乏燃料組件提升翻轉機結構設計及動力學分析

易力力，史慧民，王時龍，周 杰，楊 波，董建鵬，周科源，李 海

(1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

先進的閉式燃料循環系統能利用快堆增殖和嬗變的特點，充分利用鈾資源，實現廢物最少化，從而確保核能的可持續發展[1]。首端設施中剪切機系統是后處理廠的重要部分，提升、翻轉是剪切機系統前端關鍵功能，其中提升功能是將豎直放置于冷卻水池的乏燃料組件提升進熱室，翻轉功能是將組件從垂直狀態轉至水平位置以實現臥式送料。目前，國內外學者僅針對提升機和翻轉機分別開展了相關研究[2-3]，但提升翻轉機設計和分析方面的研究較少。石航等[4]設計了一種采用鏈傳動的圓桶提升翻轉機構，可提升200 kg的圓桶翻轉180°，黃笑梅等[5]針對鑄造模殼清洗提升翻轉機設備研究了驅動力最低的結構參數優化，均不適用于輻照環境下乏燃料組件的提升翻轉；周杰等[6]對強輻射棒料提升翻轉機構進行了抗震性分析及優化，但對提升翻轉機具體結構及動力學未進行深入分析；田志俊等[3]建立了提升系統的連續彈性體數學模型，研究摩擦式提升系統尤其是鋼絲繩的動力學特性，李海龍等[2]基于參研的核電大型件翻轉機經驗，研究了翻轉機設備運行過程中的復雜受力狀態，獲得了不同翻轉方案下關鍵力學參數的動態變化趨勢及設備極限載荷下關鍵運動節點的應力場。

本文擬分析提升翻轉機的兩種結構形式，根據提升翻轉同步進行方案設計基于雙導軌提升翻轉機構的提升翻轉機，利用動力學分析軟件ADAMS對該機構進行動力學仿真分析，研究該機構在提升、下降正常工況和鋼絲繩斷裂異常工況下的動力特性曲線，從而論證雙導軌提升翻轉同步機構設計的有效性和可行性。

1 提升翻轉機結構設計及疲勞壽命分析

1.1 提升翻轉機結構設計

目前提升翻轉機主要有兩種結構形式，如圖1所示。圖1a所示結構是提升和翻轉分步進行，即先用提升機將燃料組件從燃料貯存水池送入機械處理熱室，然后用橋式抓取機將其轉運至裝料臺上。圖1b所示結構是提升和翻轉同步進行，即在燃料組件從燃料貯存水池提升至機械處理熱室的同時，同步將組件從垂直狀態轉至水平位置以完成翻轉功能。兩種結構形式各有優缺點，提升和翻轉分步進行的結構中，提升機和翻轉機分別完成獨立的功能，設備成熟度較高；而提升和翻轉同步進行的結構中，一個設備同時完成提升和翻轉功能，結構緊湊、體積小巧、工作適應性強，不僅從設備數量上提高了系統可靠性，而且能有效縮短工時，提高工序效率。

a——分步式方案；b——同步式方案圖1 乏燃料提升翻轉機的兩種結構形式Fig.1 Two structure of spent fuel assembly lifting upender

本文設計了一種雙導軌提升翻轉同步機構，如圖2所示，該設計可實現提升和翻轉同步進行。提升翻轉機主要由動力輸入單元、安全防墜單元和提升翻轉單元組成。動力輸入單元使用卷揚機作用動力輸入，為提升翻轉單元提供動力；安全防墜單元負責在提升翻轉過程中因斷電、鋼絲繩斷裂等意外情況下組件滑落時抱死組件小車；提升翻轉單元主要由上/下軌道、翻轉小車、料倉-料倉架組成，是提升翻轉組件的容器。豎直上料工位時，上料抓手從水池夾持1組乏燃料組件，并轉運到位于導軌底部的料倉內，完成上料動作；隨后動力輸入單元的卷揚機拉升翻轉小車，使其沿上軌道直線運行，料倉架在下軌道的導向下同步進行提升、翻轉動作；當料倉從豎直狀態完全翻轉成水平狀態，且提升到送料工位并與推料鏈箱和接料過渡料倉對接密封后，即完成了單組乏燃料組件的翻轉提升功能。

圖2 雙導軌提升翻轉同步機構Fig.2 Double guide rail with lifting flip synchronous mechanism

1.2 提升翻轉機疲勞壽命分析

在組件提升時防墜器受鋼絲繩拉力，而在組件返回水池時防墜器不受力，從核安全角度，需對提升翻轉機關鍵零部件防墜器進行靜力分析和疲勞壽命分析。

將防墜器摩擦塊與主拉桿設置成不分離接觸，其他構件均設置成固定連接，并在主拉桿上施加向上的拉力10 114 N，在基座上施加向下的拉力5 057 N，同時將基座底面固定，得到防墜器應力云圖，如圖3a所示。由圖3a可知，防墜器的最大應力為111.17 MPa，小于1Cr17Ni2的許用應力270 MPa，滿足強度要求。

使用恒定的振幅對防墜器進行疲勞分析。疲勞分析中對防墜器連線器頂部添加一幅值為2.67 t的力作為疲勞壽命分析的載荷，使用1Cr17Ni2材料的疲勞(S-N)曲線，進行疲勞壽命分析，結果如圖3b所示。由圖3b可見，當輸入循環應力載荷后，防墜器疲勞壽命為1×107次，滿足使用要求。

2 提升翻轉機動力學建模和分析

多體系統動力學是針對由多個剛性體或柔性體所構成的復雜系統的運動規律與受力特性的研究方向，它主要研究系統的動力學建模、分析、求解和控制等問題[7]。目前有多種商用多體動力學仿真軟件能對復雜機械系統進行仿真分析計算，得到各種速度、加速度等特性數據[8]。提升翻轉機需對乏燃料進行垂直提升和水平翻轉，其結構安全問題尤其重要，在輸送過程中運動不平穩可能導致乏燃料承受過大的沖擊，進一步可能引發嚴重核安全事故，因此，有必要對雙導軌提升翻轉同步機構進行動力學分析研究。

2.1 工況分析

雙導軌提升翻轉同步機構正常工作時分為提升翻轉工況和返回接料工況。提升翻轉工況下，翻轉小車攜帶組件被牽引向上運動，此時翻轉小車負載大、運動速度相對較慢，要求料倉運動平穩，速度波動小于10%，組件在提升翻轉過程中所受的沖擊力小于10 kN。返回接料工況下，翻轉小車空車退回至水池底部，此時翻轉小車的負載較小，但運動速度較快，要求此時料倉-料倉架部件的速度波動小于10%，避免運動部件承受過大的沖擊。

此外，隨著系統運行時間的增加，因零部件老化、疲勞等因素而出現異常情況的可能性隨之增加。定性分析可知，卷揚機鋼絲繩斷裂為危險性最大的異常工況，在此工況下，要求安全防墜單元反應迅速，在較短時間和距離內將翻轉小車和料倉-料倉架部件抱死在導軌上，組件所受沖擊力小于10 kN，且安全防墜單元對正常工況不產生影響，因此防墜單元應設計合理、參數適宜。

圖3 防墜器應力云圖和防墜器疲勞壽命Fig.3 Stress nephogram and fatigue life of fall arrestor

因此,為進一步保證乏燃料組件在提升、下降正常工況和鋼絲繩斷裂異常工況下的結構安全性，開展基于正常工況下提升翻轉和返回接料，以及異常工況下提升翻轉和返回接料4種情況的速度及加速度特性曲線分析研究。

2.2 ADAMS模型建立

1) 約束副設置

將雙導軌提升翻轉同步機構三維結構簡化后導入ADAMS/View 2013動力學仿真軟件[9]，在無相對運動的部件間設置固定副連接，如上/下導軌與地面之間添加固定副；在相對旋轉運動的部件間設置旋轉副，如料倉架滾輪與料倉架、翻轉小車車輪與翻轉小車之間分別添加旋轉副；在相對滑動的部件間設置滑動副，如翻轉小車沿上導軌傾斜運動添加滑動副。

安全防墜單元在異常工況下起極其重要的作用，其約束添加如圖4所示，在叉桿與基座和連板、連板與基座之間均添加旋轉副；在楔子對摩擦塊之間添加固定副，以仿真實現楔子對摩擦塊的楔緊功能；在基座與翻轉小車之間添加固定副。

圖4 安全防墜單元約束副設置Fig.4 Setting of restraint pair of safety anti falling unit

2) 構件接觸力設置

為仿真滾輪與導軌接觸、摩擦塊與上導軌之間的相互作用，須在車輪與導軌之間、摩擦塊與上導軌之間添加剛體與剛體的接觸力。ADAMS中計算接觸力的算法有兩種:將碰撞過程當作瞬時完成并通過懲罰函數與回歸系數計算接觸的基于回歸的接觸算法[10]和通過剛度系數和阻尼系數來計算的基于沖擊函數的接觸算法[11]。相比之下，剛度系數與阻尼系數較懲罰函數更易準確設置，本文使用沖擊函數法計算接觸力Fimpact。沖擊函數[12]表示為：

Fimpact=k(q0-q)e-

(1)

式中：cmax為最大阻尼系數，是指兩碰撞物體嵌入設計深度時的阻尼系數，反映的是物體碰撞過程中的能量損失，通常取剛度系數的0.1%～1%；q0為碰撞對象原始距離，m；q為碰撞對象實際距離，m；dq/dt為兩碰撞物體隨時間的變化率；e為碰撞指數，反映的是材料的非線性程度，金屬與金屬材料的碰撞一般取1.5；k為剛度系數；t為碰撞持續時間，s；d為嵌入深度，m；step函數用于防止碰撞過程中阻尼力的不延續。

對于旋轉體的碰撞，剛度系數k可采用式(2)、(3)[10,13]估計：

(2)

(3)

式中：E*為總體彈性模量，GPa；R為旋轉半徑，即車輪與導軌碰撞處直徑，m；E1為車輪材料彈性模量，GPa；E2為導軌材料彈性模量，GPa；μ1為車輪材料泊松比；μ2為導軌材料泊松比。

3) 材料屬性設置

ADAMS軟件在進行動力學計算時考慮了零部件的質量及回轉特性等因素[14-15]，因此需對仿真模型中的每個零件進行材料設置。零部件材料選擇和外形尺寸質量參數列于表1，各材料力學性能參數列于表2。根據表1、2在ADAMS軟件中對各零件添加相應材料的彈性模量、泊松比、密度等參數后，軟件可根據構件形狀數據直接計算出該構件的質量和各方向的轉動慣量。

表1 各部件尺寸、材料及質量Table 1 Dimension, material and quality of all parts

表2 主要材料力學性能參數Table 2 Mechanical property parameter of main material

圖5 輸入電機經減速器減速后的速度特性曲線Fig.5 Speed characteristic curve of input motor decelerated by reducer

4) 驅動設置

(1) 正常工況

正常工況下，組件是由翻轉小車在卷揚機牽引下沿上導軌做直線運動和料倉-料倉架部件圍繞轉軸做順時針翻轉運動合成的運動。因此，在ADAMS中按照提升翻轉工況和返回接料工況的實際要求，設置翻轉小車運動速度為66.67 mm/s和133.33 mm/s。為防止組件受沖擊損壞出現核泄漏事故，要求翻轉過程中翻轉小車的速度均勻性較好，應考慮電機啟動和停止時的加減速特性對整個機構運動特性的影響。因此，本文引入step函數增量式方法，按照提升翻轉工況和返回接料工況設計。

輸入電機經減速器減速后的速度特性曲線如圖5所示，計算時不考慮電機輸出速度波動對機構運動的影響。

(2) 異常工況

為防止鋼絲繩突然斷裂時提升翻轉小車失控滑落水池底部，導致組件受損從而造成核泄漏的重大安全事故，本文考慮了部件自重及防墜單元約束副作用下不加載其他驅動力時，對翻轉小車初速度為提升翻轉時66.67 mm/s和返回接料時133.33 mm/s分別進行仿真，分析這兩種異常工況下翻轉小車的制動抱死效果。

3 仿真結果分析

3.1 正常工況

1) 提升翻轉工況

提升翻轉工況共有3個階段：階段1完成對組件的45°翻轉；階段2為翻轉小車、料倉-料倉架沿上軌道傾斜運動；階段3完成對組件的90°翻轉。仿真結果如6a所示。在第1次翻轉階段，由于驅動施加在翻轉小車尾部驅動塊的質心，在提升開始時，不銹鋼組件沖擊加速度約為1.2 m/s2，隨后以較小的加速度加速到規定速度，并以該速度向上運動。在此過程中，組件的速度波動約為4 mm/s，沖擊加速度小于0.4 m/s2，按照組件平均速度約66.67 mm/s計算得到組件速度波動約為6%，小于10%，按照表1中乏燃料組件的質量計算得到組件所受沖擊力約為0.13 kN，遠小于10 kN。在完成第1次翻轉的同時，組件速度略下降約3 mm/s，其原因是在翻轉45°過程中，組件速度由沿上導軌向上的直線運動和圍繞樞軸的回轉運動合成，而翻轉結束后組件無回轉運動。在直線運動階段，組件的速度波動很小，在2 mm/s以內，且其所受的沖擊加速度不超過0.3 m/s2，折算沖擊力約為0.1 kN，仍遠小于10 kN。直線運動結束后，組件進行第2次翻轉，其速度稍有增加。由于第2次翻轉是由下導軌引導料倉架前滾輪進行翻轉，且滾輪頂部受下導軌約束，提升翻轉即將結束時，在組件重心的作用下料倉架前滾輪向下沖擊運動，使滾輪變成“半嵌入”式滾動。此時組件受到約為0.8 m/s2的沖擊加速度，折算沖擊力約為0.26 kN，同樣遠小于10 kN。綜上可知，在提升翻轉階段，盡管組件速度有所波動，沖擊加速度也有一定的波動，但均滿足設計要求。

2) 返回接料工況

翻轉小車、料倉-料倉架部件在返回接料工況時，由于回程時料倉內沒有不銹鋼乏燃料組件，回退速度是提升翻轉階段的2倍，分析時僅考慮料倉的運動特性，計算結果如圖6b所示。在第1次翻轉階段，料倉由水平位置翻轉45°至傾斜位置，與提升階段相似，料倉架上滾輪與下軌道相互作用，料倉受到較小的沖擊，最大沖擊加速度約為1.2 m/s2，折算沖擊力約為0.39 kN，速度波動在10 mm/s以內；在直線運動時，料倉受到的沖擊力幾乎為0，速度波動可忽略不計；進入第2次翻轉階段后，料倉開始出現的沖擊與第1次翻轉相近。綜合分析可知，機構在返回接料工況下的運動特性良好，完全滿足設計要求。

進一步分析可知，電機的啟制動加速度小于100 mm/s2，對機構的影響較小，可忽略不計。由上文可知，在提升翻轉和返回接料工況下，組件(料倉)在運行過程中的速度波動均小于10%，在提升翻轉過程中，組件所受沖擊力小于10 kN。說明正常工況下，提升翻轉機構的運動特性符合設計要求。

圖6 正常工況下的運動特性曲線Fig.6 Motion characteristic curve under normal condition

3.2 異常工況

異常工況是指，在提升翻轉過程中，鋼絲繩突然斷裂，要求防墜器迅速將翻轉小車剎車抱死在導軌上等待后續處理。

1) 提升翻轉工況

仿真計算時，不給翻轉小車施加牽引力，僅施加沿軌道向上的66.67 mm/s的初速度，仿真開始時間即為鋼絲繩斷裂時間。仿真結果如7a所示，在鋼絲繩斷裂后，翻轉小車開始以初速度向上運動，但由于安全防墜單元的摩擦塊在發動機構的作用下與上軌道摩擦制動，翻轉小車約在0.01 s時向上運動速度減小為0，組件所受沖擊力約為2.17 kN。隨后在重力作用下向下做加速運動，0.05 s時速度加速至約330 mm/s，組件所受沖擊力約為2.15 kN。而后在摩擦力作用下迅速減小，最終提升翻轉機構在鋼絲繩斷裂后約0.4 s后實現停止制動，剎車距離約為11 mm，組件所受沖擊力也小于10 kN，滿足安全需求。仿真計算結果顯示，防墜器發動機構的彈簧剛度系數K=60 N/mm。

2) 返回接料工況

根據工況分析，設置翻轉小車斜向下的運動速度為133.33 mm/s，仿真結果如7b所示。在鋼絲繩斷裂時，小車仍以初速度斜向下運動，并在重力作用下向下加速至320 mm/s，然后在摩擦塊的作用下迅速下降，直至抱死。在此工況下，翻轉小車的剎車時間約為0.45 s，剎車距離約為13 mm，滿足設計要求。

圖7 異常工況下位移/速度曲線Fig.7 Displacement/velocity curve under abnormal condition

4 結論

1) 本文設計了一種乏燃料的雙導軌提升翻轉同步機構，采用邊提升邊翻轉的方式，實現將豎直放置于冷卻水池的乏燃料組件提升并同步翻轉90°，該機構結構緊湊、工序效率高。

2) 在雙導軌提升翻轉同步機構中設置了安全防墜單元，保證了鋼絲繩斷裂等緊急情況下乏燃料組件的安全性。

3) 應用多體動力學分析理論與運動仿真方法，分析計算了提升、下降正常工況和鋼絲繩斷裂異常工況下設備運行全程的速度及加速度特性曲線，論證了雙導軌提升翻轉同步機構設計的合理性和可行性。