核電廠裝卸料機管嘴抱卡機構故障機理分析

張連生

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

坎杜6 重水堆核電站是世界上在役的先進核電站之一。它的一大特點是不停堆換料。裝卸料機就是專門為實現這一特點而設計。每個重水堆有2 臺裝卸料機，分別位于反應堆兩側，它們通常一起工作，以完成燃料更換。

管嘴抱卡機構是裝卸料機的一部分，其功能是將裝卸料機與燃料通道端部件進行可靠連接，保證換料過程中壓力邊界的完整性。

管嘴機構包括抱卡螺栓、抱卡螺母、卡爪及連桿、驅動油缸、齒條、軸承、彈簧等。當油缸中的齒條驅動抱卡螺栓齒輪轉動，抱卡螺母做軸向直線運動，卡爪收縮并后撤壓住燃料通道端部件（圖1）。

圖1 管嘴抱卡組件

近幾年裝卸料機管嘴機構出現過幾次不能正常解除抱卡的問題（圖2）。下面以1#裝卸料機管嘴機構為研究對象，對管嘴組件的故障機理進行分析，重點討論傳動螺紋（ACME 螺紋）的性能參數。

圖2 裝卸料機

1 故障原因排除

1#裝卸料機換料結束后，出現了管嘴抱卡機構無法從燃料通道解除抱卡的故障。現場檢查，排除了液壓控制回路和儀表回路的故障可能，確認故障集中表現在管嘴抱卡機構的機械傳動部件（圖3）。通過增加解抱卡油壓（5.4 MPa 時解鎖）的方式將裝卸料機解抱卡并轉運至檢修間檢修。

對管嘴抱卡機構進行抱卡和解抱卡動作試驗，發現在正常工作情況下無論在管嘴抱卡和解抱卡時，抱卡螺母都先發生約0.1 mm 的圓周方向轉動，被導向塊限制圓周運動然后再軸向動作。而在管嘴解抱卡故障時，隨著解抱卡油壓的升高，抱卡螺母也是先轉動約0.1 mm，然后卡住，之后繼續增大到一定油壓后才軸向運動并解除抱卡。由此判斷，無法解抱卡的主要阻力來源于抱卡螺栓螺母ACME 螺紋之間，內外螺紋承載面仍緊貼在一起沒有相對位移。

圖3 管嘴抱卡組件

對故障管嘴抱卡機構進行解體檢查后，排除了軸承、預載彈簧和卡爪等其他零部件的故障可能。但是發現，抱卡螺栓的ACME 螺紋承載面有較嚴重的拉傷，ACME 外螺紋中徑超出誤差范圍，因此將問題焦點鎖定在了ACME 外傳動螺紋上。為了探究ACME 螺紋的故障機理，需要進一步分析計算。

2 管嘴抱卡機構ACME 螺紋傳動性能參數計算

2.1 ACME 螺紋的計算方法

ACME 螺紋參數見表1。

表1 ACME 螺紋參數

實測結果顯示，中徑低于標準0.5 mm，表面光潔度略超標，硬度滿足要求。

（1）抱卡夾緊力計算見式（1）。

式中 F——抱卡筒夾緊力

M——液壓缸產生的驅動力矩

d2——螺紋中徑

λ——螺紋升角

ρ＇——螺紋副的當量摩擦角

已知d2=9.722 in（246.938 8 mm），λ=3.75°。當λ＜ρ＇時，滿足自鎖條件。

（3）油缸轉動力矩計算公式為M=P0×A×D0。其中，P0為驅動液壓缸壓力計算假設壓力，3.5 MPa；A 為單個液壓缸受力面積受力面積，4200 mm2；D0為齒輪中徑。

2.2 計算結果

（1）抱卡狀態下的當量摩擦系數計算。1#裝卸料機的正常管嘴抱卡力為64 000 磅（29 000 kg），油壓為3.5 MPa，帶入式（1），計算得螺紋副當量摩擦系數為約0.039 5。

（2）自鎖角計算。根公式計算可知，當管嘴抱卡力64 000 磅時，螺紋實際自鎖角為2.37°。此時螺紋升角λ＞自鎖角ρ＇。螺紋不能自鎖。

（3）故障工況時的螺紋自鎖角。發生故障時抱卡力預計仍為64 000 磅，解抱卡油壓約5.4 MPa，計算得ACME 螺紋副當量靜摩擦系數約0.226，自鎖角為約13.14°，遠大于螺紋升角。

由以上計算可以知道，正常情況下管嘴機構抱卡動作完成時，ACME 螺紋副的當量動摩擦系數為0.046。抱卡動作完成后，抱卡機構不再動作，抱卡力維持64 000 磅不變。

而在故障工況下，管嘴機構開始解除抱卡時，抱卡螺栓和抱卡螺母之間未發生相對移動，因此將此時的摩擦阻力視為靜摩擦阻力，計算得知當量靜摩擦系數變為0.226，自鎖角約13.14°，螺紋實現自鎖。當量靜摩擦系數顯著變大，說明ACME 螺紋副傳動機構存在嚴重問題，螺紋副之間的配合在抱卡動作完成后發生了突變。

3 故障原因確定

考慮影響螺紋當量摩擦系數的可變因素，主要包括接觸率和表面光潔度。而接觸率又受中徑影響。對故障螺栓進行了檢查，發現故障螺栓螺紋承載面解觸率較低。進一步檢查發現，ACME 外螺紋的中徑低于標準0.52 mm，且圓柱度差，螺紋承載面表面存在損傷。另外，測量了軸向和徑向竄動量：徑向竄動0.88 mm，軸向竄動1.06 mm，超標比較明顯，該參數與ACME 螺紋中徑相關。表面光潔度略超標，判斷影響較小。抱卡螺母的內螺紋狀態較好，不做進一步分析。

螺紋中徑和接觸率等參數的下降，將影響整個機構的傳動性能，會使管嘴抱卡機構不穩定。在ACME 螺紋狀態惡化的情況下螺紋面當量摩擦系數增大，使螺紋自鎖角增大。通過計算可知，當量靜摩擦系數增加到約0.068 時自鎖角等于螺紋升角3.75°。即當量靜摩擦系數增大到大于0.068 時螺紋副實現自鎖。當量靜摩擦系數增大到0.168 時，管嘴機構不能解除抱卡。根據計算當量摩擦系數增加到0.226 時，油壓需要增加到5.4 MPa以上才能夠解鎖。

因此裝卸料機管嘴機構不能解除抱卡原因為抱卡螺栓ACME 螺紋狀態下降，管嘴抱卡螺母螺紋在抱卡過程中相對抱卡螺栓螺紋傾斜，導致傳動螺紋面局部受力過大，當量摩擦系數不穩定，抱卡后急劇增大，使得該套抱卡螺栓螺母組件的傳動螺紋產生自鎖，并且自鎖后所需的解鎖力量大于驅動油缸提供的解抱卡力量，需要增大油壓才能完成解抱卡動作，即解鎖螺紋。根據目前已知的情況可以判斷，本次管嘴抱卡故障主要是長期運行磨損造成ACME 螺紋表面狀態下降造成的。

由于ACME 螺紋中徑已超標，并且螺紋承載面劃痕不可修復，因此用備件進行了更換。更換后，設備狀態恢復正常。

4 總結與展望

對裝卸料機管嘴機構ACME 螺紋的性能參數進行了計算和分析，初步確定了裝卸料機管嘴機構不能解抱卡的原因為ACME 螺紋參數改變、狀態下降，造成傳動性能不穩定，當量摩擦系數和摩擦阻力存在突變的現象。當量摩擦系數的變化對管嘴抱卡機構的傳動效率、自鎖角等影響較大，而影響螺紋當量摩擦系數和摩擦阻力的主要因素為結構尺寸，建議對其進行進一步的測量和研究，明確預防措施，使傳動螺紋處于良好的工作狀態，從而確保裝卸料機的安全穩定運行。