核燃料棒被動(dòng)自適應(yīng)柔順檢測(cè)裝置

周文林，吳 玉，陳嘉杰，梁 軍

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

1 引言

近年來(lái)，核能為解決全球能源短缺問(wèn)題提供了一種有效途徑。核燃料組件作為核反應(yīng)堆堆芯核心部件，一般由高長(zhǎng)徑比核燃料棒（直徑8mm，高400mm）以（17×17）的排列結(jié)構(gòu)組成［1］，由于所處高溫、高壓、高輻照等極端惡劣多變環(huán)境因素，核燃料棒表面鋯合金包殼保護(hù)層氧化及自身形變情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響著核電站的安全高效運(yùn)營(yíng)［2-4］。因此，針對(duì)核燃料棒氧化膜厚度及自身隨機(jī)形變情況，探索被動(dòng)自適應(yīng)柔順檢測(cè)裝置對(duì)核電站安全高效運(yùn)營(yíng)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外核燃料棒氧化膜厚度與自身隨機(jī)形變檢測(cè)裝置的研究已取得初步成果。針對(duì)氧化膜厚度，普遍利用渦流技術(shù)檢測(cè)并開(kāi)展相關(guān)研究［5-7］；針對(duì)核燃料棒形變，主要通過(guò)LVDT逐點(diǎn)測(cè)量法檢測(cè)形變情況［8-10］。然而，現(xiàn)有的檢測(cè)裝置存在諸多不足之處，渦流探頭難以自適應(yīng)對(duì)中核燃料棒隨機(jī)形變；檢測(cè)裝置多采用直接剛性接觸測(cè)量，存在許多不確定安全隱患；檢測(cè)裝置缺乏高效的檢測(cè)方法，嚴(yán)重影響著核電站運(yùn)營(yíng)效率。

基于上述問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一款核燃料棒氧化膜厚度與形變情況檢測(cè)的被動(dòng)自適應(yīng)柔順檢測(cè)裝置。鑒于虎克鉸構(gòu)型原理，實(shí)現(xiàn)渦流探頭被動(dòng)自適應(yīng)核燃料棒；基于接觸力動(dòng)態(tài)反饋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)裝置與核燃料棒接觸力，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中柔順檢測(cè)要求；通過(guò)分析檢測(cè)裝置正、逆解，高效便捷程式化解算核燃料棒形變情況。針對(duì)檢測(cè)裝置各項(xiàng)檢測(cè)的性能效果，搭建了模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2 自適應(yīng)柔順檢測(cè)裝置

創(chuàng)新設(shè)計(jì)出的高精度被動(dòng)自適應(yīng)柔順檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)及其各機(jī)構(gòu)作業(yè)原理，如圖1所示。包括A（串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)）與B（異性虎克鉸）組成被動(dòng)自適應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和C-柔順測(cè)量機(jī)構(gòu)。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole Structure of the Device

2.1 被動(dòng)自適應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)

被動(dòng)自適應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)同軸布置于檢測(cè)裝置前端，基于虎克鉸構(gòu)型機(jī)理［11］，利用內(nèi)套筒與內(nèi)環(huán)、外環(huán)與內(nèi)環(huán)間鉸接形成的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副且鉸接軸兩兩正交，輔以核燃料棒與適應(yīng)輪變曲率曲面自對(duì)正性，實(shí)現(xiàn)渦流探頭繞y軸向與z軸向旋轉(zhuǎn)；利用套筒與外環(huán)間通過(guò)柱面鉸接配合形成的柱面副，實(shí)現(xiàn)繞x軸向轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)。利用被動(dòng)自適應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的四自由度（1T3R）被動(dòng)自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)渦流探頭垂直對(duì)中形變核燃料棒。

串并混聯(lián)檢測(cè)機(jī)構(gòu)位于檢測(cè)裝置后端，旨在精確獲取檢測(cè)部件內(nèi)動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)間相對(duì)位姿，如圖2所示。檢測(cè)機(jī)構(gòu)通過(guò)動(dòng)/定平臺(tái)間布置一四自由度異性桿件串聯(lián)機(jī)構(gòu)及典型的4-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)［12-13］，串聯(lián)機(jī)構(gòu)利用空間三角構(gòu)型原理，解耦各機(jī)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)邊角幾何關(guān)系高效解算動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于定平臺(tái)位姿；為克服串聯(lián)機(jī)構(gòu)解算精度及機(jī)構(gòu)剛度等的不足，提出在串聯(lián)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上輔以并聯(lián)機(jī)構(gòu)以有效提高機(jī)械機(jī)構(gòu)剛度特性。

圖2 串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)Fig.2 Serial-Parallel Hybrid Mechanisms

2.2 柔順測(cè)量機(jī)構(gòu)

柔順檢測(cè)部件主要包括串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)LVDT傳感器自身柔性與檢測(cè)裝置內(nèi)彈簧柔性。檢測(cè)裝置在移載平臺(tái)進(jìn)給力作用下，利用LVDT傳感器自身固有阻尼及彈簧柔性，配合被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)構(gòu)柔順調(diào)整，此時(shí)渦流探頭處于待進(jìn)給狀態(tài)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿進(jìn)給，利用內(nèi)套筒上花鍵槽，實(shí)現(xiàn)渦流探頭進(jìn)給；鑒于渦流探頭檢測(cè)壓力要求，利用測(cè)量機(jī)構(gòu)內(nèi)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸力大小，以實(shí)現(xiàn)渦流探頭與核燃料棒表面柔順測(cè)量，具體過(guò)程圖，如圖3所示。

圖3 柔順測(cè)量機(jī)構(gòu)Fig.3 Submissive Measuring Mechanism

3 檢測(cè)原理

核燃料棒形變檢測(cè)的重點(diǎn)在于獲取動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于定平臺(tái)的位置姿態(tài)。為此，這里創(chuàng)新融合串聯(lián)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)固有優(yōu)勢(shì)，提出了基于串并混聯(lián)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，旨在通過(guò)串聯(lián)正解、并聯(lián)逆解程式化高效解算動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)間的相對(duì)位姿。為便于解算分析，建立的混聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易模型及各桿件長(zhǎng)度與夾角關(guān)系，如圖4所示。

圖4 混聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Structural Parameters of Hybrid Mechanism

針對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)正解問(wèn)題，鑒于各LVDT直接測(cè)量的桿件長(zhǎng)度，基于桿件空間位置幾何關(guān)系，直接求解LVDT桿長(zhǎng)（l1，l2，l3，l4）與各桿夾角（α1，α2，α3，α4）的關(guān)系式，如式（1）所示。

其中，ν=3π 2-arccos

基于各桿件夾角可直接解算動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于定平臺(tái)的位姿向量P（α，β，γ，Nx，Ny，Nz）關(guān)系，如式（2）所示。

針對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)并聯(lián)逆解，利用經(jīng)典的4-SPS四自由度并聯(lián)解算法，通過(guò)動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)的位姿向量P，解算并聯(lián)機(jī)構(gòu)的LVDT所在桿件長(zhǎng)度（L1，L2，L3，L4），如式（3）所示。

其中，

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)核燃料棒氧化膜厚度與形變檢測(cè)，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，因此，搭建了模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。開(kāi)展核燃料棒氧化膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)與形變檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)是否達(dá)到要求。

圖5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experimental Platform

4.1 核燃料棒氧化膜厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

針對(duì)核燃料棒氧化膜厚度的檢測(cè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用等距取點(diǎn)測(cè)量法（間隔1mm），開(kāi)展了對(duì)中測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，采用被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)渦流探頭與核燃料棒對(duì)中的測(cè)量精度明顯優(yōu)于未采用對(duì)中形式的檢測(cè)結(jié)果。

圖6 氧化膜厚度對(duì)比圖Fig.6 Comparison Chart of Oxidation Film Thickness

4.2 核燃料棒形變情況檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)核燃料棒形變情況的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，基于檢測(cè)機(jī)構(gòu)正反解分析，解算動(dòng)平臺(tái)與定平臺(tái)相對(duì)位姿，進(jìn)而利用動(dòng)平臺(tái)與檢測(cè)接觸點(diǎn)間坐標(biāo)變換關(guān)系，求得渦流探頭與核燃料棒表面接觸點(diǎn)相對(duì)定平臺(tái)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。通過(guò)等距測(cè)量分層采樣，利用特定算法實(shí)現(xiàn)核燃料棒三維形體重構(gòu)，局部形體，如圖7所示。為核電站的高效安全運(yùn)營(yíng)提供了一個(gè)有力保障。

圖7 核燃料棒三維形體對(duì)比圖Fig.7 3D Comparison of the Nuclear Fuel Rod

針對(duì)核燃料棒形變情況各軸（x，y，z）方向誤差，利用多點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)及三維重構(gòu)模型，進(jìn)一步分析核燃料棒重構(gòu)誤差，如圖8所示。由圖8可知，各方向均存在誤差，三個(gè)軸方向誤差分別為9.87μm、5.67μm、-2.48μm，綜合誤差為14.61μm，其中，以x軸方向的誤差最大。

圖8 核燃料棒形變檢測(cè)誤差Fig.8 Detection Error of Nuclear Fuel Rod Deformation

5 結(jié)論

針對(duì)核燃料棒所處高危復(fù)雜多變環(huán)境下引起的氧化與自身隨機(jī)形變現(xiàn)象，創(chuàng)新研發(fā)可一種被動(dòng)自適應(yīng)柔順檢測(cè)裝置，并開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）檢測(cè)裝置通過(guò)串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的四自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，配合適應(yīng)輪與核燃料棒接觸曲面自對(duì)中特性，輔以測(cè)量機(jī)構(gòu)內(nèi)各彈性阻尼元器件，組成的自適應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)與柔順測(cè)量機(jī)構(gòu)能夠有效的解決現(xiàn)有檢測(cè)裝置難對(duì)中、柔性差等突出問(wèn)題。

（2）檢測(cè)裝置利用被動(dòng)自適應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)渦流探頭檢測(cè)端與核燃料棒表面被動(dòng)自適應(yīng)對(duì)中，克服了渦流探頭與核燃料棒對(duì)中檢測(cè)問(wèn)題，大幅提高了氧化膜厚度的檢測(cè)精度。

（3）檢測(cè)環(huán)節(jié)配備柔順測(cè)量單元，在裝置測(cè)量整體過(guò)程中，通過(guò)LVDT傳感器自身阻尼與測(cè)量機(jī)構(gòu)內(nèi)彈簧柔性，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置自適應(yīng)對(duì)中柔性與渦流探頭測(cè)量柔性，提高了檢測(cè)裝置的檢測(cè)安全系數(shù)。

（4）檢測(cè)裝置通過(guò)串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)建立程式化高效正、逆解解算模型，進(jìn)而通過(guò)裝置固有參數(shù)解算渦流探頭接觸點(diǎn)相對(duì)于定平臺(tái)坐標(biāo)系坐標(biāo)，有效的解決了核燃料棒形變檢測(cè)問(wèn)題，極大提高了燃料組件裝機(jī)效率。