CAP1000项目装卸料机主起升机构的设计

刘建文

(上海核工程研究设计院， 上海 200235)



CAP1000项目装卸料机主起升机构的设计

刘建文

(上海核工程研究设计院， 上海 200235)

摘要：通过对AP1000装卸料机主起升机构设计的消化、吸收和分析，对CAP1000项目装卸料机的主起升机构进行了创新设计，在维护便捷性、经济性等方面进行了改进，并实现了装卸料机的国产化。

关键词：CAP1000项目； 装卸料机； 主起升机构

装卸料机是核电站反应堆厂房内的主要设备之一，其主要功能是实现堆芯内燃料组件的装载和卸出。装卸料机主要由桥架、小车、主起升机构、内套筒、外套筒、抓取机构、辅起升机构等部件组成。

装卸料机的操作对象是堆芯区域内、反应堆厂房倾翻机燃料篮及堆内暂存格架内的燃料组件。由于操作对象的重要性和特殊性，从堆芯中卸出的乏燃料组件具有很强的放射性，这就给操作燃料组件的起升机构提出了较高的要求，在保证功能的前提下，需要有足够的安全性及可靠性。

AP1000的装卸料机是由美国的PaR公司设计并制造的。笔者介绍和研究对象为装卸料机的起升机构，针对PaR公司设计的装卸料机的起升机构，从其设计布置、原理、特点等方面进行分析，在此基础上介绍CAP1000项目装卸料机起升机构的改进设计[1-2]。

1AP1000装卸料机的起升机构

1.1 AP1000装卸料机主起升机构设计

AP1000装卸料机的主起升机构直接采用了外购件——成品电动葫芦作为主起升机构。

该电动葫芦为特殊定制而成，采用同轴布置形式，由电动机、减速器、制动器、钢丝绳卷筒等部件同心装配而成，其中电动机为伺服电动机，同轴式布置更为紧凑。

1.2 CAP1000国产化主起升机构设计改进的必要性

插有最大重量内插件的燃料组件质量约为880 kg，装卸料机内套筒与抓具的质量约为510 kg，起升机构的起重量设计约为1 400 kg，采用电动葫芦作为主起升机构，在功能上是满足要求的，并且由于葫芦本身结构的紧凑小巧，因此简化了起升机构平台的布置和设计，同时对于同为美国企业的AP1000装卸料机设计、制造厂家PaR公司，采用葫芦作为主起升机构，也简化了其设计、装配、采购及维护等工作。

在我国自主建设的CAP1000核电厂中，采用美方电动葫芦形式的主起升机构，虽然也是可行的，但存在以下问题：

(1) 定制要求特殊。由于装卸料机的操作对象为燃料组件，起升机构的安全性就显得尤为重要，因此往往采用保守设计，需要设置一些特殊的机构，如双卷绕钢丝绳系统、冗余的制动器设置、失电手摇机构、载荷保护装置等，一般的电动葫芦外购件并不能满足这样的要求，AP1000装卸料机选择特殊定制，增加了上述诸多特别功能和机构后，整个葫芦的要求就大大提高了，目前市场上这类产品并不多。

(2) 采购、选型困难。在我国设计、建造和运行的CAP1000项目核电厂，将完全由中方自主建造，在设计时就需要充分考虑到外购件在本土选型、采购的便捷性和可实施性，这也是以后业主所关心的问题。AP1000所选的特殊定制电动葫芦为进口产品，在中国并没有生产线和工厂，这给选型、采购和供货等都带来了诸多不便。

(3) 维护不便。采用葫芦形式的起升机构，虽然装配得比较紧凑，体积方面具有一定优势，但是其结构复杂性却大大提高了，设备可维修性较差，给日后的维护带来了诸多不便。

(4) 经济性不佳。与普通起升机构的设计相比，特殊定制的电动葫芦，在经济性上是处于劣势的，价格上相差几倍至数十倍之多。

综上所述，虽然电动葫芦形式的起升机构有着紧凑、小巧等特点，但是采用该设计方案也有诸多问题，尤其是在国产化的CAP1000项目中，考虑到供应商、采购、日常维护等方面的因素，不利于设备国产化[3-5]。

低蛋白日粮饲料的倡导或将有效减少豆粕等蛋白饲料原料用量。新标准全面推行后，理论上有望使得养殖业豆粕年消耗量降低约1100万吨，带动减少大豆需求约1400万吨。

2CAP1000项目装卸料机起升机构的设计

2.1 主起升机构的设计方案

在消化、吸收AP1000的装卸料机主起升机构的基础上，通过研究和理解其主要原理和功能，对CAP1000项目装卸料机的主起升机构进行了多处改进，甚至全新设计，具体如下：

(1) 结合以往的设计经验，通过反复论证，CAP1000项目的装卸料机主起升机构采用分布式布置。

(2) 钢丝绳系统的倍率为2，在内套筒上端增加一组动滑轮，这样可以将平衡梁装置设计安装到起升机构平台上。

(3) 在(2)的基础上，增加平衡梁检测机构。

(4) 重新设计起升机构的称重模块，并利用平衡梁机构进行组合装配，实现对钢丝绳系统超重、失重的检测保护。

(5) 重新设计起升机构的管线布置。

AP1000及CAP1000项目装卸料机的主起升机构的主要设计参数见表1。

表1　主起升机构主要设计参数的比较

2.2 分布式布置

起升机构的分布式布置是指电动机、减速器、制动器、钢丝绳卷筒等部件之间采用独立式、外置式的连接装配方式，而不像AP1000设计中电动葫芦的形式。设计时需要对每一个外购件进行设计选型，并考虑相互之间的装配关系。分布式的布置形式在外形体积方面不如电动葫芦方式紧凑，但在维护便捷性、经济性等方面具有明显优势。每个外购件都相对独立，可以单独维护，采购更换等都比较方便。

图1为主起升机构的分布式装配布置方案效果。通过对外购件供应商的调研，确保国内采购的便捷及供货的通畅。

该方案选用了伞齿式减速机，与卷筒轴之间采用套轴式安装，并直角布置，通过防扭臂与起升平台连接固定。电动机、制动器与减速器之间采用法兰连接，直接挂在减速器箱体上，不占用起升机构平台的地面空间并且更加紧凑。电动机尾部带出轴，供手摇轮插入连接，在失电或故障模式下，可采用手摇机构对起升机构进行操作。起升机构采用双卷绕系统，两套独立的钢丝绳绕过内套筒端部的动滑轮组与布置在钢丝绳卷筒对面的平衡梁模块连接。

事实上，通过以上合理选型及布置，分布式起升机构在外形体积方面完全可以满足空间布置的要求，使CAP1000项目的设计达到与AP1000相当的紧凑程度，不影响整个起升机构平台的旋转和布置。

2.3 动滑轮组

CAP1000项目的卷绕系统的倍率设计为2，因此在内套筒上端增设了动滑轮组(见图2)，每一个动滑轮对应一根钢丝绳，这样的设计使得平衡梁机构能够布置到起升机构平台上，并且方便平衡梁检测系统的布置。

2.4 平衡梁及称重模块

CAP1000项目的设计中，平衡梁采用杠杆式机构，与称重传感器组合装配，实现对钢丝绳拉力的监测，当所提示的载荷质量超重或失重时，可以立即停止起升的动作以做保护。称重传感器选用的是压式传感器，在安全性上比拉式传感器好，因为采用这种形式的称重模块，称重传感器不串联入钢丝绳承力链，就算压溃失效，钢丝绳承力链仍然保持完好。

平衡梁倾斜的检测由一对限位开关实现，见图3。

当某根钢丝绳伸长过度或者发生断裂时，对应一端的平衡梁将翘起，对面一端的平衡梁将下沉，下沉端通过缓冲橡胶垫支承，使平衡梁形成新的支点不至于过度翻转；而翘起的一端将拨动行程开关的触发杆，使限位开关发生动作并报警。

3设计验证及成果

3.1 设计评估

在完成了国产化的自主设计后，对分布式的结构和相关特性进行了评估和比较，见表2。

表2　AP1000和CAP1000装卸料机起升机构的设计比较

在装卸料机的整机设计过程中，所有设计建模、装配工作采用了Autodesk公司的三维设计软件Inventor进行，在该平台上进行直观地验证，确保机构装配的合理性及不发生干涉现象。图4为在Inventor平台内CAP1000项目装卸料机的总装效果。

3.2 试验样机及成果

对国产化的起升机构进行了样机的研制，并完成了静载试验、动载试验、故障模式检测等各项性能测试，结果完全满足设计的要求。图5为样机的试验台架。

通过装卸料机全新主起升机构的设计研发，申请并授权了三项专利，见表3。

表3　申请并授权的专利

4结语

通过对AP1000装卸料机的消化、吸收，分析了主起升机构的利弊，对关键技术进行了国产化创新设计，采用分布式机构替代了AP1000的特殊定制电动葫芦结构，具有国内可采购、经济性好、易于维修等优点；并且通过样机的试制，完成了各项功能试验，完全满足设计要求。通过自主设计，形成3项专利，确保了关键技术的掌握及设备的国产化。

参考文献：

[1] 林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.

[2] 孙汉虹. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[3] 张质文,虞和谦，王金诺，等. 起重机设计手册[M]. 北京：中国铁道工业出版社，1998.

[4] 贾旺兴，房师平. 起重机起升机构轻量化的研究[J]. 起重运输机械，2013(6):62-65.

[5] 闻邦椿. 机械设计手册(第3卷)[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

Design of the Main Hoist for Refueling Machine in a CAP1000 Project

Liu Jianwen

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200235, China)

Abstract：Through deep analysis on the function and principle of the main hoist for refueling machines of AP1000 nuclear power stations, an innovative design was carried out to the main hoist for refueling machines of a CAP1000 project, with improvements on the maintainability and economy, so as to achieve localization of the refueling machines.

Keywords：CAP1000 project; refueling machine; main hoist

收稿日期：2015-10-12

作者简介：刘建文(1983—)，男，工程师，主要从事装换料设备设计及研发。E-mail: liujianwen@snerdi.com.cn

中图分类号：TL353.3

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0164-04