速器1，通過車輪軸6將轉(zhuǎn)矩輸出到車輪7，由車輪7的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝卸料機(jī)的運(yùn)行。

2.1 預(yù)防性維修項(xiàng)目分析

查閱裝卸料機(jī)運(yùn)行維修手冊(cè)、預(yù)防性維修大綱、維修規(guī)程、電機(jī)和減速箱的說明書等資料，目前大車行走機(jī)構(gòu)的預(yù)防性維修項(xiàng)目主要有以下四個(gè)方面。

1)運(yùn)行電機(jī)電源相線間絕緣測(cè)量，確保電機(jī)運(yùn)行正常。

2)減速器潤(rùn)滑油的油位和品質(zhì)進(jìn)行定期檢查及更換，確保減速器功能正常。

3)大車運(yùn)行軌道壓板螺栓和車輪緊固螺栓力矩復(fù)驗(yàn)，確保大車軌道無偏差、松動(dòng)缺陷。

4)大車行走機(jī)構(gòu)水平導(dǎo)向輪定期檢查、更換，保證導(dǎo)向輪功能的完整。

利用上述預(yù)防性維修手段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的逐一驗(yàn)證，判斷裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)異音的來源均不是由電機(jī)運(yùn)行異常、減速器損壞、軌道松動(dòng)、水平導(dǎo)向輪與軌道的滾動(dòng)摩擦、車輪與軌道的滾動(dòng)摩擦所造成的。

2.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)的預(yù)防性維修項(xiàng)目均是對(duì)輸入結(jié)構(gòu)、輸出結(jié)構(gòu)的檢查和預(yù)防性維修，并沒有對(duì)行走機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)防性維修。結(jié)合裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部件，如圖2所示，分析異音的來源可能存在以下三種情況：

圖2 大車行走機(jī)構(gòu)三維模擬建模

1)防塵罩5松脫，與車輪軸6及車輪7之間碰撞、摩擦，造成異音；

2)隔套4與車輪軸6間隙過大，運(yùn)行過程產(chǎn)生相對(duì)滾動(dòng)或竄動(dòng)造成異音；

3)軸承3采用調(diào)心滾子軸承，軸承滾子磨損后造成異音。

針對(duì)上述三種可能情況，采取如下措施：

1)使用內(nèi)窺鏡，對(duì)防塵罩5進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在裝卸料機(jī)大車運(yùn)行過程中防塵罩5無松脫，功能完整，排除其產(chǎn)生異音的可能性。

2)使用千斤頂將裝卸料機(jī)橋架頂起，手動(dòng)打開電機(jī)抱閘后進(jìn)行車輪盤動(dòng)，異音明顯減弱。即軸承3在不承受裝卸料載荷的工況下，異音有減弱趨勢(shì)，證明軸承3是異音產(chǎn)生的最大可能位置。

3)結(jié)合行走機(jī)構(gòu)圖紙，利用三維模擬建模分析大車車輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中軸承并沒有設(shè)計(jì)任何可以加注潤(rùn)滑脂的通道或者其他潤(rùn)滑方式，此為預(yù)防性維修不可達(dá)項(xiàng)目。由于反應(yīng)堆在運(yùn)行期間裝料機(jī)停放位于反應(yīng)堆換料水池區(qū)域，機(jī)組運(yùn)行期間其廠房?jī)?nèi)長(zhǎng)期處于35 ℃以上溫度、干燥的運(yùn)行環(huán)境，軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑脂出現(xiàn)干涸，無法保持軸承內(nèi)滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道潤(rùn)滑，在裝卸料機(jī)運(yùn)行過程中其出現(xiàn)接觸應(yīng)力作用下的疲勞點(diǎn)蝕，造成軸承的功能失效。其直接后果就是導(dǎo)致軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生發(fā)熱和異音。

雖然裝卸料機(jī)在設(shè)計(jì)文件中已明確規(guī)定：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)軸承在裝卸料機(jī)壽命周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)終身免維護(hù)，但明顯大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮裝反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)高溫、干燥的運(yùn)行環(huán)境。裝卸料大車行走機(jī)構(gòu)如果考慮更換軸承或加注潤(rùn)滑脂，需在換料水池搭設(shè)腳手架，從橋架內(nèi)側(cè)進(jìn)行電機(jī)和減速器拆解，維修極為不便。所以方家山機(jī)組兩臺(tái)裝卸料機(jī)運(yùn)行至今，除首次廠家組裝時(shí)加注的潤(rùn)滑脂以外，無其他在不拆卸大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)條件下開展軸承潤(rùn)滑脂更換或添加的預(yù)防性維修手段，軸承經(jīng)過歷次大修運(yùn)行，已逐漸出現(xiàn)軸承的磨損而導(dǎo)致功能失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3 軸承潤(rùn)滑方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

針對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中軸承無法加注潤(rùn)滑的問題，在滿足裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)輸入和輸出結(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)尺寸限制：軸承與車輪軸的尺寸均需滿足原設(shè)計(jì)的前提下，提出以下兩種方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析和討論。

3.1 橋架上方增加潤(rùn)滑脂通道

在大車橋架增加潤(rùn)滑脂通道，如圖3所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用軸承潤(rùn)滑脂通道加注方式：潤(rùn)滑脂從橋架上方的潤(rùn)滑脂通道注入，通過傳動(dòng)軸與軸承的內(nèi)部空腔進(jìn)入軸承滾動(dòng)體內(nèi)部，起到軸承潤(rùn)滑的效果。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)全封閉箱式結(jié)構(gòu)上增加流道作業(yè)實(shí)施難度大，不確定因素多，且不能對(duì)軸承、隔套與軸進(jìn)行檢查，無法從根本解決問題；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)熱切割應(yīng)力無法直接消除，影響后續(xù)裝卸料機(jī)運(yùn)行的精度。

圖3 橋架上方增加潤(rùn)滑脂通道示意圖

綜合考慮，此方案在橋架上增加潤(rùn)滑脂通道實(shí)施難度大，可靠性低，不采納。

3.2 車輪軸上增加潤(rùn)滑脂通道

采取車輪軸適配部分空心潤(rùn)滑脂通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)包括：車輪軸6、隔套4的重新設(shè)計(jì)和加工；軸承3的重新選型。

圖4 新大車行走機(jī)構(gòu)剖視圖

新車輪軸6為保證與裝卸料機(jī)原大車行走機(jī)構(gòu)尺寸的相適配性，僅在有車輪側(cè)加工直徑8 mm，深度216 mm的中心孔作為潤(rùn)滑脂通道。新隔套4對(duì)稱加工4個(gè)小方孔，新軸承3采用外圈滾道設(shè)計(jì)有小孔，滿足潤(rùn)滑脂通過的需求。從新輪軸6側(cè)方加注的新潤(rùn)滑脂可以順利通過新車輪軸6內(nèi)的潤(rùn)滑脂通道、新隔套4的小方孔抵達(dá)新軸承3的滾子處，舊潤(rùn)滑脂通過新軸承3外圈滾道的小孔排出。

該方案需對(duì)裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體更換，實(shí)現(xiàn)軸承、隔套與軸的檢查，且現(xiàn)場(chǎng)無切割作業(yè)，對(duì)裝卸料機(jī)大車橋架本體無影響，最大程度地保證了裝卸料機(jī)原設(shè)計(jì)運(yùn)行精度，所以車輪軸上增加潤(rùn)滑脂通道的方案可實(shí)施性高，作為本次可靠性提升方案。

但考慮新車輪軸在使用過程中有著承擔(dān)核燃料轉(zhuǎn)運(yùn)安全的特殊意義，新車輪軸增設(shè)潤(rùn)滑脂通道后，在裝卸料機(jī)28 t的重力下，大車運(yùn)行速度最高可達(dá)15 m/min，對(duì)大車車輪軸的強(qiáng)度校核是至關(guān)重要的。下面著重對(duì)新車輪軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度理論計(jì)算和有限元分析，保證新設(shè)計(jì)軸設(shè)計(jì)的安全可靠性。

3.2.1 新車輪軸的強(qiáng)度計(jì)算

軸在使用過程中出現(xiàn)喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效[1]，軸的功能主要承載減速器輸出轉(zhuǎn)矩以及裝卸料機(jī)作用于軸的力。軸的工作能力主要取決于它的強(qiáng)度和剛度，其失效受到以下因素的綜合影響：軸在額定載荷工況下的應(yīng)力性質(zhì)和大小，材料的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)形狀、加工方法和工作環(huán)境等。新車輪軸采用的材質(zhì)為40 Cr，該材質(zhì)主要用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸[2]。新車輪軸調(diào)質(zhì)后布氏硬度HB241～286，抗拉強(qiáng)度σb≥735 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥540 MPa，低溫回火洛氏硬度HRC達(dá)48～55。

涉及的大車車輪軸包括驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸各2根，由于兩側(cè)軸的結(jié)構(gòu)類似，根據(jù)受力分析確定大車車輪驅(qū)動(dòng)軸受力較大，故僅對(duì)大車車輪驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。校核依據(jù)是“裝卸料機(jī)零部件的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)小于材料抗拉強(qiáng)度的 20%，即σ<0.2σb。該應(yīng)力由正常運(yùn)行載荷和事故超載引起，但不包括地震載荷”[3]。即車輪軸許用的最大切應(yīng)力[τ]T=σ<0.2σb=0.2×735=147 MPa。

車軸截面的切應(yīng)力τT=T/WT=T/(0.2d3)≤[τ]T

式中，τT——切應(yīng)力，MPa；

T——軸所受到的轉(zhuǎn)矩，N·mm；

WT——軸的抗扭界面系數(shù)，mm3；

d——軸的計(jì)算直徑，mm；

[τ]T——許用切應(yīng)力，MPa。

式中空心軸的抗扭界面系數(shù)WT=π(D4-d4)/16D。

根據(jù)裝卸料機(jī)大車車輪軸的受力分析，當(dāng)小車位于大車 180° 側(cè)極限位置時(shí)，單側(cè)大車驅(qū)動(dòng)輪軸受力最大，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩9 500 N·mm通過減速器放大轉(zhuǎn)矩，減速比為113.56，此時(shí)輪軸所受到的轉(zhuǎn)矩T=9 500×113.56=1 078 820 N·mm。分析需要核算的危險(xiǎn)截面為A-A和 B-B，如圖5所示位置。

圖5 車輪軸危險(xiǎn)斷面示意圖

將參數(shù)帶入計(jì)算得：

A-A截面的切應(yīng)力τT=T/WT=1 078 820/(0.2×503)=43.153 MPa≤147 MPa

B-B截面的切應(yīng)力τT=T/WT=1 078 820/[(π×(804-84)]/(16×80)=10.536 MPa≤147 MPa

由上述計(jì)算可知兩處危險(xiǎn)截面的切應(yīng)力均小于材料抗拉強(qiáng)度的20%，新車輪軸強(qiáng)度滿足要求。

3.2.2 新車輪軸的有限元分析

采用Soildworks 2020版本的Simulation模塊加載新車輪軸的三維建模，如圖6所示。設(shè)定參數(shù)后進(jìn)行有限元分析運(yùn)算，裝卸料機(jī)由靜止到運(yùn)動(dòng)這一瞬間過程可以看作電機(jī)克服裝卸料機(jī)重力作用于軌道的摩擦力做功，所以將大車輪軸與車輪連接處的鍵銷視為固定端。輸入端是電機(jī)通過減速器與新車輪軸的連接鍵輸出負(fù)載，在此處的連接鍵記載扭矩，如圖7所示位置。

圖6 車輪軸三維模擬建模

將車輪軸進(jìn)行有限元網(wǎng)格化，得到圖8的網(wǎng)格圖像。運(yùn)行軟件的有限元計(jì)算，可以直觀地判斷在額定負(fù)載工況下的新設(shè)計(jì)車輪軸滿足使用工況的強(qiáng)度要求，如圖9所示。

圖8 車輪軸有限元網(wǎng)格圖

圖9 車輪軸應(yīng)力分析圖

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)車輪軸上增加潤(rùn)滑脂通道方案實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承加注潤(rùn)滑脂的功能，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足裝卸料機(jī)運(yùn)行安全需求。

4 可靠性改造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

方家山機(jī)組裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)可靠性提升的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工作在機(jī)組QF-OT105、QF-OT205大修低低水位期間實(shí)施，單機(jī)組所用時(shí)間不到36 h。本小節(jié)著重對(duì)可靠性改造工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中的重點(diǎn)以及實(shí)施結(jié)果進(jìn)行論述。

4.1 實(shí)施過程

裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)的更換工作需將車架頂起80 mm預(yù)留出足夠的操作空間，綜合考慮反應(yīng)堆水池防異物工作要求、懸吊架維修平臺(tái)搭設(shè)空間、輻射環(huán)境放射性劑量水平，選擇裝卸料機(jī)停靠至270° 側(cè)進(jìn)行可靠性實(shí)施。

針對(duì)裝卸料機(jī)運(yùn)行定位精度要求高的特點(diǎn)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中各部件之間的尺寸均存在聯(lián)動(dòng)性，安裝偏差直接導(dǎo)致裝卸料機(jī)運(yùn)行精度的偏離。所以本次可靠性改造項(xiàng)目拆除過程對(duì)行走機(jī)構(gòu)各部件的關(guān)鍵尺寸均進(jìn)行復(fù)測(cè)和記錄，作為新車輪軸回裝參考依據(jù)，確保裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)改造后運(yùn)行精度的可靠。

安裝過程中由于軸承與車輪軸采用過盈配合，為便于裝配，防止損壞軸承，使用合理的裝配方法保證裝配質(zhì)量。軸承的安裝應(yīng)根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)、尺寸大小和軸承部件的配合性質(zhì)而定，壓力應(yīng)直接加在緊配合的套圈端面上，不得通過滾動(dòng)體傳遞壓力[1]。因此，采取感應(yīng)加熱法安裝，控制溫度在95 ℃可以避免因溫度過高造成軸承套圈滾道和滾動(dòng)體的退火，影響硬度和耐磨性，導(dǎo)致軸承壽命降低。同時(shí)加熱法安裝可以避免施力過大造成損傷，有效保證安裝精度[1]。

4.2 實(shí)施結(jié)果

完成裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)拆解，對(duì)解體得到的軸承和車輪軸磨損情況進(jìn)行檢查，如圖10～圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)組軸承潤(rùn)滑脂均已氧化、干涸，且軸承滾子存在不同程度的磨損、點(diǎn)蝕以及高溫氧化現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)采用新傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的大車行走機(jī)構(gòu)安裝完成后，對(duì)裝卸料機(jī)大車運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)，大車行走機(jī)構(gòu)異音問題消失，機(jī)構(gòu)在運(yùn)行期間的軸承潤(rùn)滑問題也得到解決，裝卸料機(jī)大車運(yùn)行的可靠性得到提升。因此裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)軸承潤(rùn)滑脂的加注功能，導(dǎo)致軸承功能失效所產(chǎn)生的異音，是導(dǎo)致裝卸料機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)可靠性不足的根本原因。

圖10 1號(hào)機(jī)組0° 側(cè)主動(dòng)輪軸承點(diǎn)蝕圖

圖11 1號(hào)機(jī)組0° 側(cè)主動(dòng)輪軸承滾子點(diǎn)蝕圖

圖12 1號(hào)機(jī)組0° 側(cè)主動(dòng)輪軸承滾子點(diǎn)蝕圖

5 總結(jié)

方家山機(jī)組國(guó)產(chǎn)化裝卸料機(jī)作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試的自動(dòng)化裝卸核燃料設(shè)備，雖然存在著一定缺陷與不足，但經(jīng)過維修多年經(jīng)驗(yàn)積累對(duì)其進(jìn)行局部改進(jìn)，已逐步提高了整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。大車行走過程中出現(xiàn)的異音，從行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)防性維修項(xiàng)目的逐步剖析，排查異音產(chǎn)生原因的可能性：軸承潤(rùn)滑缺失造成的功能失效產(chǎn)生。對(duì)大車行走機(jī)構(gòu)中軸承潤(rùn)滑脂通道的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，采用車輪軸增加潤(rùn)滑脂通道的方式，配合新軸套設(shè)計(jì)及軸承的重新選型，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂加注功能。最終通過現(xiàn)場(chǎng)改造的實(shí)施及結(jié)果驗(yàn)證：大車行走機(jī)構(gòu)的軸承潤(rùn)滑脂缺失引起的功能失效，是導(dǎo)致軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生異音的根本原因。

論文通過理論數(shù)據(jù)計(jì)算，結(jié)合三維模擬、有限元分析等途徑，對(duì)車輪軸增加潤(rùn)滑脂通道的新方案進(jìn)行功能論證，并在方家山機(jī)組QF-OT105、QF-OT205大修中成功應(yīng)用，為裝卸料機(jī)的安全運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)本論文的分析、應(yīng)用亦可推廣至同類型裝卸料機(jī)上，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，為國(guó)產(chǎn)化裝卸料機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修積攢寶貴的經(jīng)驗(yàn)。