國產化裝卸料機大車行走機構可靠性提升的研究與應用

何家歡，朱彩軍

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 概述

1.1 背景

裝卸料機作為核電廠燃料操作與貯存(PMC)系統的關鍵設備之一，通過與燃料轉運裝置配合，完成反應堆核燃料的裝料和換料。方家山核電項目的裝卸料機是中核集團首批自主國產化的百萬級核電機組裝卸料機，由中國核電工程有限公司自主設計、制造、供貨。由于生產廠家在缺乏裝卸料機制造和調試經驗的情況下完成首臺裝卸料機樣機制造，并通過評審。將首臺工程樣機和第一臺產品分別安裝至方家山1號和2號核電機組，雖然經過調試和運行的磨合，但仍存在部分部件因設計的缺陷存在設備運行的不可靠以及維修可實施性不便利的情況。

截至方家山機組第四次換料大修結束，裝卸料機已經歷5次的裝料和4次的卸料工作，在此期間維修人員發現裝卸料機大車行走機構暴露出可維修性不便利的弊端。機組前二次大修，裝卸料機大車運行過程中出現重復性、間斷性的異音，隨后的兩次大修，大車行走機構內部的異音由原來的間斷性發展為持續性，且發生異音的行徑軌跡也有明顯增長。

1.2 共性問題

裝卸料機大車在行走過程中發出的異音，嚴重影響了大車運行機構的可靠性，是裝卸料機運行過程中極大不安全的因素。通過資料收集和現場檢查，發現不僅是方家山機組裝卸料機大車行走過程中存在異音，在其他核電的同類型裝卸料機上，也同樣存在大車行走過程中發出異音的現象。

因此裝卸料機大車行走機構可靠性不足不僅僅是一個安全問題，更是一個困擾同類型裝卸料機的共性問題。

2 異音分析

結合大車行走機構的傳動原理和預防性維修項目的分析，判斷異音發生來源，才能提出有效的解決方案。

大車行走機構設計如圖1所示，將裝卸料機大車行走機構分成三部分：電機、減速箱1組成的輸入結構；車輪軸6、軸承3、隔套4組成的傳動結構；車輪7、軌道、導向輪組成的輸出結構。裝卸料機通過PLC控制電機轉動，電機輸出轉矩至減速器1，通過車輪軸6將轉矩輸出到車輪7，由車輪7的轉動實現裝卸料機的運行。

2.1 預防性維修項目分析

查閱裝卸料機運行維修手冊、預防性維修大綱、維修規程、電機和減速箱的說明書等資料，目前大車行走機構的預防性維修項目主要有以下四個方面。

1)運行電機電源相線間絕緣測量，確保電機運行正常。

2)減速器潤滑油的油位和品質進行定期檢查及更換，確保減速器功能正常。

3)大車運行軌道壓板螺栓和車輪緊固螺栓力矩復驗，確保大車軌道無偏差、松動缺陷。

4)大車行走機構水平導向輪定期檢查、更換，保證導向輪功能的完整。

利用上述預防性維修手段，結合現場實際情況的逐一驗證，判斷裝卸料機大車行走機構異音的來源均不是由電機運行異常、減速器損壞、軌道松動、水平導向輪與軌道的滾動摩擦、車輪與軌道的滾動摩擦所造成的。

2.2 傳動結構分析

裝卸料機大車行走機構的預防性維修項目均是對輸入結構、輸出結構的檢查和預防性維修，并沒有對行走機構中的傳動結構進行預防性維修。結合裝卸料機大車行走機構中傳動結構部件，如圖2所示，分析異音的來源可能存在以下三種情況：

圖2 大車行走機構三維模擬建模

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，運行過程產生相對滾動或竄動造成異音；

3)軸承3采用調心滾子軸承，軸承滾子磨損后造成異音。

針對上述三種可能情況，采取如下措施：

1)使用內窺鏡，對防塵罩5進行觀察，發現在裝卸料機大車運行過程中防塵罩5無松脫，功能完整，排除其產生異音的可能性。

2)使用千斤頂將裝卸料機橋架頂起，手動打開電機抱閘后進行車輪盤動，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，證明軸承3是異音產生的最大可能位置。

3)結合行走機構圖紙，利用三維模擬建模分析大車車輪傳動結構，如圖2所示，傳動結構中軸承并沒有設計任何可以加注潤滑脂的通道或者其他潤滑方式，此為預防性維修不可達項目。由于反應堆在運行期間裝料機停放位于反應堆換料水池區域，機組運行期間其廠房內長期處于35 ℃以上溫度、干燥的運行環境，軸承內部的潤滑脂出現干涸，無法保持軸承內滾動體與內、外圈滾道潤滑，在裝卸料機運行過程中其出現接觸應力作用下的疲勞點蝕，造成軸承的功能失效。其直接后果就是導致軸承在運動時產生發熱和異音。

雖然裝卸料機在設計文件中已明確規定：大車運行機構軸承在裝卸料機壽命周期內可實現終身免維護，但明顯大車運行機構在設計時并未考慮裝反應堆廠房內高溫、干燥的運行環境。裝卸料大車行走機構如果考慮更換軸承或加注潤滑脂，需在換料水池搭設腳手架，從橋架內側進行電機和減速器拆解，維修極為不便。所以方家山機組兩臺裝卸料機運行至今，除首次廠家組裝時加注的潤滑脂以外，無其他在不拆卸大車運行機構條件下開展軸承潤滑脂更換或添加的預防性維修手段，軸承經過歷次大修運行，已逐漸出現軸承的磨損而導致功能失效的風險。

3 軸承潤滑方案設計及驗證

針對傳動結構中軸承無法加注潤滑的問題，在滿足裝卸料機大車行走機構輸入和輸出結構的原設計尺寸限制：軸承與車輪軸的尺寸均需滿足原設計的前提下，提出以下兩種方案，并對方案進行分析和討論。

3.1 橋架上方增加潤滑脂通道

在大車橋架增加潤滑脂通道，如圖3所示結構設計，采用軸承潤滑脂通道加注方式：潤滑脂從橋架上方的潤滑脂通道注入，通過傳動軸與軸承的內部空腔進入軸承滾動體內部，起到軸承潤滑的效果。但考慮到現場全封閉箱式結構上增加流道作業實施難度大，不確定因素多，且不能對軸承、隔套與軸進行檢查，無法從根本解決問題；同時現場熱切割應力無法直接消除，影響后續裝卸料機運行的精度。

圖3 橋架上方增加潤滑脂通道示意圖

綜合考慮，此方案在橋架上增加潤滑脂通道實施難度大，可靠性低，不采納。

3.2 車輪軸上增加潤滑脂通道

采取車輪軸適配部分空心潤滑脂通道的結構設計，如圖4所示，傳動結構的新設計包括：車輪軸6、隔套4的重新設計和加工；軸承3的重新選型。

圖4 新大車行走機構剖視圖

新車輪軸6為保證與裝卸料機原大車行走機構尺寸的相適配性，僅在有車輪側加工直徑8 mm，深度216 mm的中心孔作為潤滑脂通道。新隔套4對稱加工4個小方孔，新軸承3采用外圈滾道設計有小孔，滿足潤滑脂通過的需求。從新輪軸6側方加注的新潤滑脂可以順利通過新車輪軸6內的潤滑脂通道、新隔套4的小方孔抵達新軸承3的滾子處，舊潤滑脂通過新軸承3外圈滾道的小孔排出。

該方案需對裝卸料機大車行走機構進行解體更換，實現軸承、隔套與軸的檢查，且現場無切割作業，對裝卸料機大車橋架本體無影響，最大程度地保證了裝卸料機原設計運行精度，所以車輪軸上增加潤滑脂通道的方案可實施性高，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核燃料轉運安全的特殊意義，新車輪軸增設潤滑脂通道后，在裝卸料機28 t的重力下，大車運行速度最高可達15 m/min，對大車車輪軸的強度校核是至關重要的。下面著重對新車輪軸的設計進行強度理論計算和有限元分析，保證新設計軸設計的安全可靠性。

3.2.1 新車輪軸的強度計算

軸在使用過程中出現喪失其規定功能的現象稱為失效[1]，軸的功能主要承載減速器輸出轉矩以及裝卸料機作用于軸的力。軸的工作能力主要取決于它的強度和剛度，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力性質和大小，材料的力學性能，其結構形狀、加工方法和工作環境等。新車輪軸采用的材質為40 Cr，該材質主要用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸[2]。新車輪軸調質后布氏硬度HB241～286，抗拉強度σb≥735 MPa，屈服強度σs≥540 MPa，低溫回火洛氏硬度HRC達48～55。

涉及的大車車輪軸包括驅動軸和從動軸各2根，由于兩側軸的結構類似，根據受力分析確定大車車輪驅動軸受力較大，故僅對大車車輪驅動軸進行強度校核。校核依據是“裝卸料機零部件的最大設計應力應小于材料抗拉強度的 20%，即σ<0.2σb。該應力由正常運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力[τ]T=σ<0.2σb=0.2×735=147 MPa。

車軸截面的切應力τT=T/WT=T/(0.2d3)≤[τ]T

式中，τT——切應力，MPa；

T——軸所受到的轉矩，N·mm；

WT——軸的抗扭界面系數，mm3；

d——軸的計算直徑，mm；

[τ]T——許用切應力，MPa。

式中空心軸的抗扭界面系數WT=π(D4-d4)/16D。

根據裝卸料機大車車輪軸的受力分析，當小車位于大車 180° 側極限位置時，單側大車驅動輪軸受力最大，電機額定轉矩9 500 N·mm通過減速器放大轉矩，減速比為113.56，此時輪軸所受到的轉矩T=9 500×113.56=1 078 820 N·mm。分析需要核算的危險截面為A-A和 B-B，如圖5所示位置。

圖5 車輪軸危險斷面示意圖

將參數帶入計算得：

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

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

由上述計算可知兩處危險截面的切應力均小于材料抗拉強度的20%，新車輪軸強度滿足要求。

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。設定參數后進行有限元分析運算，裝卸料機由靜止到運動這一瞬間過程可以看作電機克服裝卸料機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。輸入端是電機通過減速器與新車輪軸的連接鍵輸出負載，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

將車輪軸進行有限元網格化，得到圖8的網格圖像。運行軟件的有限元計算，可以直觀地判斷在額定負載工況下的新設計車輪軸滿足使用工況的強度要求，如圖9所示。

圖8 車輪軸有限元網格圖

圖9 車輪軸應力分析圖

傳動結構車輪軸上增加潤滑脂通道方案實現對軸承加注潤滑脂的功能，其設計強度滿足裝卸料機運行安全需求。

4 可靠性改造現場實施

方家山機組裝卸料機大車行走機構可靠性提升的現場實施工作在機組QF-OT105、QF-OT205大修低低水位期間實施，單機組所用時間不到36 h。本小節著重對可靠性改造工作現場實施過程中的重點以及實施結果進行論述。

4.1 實施過程

裝卸料機大車行走機構的更換工作需將車架頂起80 mm預留出足夠的操作空間，綜合考慮反應堆水池防異物工作要求、懸吊架維修平臺搭設空間、輻射環境放射性劑量水平，選擇裝卸料機停靠至270° 側進行可靠性實施。

針對裝卸料機運行定位精度要求高的特點，其傳動結構中各部件之間的尺寸均存在聯動性，安裝偏差直接導致裝卸料機運行精度的偏離。所以本次可靠性改造項目拆除過程對行走機構各部件的關鍵尺寸均進行復測和記錄，作為新車輪軸回裝參考依據，確保裝卸料機大車行走機構改造后運行精度的可靠。

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量。軸承的安裝應根據軸承結構、尺寸大小和軸承部件的配合性質而定，壓力應直接加在緊配合的套圈端面上，不得通過滾動體傳遞壓力[1]。因此，采取感應加熱法安裝，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體的退火，影響硬度和耐磨性，導致軸承壽命降低。同時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 實施結果

完成裝卸料機大車行走機構拆解，對解體得到的軸承和車輪軸磨損情況進行檢查，如圖10～圖12所示，可以發現兩個機組軸承潤滑脂均已氧化、干涸，且軸承滾子存在不同程度的磨損、點蝕以及高溫氧化現象。現場采用新傳動結構的大車行走機構安裝完成后，對裝卸料機大車運行進行試驗，大車行走機構異音問題消失，機構在運行期間的軸承潤滑問題也得到解決，裝卸料機大車運行的可靠性得到提升。因此裝卸料機大車行走機構傳動結構設計不能實現軸承潤滑脂的加注功能，導致軸承功能失效所產生的異音，是導致裝卸料機大車行走機構可靠性不足的根本原因。

圖10 1號機組0° 側主動輪軸承點蝕圖

圖11 1號機組0° 側主動輪軸承滾子點蝕圖

圖12 1號機組0° 側主動輪軸承滾子點蝕圖

5 總結

方家山機組國產化裝卸料機作為國內首臺自主設計、制造、調試的自動化裝卸核燃料設備，雖然存在著一定缺陷與不足，但經過維修多年經驗積累對其進行局部改進，已逐步提高了整機運行的穩定性和可靠性。大車行走過程中出現的異音，從行走機構結構設計和預防性維修項目的逐步剖析，排查異音產生原因的可能性：軸承潤滑缺失造成的功能失效產生。對大車行走機構中軸承潤滑脂通道的方案進行設計和驗證，采用車輪軸增加潤滑脂通道的方式，配合新軸套設計及軸承的重新選型，實現潤滑脂加注功能。最終通過現場改造的實施及結果驗證：大車行走機構的軸承潤滑脂缺失引起的功能失效，是導致軸承在運動時產生異音的根本原因。

論文通過理論數據計算，結合三維模擬、有限元分析等途徑，對車輪軸增加潤滑脂通道的新方案進行功能論證，并在方家山機組QF-OT105、QF-OT205大修中成功應用，為裝卸料機的安全運行打下堅實的基礎。同時本論文的分析、應用亦可推廣至同類型裝卸料機上，進行經驗反饋，為國產化裝卸料機設計、運行和維修積攢寶貴的經驗。