核电厂新型抓取工具的设计与应用

核电厂新型抓取工具的设计与应用
贾保军;刘永骏;张远;周礼;李会义;刘红雨;邹鹏
【摘要】核电厂抓取工具用来完成对操作对象的抓取与释放操作.传统操作工具都需要额外动力或人工执行抓取和释放动作.纯手动方式往往操作比较繁琐,而且存在因误操作造成跌落事故的风险.气动、电动需要额外动力源,使其结构及连接复杂,可靠性差.本文介绍了一种基于星形轮装置的新型抓取工具,能自动完成抓取和释放,极大地提高可操作性.本技术可广泛应用于核电厂操作设备上,具有良好的推广应用价值和经济效益.
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2018(031)005
【总页数】3页(P75-77)
【关键词】核电厂;抓取工具;星形轮;自动操作
【作者】贾保军;刘永骏;张远;周礼;李会义;刘红雨;邹鹏
【作者单位】上海核工程研究设计院,上海 200233;上海核工程研究设计院,上海200233;江苏核电有限公司,江苏连云港 222042;江苏核电有限公司,江苏连云港222042;江苏核电有限公司,江苏连云港 222042;江苏核电有限公司,江苏连云港222042;江苏核电有限公司,江苏连云港 222042
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
0 引言
核电厂操抓取工具一般都需要通过抓头的张开和闭合来完成对操作对象的抓取与释放操作。

该类设备具有种类多、数量大，结构特殊，应用范围广的特点。

传统操作工具都需要额外动力(如气动、电动)或人力执行抓取和释放动作，其中大部分为人工操作。

在国产30万机组中，燃料相关操作工具均为手动操作，只有燃料抓取机的控制棒抓取机构为气动辅助操作。

在AP1000机组中也基本如此，除驱动杆装
拆工具和辐照监督管安装工具分别为气动、液压操作外，其余均为手动操作。

纯手动方式往往操作比较繁琐、人员工作量大，而且存在因误操作造成跌落事故的风险。

气动、电动虽是自动操作，但因需要额外动力源，使其结构及连接复杂，可靠性差。

为了满足纯机械自动化操作需求，作者研发了一种基于星形轮装置的新型抓取工具，能达到“无需动力(如气动、电动)或人工进行操作，抓具落到位后，自动完成对操作对象的抓取和释放”的功能，极大地提高了可操作性。

目前该抓具已应用于田湾核电厂换料大修的控制棒抓取中，解决了原先的故障问题，且性能大幅提高；同时也应用在AP1000标准设计及后续国产化核电厂辐照监督管操作工具，秦山三厂
乏燃料篮操作工具，以及恰希玛核电厂阻力塞操作工具的设计上。

1 新型抓具设计
新型抓具主要由星形轮装置、配属结构以及抓具专有结构三部分组合而成，如图1所示。

1.1 星形轮装置
星形轮装置如图2所示。

图1 新型抓具结构功图2 星形轮装置(连能分解接状态)
星形轮[1]是一个中间连接件，通过圆柱销装在芯轴的头部开槽上，可以仅靠芯轴
的往复运动来驱动旋转，卡或不卡在芯轴与套筒之间，按顺序自动实现两者的连接
与脱开。

1.2 配属结构
星形轮装置动作复杂，为了保证所有动作的准确、可靠，设计上还配备了一些专用结构[2]，主要有：
(1) 钢珠：卡在内、外套筒之间起限位作用，在抓具吊运过程中形成机械自锁，防止意外掉落；
(2) 止动销：头部有45°台阶，对星形轮起防止逆转作用；
(3) 弹片：卡在止动销一端，为止动销提供回弹力；
(4) 顶针及弹簧：通过弹簧挤压，推顶星形轮旋转。

1.3 抓具专有结构
抓具本身还具有一些专有结构，与星形轮及其配属结构相结合，作为抓取和释放的执行机构，主要有：
(1) 抓头：可以围绕销轴张开或闭合，从而与操作对象对接或脱开；
(2) 端头：端头上有开槽和销孔，用以安放抓头；
(3) 外套筒：端头安装在其下部，为连接杆、内套筒的轴向往复运动起导向作用；
(4) 端盖：安装在外套筒顶部，当连接杆碰到端盖后，带动整个抓具提升。

图3 核电厂新型抓取工具
1.4 抓具总体
将上述星形轮装置应用到抓取工具上，通过其与抓具的配合，形成了一种基于星形轮装置的核电厂新型抓取工具(见图3)。

1.5 抓取工作原理
抓具的一次完整操作共有如下7个步骤：
(1) 为初始状态，工具位于操作对象正上方，连接杆、内套筒及推杆处于最上端，星形轮卡在内套筒槽孔上端，抓头处于闭合状态，工具处于自锁状态；
(2) 工具下降到抓取位置，连接杆、内套筒及推杆继续下降，抓头张开，星形轮对顶针及弹簧进行压缩，工具解锁；
(3) 星形轮脱开槽孔约束，在弹簧及顶针作用下逆时针旋转，止动销弹出防止逆转，工具重新自锁；
(4) 连接杆带动工具及操作对象提升，钢珠滑入到内、外套筒之间起限位作用；
(5) 工具及操作对象下降到释放位置后，连接杆继续下降，星形轮对顶针及弹簧进行压缩，工具解锁；
(6) 星形轮脱开槽孔约束，在弹簧及顶针作用下，发生逆时针正转，工具重新自锁；
(7) 连接杆提升，钢珠滑入凹槽及内套筒开孔间，星形轮卡到内套筒的槽孔上端并带动内套筒、推杆进行提升，抓头闭合，回到初始状态。

2 推广应用
2.1 田湾控制棒抓取工具
田湾核电厂的控制棒抓具是装换料机的一个重要部件，须自动完成对控制棒组件的抓取、提升、下降和脱开功能，其对控制棒的操作是大修关键路径上的工作项目。

原有抓具在使用时，先后出现了对控制棒组件抓取、脱开困难等故障，这使装换料时间延长，影响了大修进度，造成了很大的经济损失。

将新型抓具应用在“装卸料机控制棒抓具”上，通过在堆上实际使用，在连续多次大修中均顺利完成对控制棒的一次性操作，中途无故障发生，并且缩短了整个电厂的换料大修周期，创造了良好的经济效益，抓具的首次成功应用(也是本研究的项
目来源)，证明了新型抓具的先进性、可靠性和经济性。

图4 抓具实物产品
2.2 AP1000辐照监督管操作工具
AP1000辐照监督管操作工具用于将辐照监督管从下部堆内构件中移出后放入专用运输容器以移出反应堆厂房。

原有工具采用了传统设计，为纯手动方式，人员须分
别操作手柄和滑套来进行抓取和释放。

原设计存在两大不足：一是由于工具抓取位置位于堆芯，而存放位置在换料水池边，两者之间标高差约5 m，因此，工具要求长度很长，在存放时必须拆成两段，使得结构和拆装复杂；二是工具只有一个人工操作手柄，由于需要在不同标高操作，操作繁琐。

在AP1000标准设计及后续国产化核电厂辐照监督管操作工具设计中，通过对本文所述新型抓具的适应性改进，形成了工具的一种创新设计(结构如图5所示)。

该工具不但继承了新型抓具的自动操作优势，而且解决了原设计存在的问题。

2.3 秦山三厂乏燃料篮操作工具
乏燃料篮操作工具在乏贮水池使用，原来为气动工具，其具有抓取燃料篮和篮盖两个功能。

抓取篮盖时由四组气缸分别驱动抓头，抓取燃料篮时由气缸推动顶头将钢珠压入燃料篮连接柄。

由于使用多台气缸分别操作，工具动作不一致，经过多年运行出现的故障较多，可靠性不高。

图5 新型辐照监督管操作工具结构
鉴于这些情况，需对工具进行相应改进，重新设计加工制作。

新工具采用星形轮机构来实现燃料篮的自动抓取，采用连杆机构来抓取篮盖，新设计实现了一个工具两种功能，操作安全、可靠、简便。

图6 乏燃料篮操作工具1.操作机构 2.抓取机构 3.星形轮机构 4.端头 5.快速插销2.4 恰西玛阻力塞操作工具
恰西玛核电厂的可燃毒物组件和阻力塞组件原先使用同一个操作工具。

使用时，工具吊挂在燃料抓取机的吊钩上，操作人员在抓取机的操作平台上对其进行操作，对燃料组件中的可燃毒物组件抽拔或对阻力塞组件进行更换。

由于可燃毒物很长，在抽拔过程中需要对棒束进行导向，该操作工具配有导向梳，而阻力塞长度则很短，抽拔时无需导向，因此用同样的工具操作显得较为繁琐。

核电厂需要为阻力塞组件开发一种专用工具来简化操作，这同样可以通过对本文所述
新型抓具的适应性改进设计来达到。

图7 阻力塞操作工具结构图
3 结论
本文所介绍的基于星形轮的核电厂新型抓取工具，具有以下优点：
(1) 开发的星形轮装置，能够仅依靠芯轴的往复运动，按顺序自动实现轴、套的间歇连接与脱开。

(2) 将星形轮应用到抓取工具上，能达到无需动力或人力进行操作，抓具自动完成对操作对象的抓取和释放功能，极大地提高了可操作性。

(3) 抓具在吊运过程中形成机械自锁，确保操作对象不会因误操作等发生跌落事故，操作安全可靠。

(4) 抓具结构简单，经济性高、可维护性好。

该抓具已在核电厂一系列操作设备上成功应用，取得了良好的经济效益；同时，经过适当调整，可广泛运用于核电站机械操作设备上，具有良好的推广应用价值。

参考文献：
【相关文献】
[1] 成大先.机械设计手册[M].第5版.北京：化学工业出版社，2008.
[2] 刘劲松.工程材料与热加工实践[M].北京：清华大学出版社，2011.。