乏燃料卧式剪切机翻转机构设计及可靠性分析

刘君琰 ，邹树梁 ，王湘江 ，刘昌福 ，赵 芳

（1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳421001；2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南衡阳421001）

乏燃料卧式剪切机翻转机构设计及可靠性分析

刘君琰1，2，邹树梁2，王湘江1，2，刘昌福1，2，赵 芳1，2

（1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳421001；2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南衡阳421001）

为解决现有的乏燃料立式剪切机在剪切乏燃料过程中所存在的未经剪切的元件掉入溶解器、刀架滚轮磨损等一系列问题，提出一种卧式送料剪切机的翻转机构方案，使得乏燃料组件由竖直位置翻转至水平位置。这种结构以双液压缸联动举升来实现燃料组件的翻转动作，并以滚珠丝杠副机构来实现燃料组件反转后的水平横移运动。介绍了翻转机构的工作原理并确定举升机构和横移结构设计及其参数。在完成剪切机翻转机构设计后，为保证其设计合理性对卧式剪切机送料系统翻转机构关键部件的主要失效模式进行了详细可靠性分析，并建立可靠性分析模型，最后得出具体可靠性计算结果。

剪切机；翻转机构；液压缸；滚珠丝杠副；可靠性

0 引言

乏燃料立式送料剪切机是核动力堆乏燃料后处理厂将乏燃料组件剪切成2 030 mm的首端关键设施，其送料部分是乏燃料剪切的关键部件[1]，其性能的优劣会直接影响剪切机燃料剪切任务的成败。现阶段乏燃料后处理用的都是立式剪切机，大部分的剪切机失效都是由于送料系统故障导致的，送料系统中最常发生的故障主要有未经剪切的元件掉入溶解器、刀架滚轮磨损、推料剪切失败等故障。因此，送料系统的整体布局以及剪切方式等因素都可能影响到剪切机使用寿命和其生产能力，与立式剪切机相比，卧式剪切机是将燃料组件翻转过来进行激光切割，能提高工作效率，有利于解决上述的常见故障以及燃料组件收集问题。故设计出合适的卧式剪切机送料系统翻转机构非常重要。现在很多学者大多是针对通用型剪切机送料系统控制部分进行研究，而对实现剪切机送料系统核燃料组件的卧式剪切机翻转机构设计的具体设计还没有提及[2-4]，基于此并以立式剪切机送料系统为基础阐明卧式剪切机翻转机构的工作原理，并对核燃料组件实现90°翻转的翻转机构进行设计。翻转机构包括举升机构和横移机构这两个部分，因此主要从这两个部分的关键部件的设计及其主要部件液压缸和滚珠丝杠副的失效模式进行分析，依据相关可靠性理论[5-7]，对两个主要构件建立可靠性分析模型，最后根据这个模型进行具体分析计算得出具体结果。

1 剪切机翻转机构设计

翻转机构的设计目标是将长4 100 mm、重约670 kg的乏燃料组件完成90°翻转并水平横移送至末端进行激光切割。要求操作简单、工作运行可靠、运动平稳，根据要求设计出了相对合理的翻转机构，其基本结构如图1所示。

图1 翻转机构基本结构组成

卧式剪切机翻转机构的工作原理是将燃料组件从提升水池的元件提升机上经装料井抓头9抓取得取提升到料筒内，经液压缸7平移到翻转平台合适位置，此时料槽4竖直立在支撑底座1上，组件移至料槽后抓头9松开退出，组件下端在夹具内，上端由锁紧装置锁紧，经由液压缸2双油缸的刚性同步实现组件翻转至水平，此时下端的夹紧装置5连接横移机构滚珠丝杠副3由液压马达10驱动，将旋转运动转换成线性运动，推动核燃料组件水平移动到支撑底座1末端，再进行激光切割。

对翻转机构进行设计，包括举升机构和横移机构主要结构件的主要参数设计以及阐明燃料组件的翻转原理。

1.1 举升机构设计

翻转机构中的举升机构必须结构简单，安全可靠。燃料组件尺寸规格大、重量大，以液压马达提供动力源，通过单活塞双液压缸的联动伸缩举升可以达到燃料组件翻转90°.液压缸受力最大点在翻转至水平位置时，装有组件的料槽重约15 000 N，以此对此时乏燃料组件进行受力分析，求得液压缸最大驱动力Fmax=42 kN，根据机械设计手册第4卷表22.4-2规定液压缸的公称压力系列初步选定液压缸的系统压力P=4.5 MPa，由液压缸内径计算公式得D=125.91 mm，圆整D=125 mm，则活塞杆直径为d=63 mm.

1.2 横移机构设计

由液压马达提供动力源，带动滚珠丝杠的螺杆传动，套在螺杆上的螺母此时会在滚珠螺杆上水平移动，将螺母与料槽上的夹紧装置固连在一起，则料槽内的燃料组件会在螺杆的带动下随着螺母一起在底座上实现水平移动。根据手册选择滚珠螺杆的材料为40CrMnSiMoVA，横移机构中加上组件的料槽质量W=1 500 kg，最大行程Smax=4 100 mm，最大移动速度Vmax=1 800 mm/min，马达最高转速为Nmax=250 r/min，所以 L==7.2 mm，根据设计手册选取公称导程ph=10 mm，公称直径d0=50 mm.

2 翻转机构可靠性分析

2.1 液压缸活塞杆可靠性分析

在工程实际中，液压缸也会有各种不能工作的故障发生。对活塞杆结构失效进行可靠性分析的边界前提为：（1）系统的液压部分正常；（2）系统的机械部分正常。活塞杆失效方式主要有强度和稳定性失效这两种类型。

2.1.1 活塞杆强度可靠性分析

应力-强度干涉模型经常被用在元件的静强度可靠性分析上，可靠性分析时由于影响元件强度和应力的参量都是随机变量，故而元件所受到强度和应力参量也被认为是呈分布状态的随机变量[8]。依据干涉理论得如下可靠度表达式[9]:

式中：s为应力，δ为强度，g（δ）为强度概率密度函数，f（s）为应力概率密度函数。当零件应力及强度都为正态分布时，式（1）有

式中：us为应力 s均值，σs为应力 s标准差，uδ为强度δ均值，σδ为强度δ标准差。

2.1.2 活塞杆稳定性可靠性分析

令液压缸工作时稳定的临界压力为Fk，服从概率密度函数g（Fk），活塞杆上的压力为F，服从概率密度函数f（F）[10].

液压缸稳定可靠度R有：

当液压缸活塞杆的临界压力FK、压力F及分布参数确定后，即可根据上述方法进行液压缸稳定可靠性计算。

2.2 滚珠丝杠可靠性分析

滚珠丝杠是翻转机构中横移机构的关键部件，分析其结构特点，滚珠丝杠主要失效模式[11-12]有两种：（1）滚珠丝杠副破坏形式主要是在不常转动场所中钢球或者滚道表面的塑性变形超过其阈值。（2）滚珠与滚道表面某定点接触处承受一定的应力循环次数后产生的疲劳点蚀。

2.2.1 滚珠丝杠副静载荷可靠性分析

滚珠丝杠在转速n≤10 r/min情况下，当滚道接触面和受接触应力最大的滚动体间产生的塑性变形之和一般不容许超0.0001倍滚动体直径，此时的载荷被定义为基本额定静载荷C0a[13]。基本额定静负载C0a的计算公式：

式中：ρ11、ρ12、ρ21、ρ22分别是接触点处滚道和钢球的主曲率。

计算额定静载荷（C0a）时通常要考虑材料成分、热处理等因素。假设额定静载荷（C0a）为正态分布C0a～N（），据分析知，最大轴向载荷 F 也可设定成正态分布F～N（F ，eF）[14]。求解静载荷失效可靠度时，参考相关文献[11-12]，当额定静载荷公式中一些参数方差不易确定时，给出其变异系数最后利用一次二阶矩法来进行计算。

滚珠丝杠副的失效概率Pf为：

式中：CC0a为额定静载荷变异系数，CF为最大轴向载荷变异系数；σC0a为额定静载荷的方差，σF为最大轴向载荷的方差。

2.2.2 滚珠丝杠副动载荷可靠性分析

当同参数的一组滚珠丝杠副在同一条件下运行106转时，90%螺旋副不产生点蚀失效，此时能承受的纯轴向载荷定义为基本额定动载荷（C）a[13]。

式中：fc为额定动载荷特征值；fu为工作行程系数;frN为螺母滚道适应度；frs为螺杆滚道适应度；rN为螺母滚道曲率半径（mm）；rs为螺杆滚道曲率半径（mm）；lu为有效工作行程（mm）；Ph为导程（mm）.

众多试验阐明滚珠丝杠的疲劳寿命服从威布尔分布，当已知可靠度R下的滚珠丝杠寿命L计算动负载与疲劳寿命关系有[14]，

式中：k为额定动载可靠性系数；a为丝杠寿命的可靠性系数；ε为疲劳寿命指数，对滚珠丝杠副ε=3；m为威布尔分布形状参数，m=10/9；F为当量动载荷。

由于材料的一些加工和不均匀因素，假设基本额定动载荷Ca和计算动负载C两者均呈正态分布[11-12]，分析动载荷失效可靠性时，给出变异系数后用一次二阶矩法去求[11-12]。滚珠丝杠副点蚀疲劳失效概率Pf为：

式中：CCa为额定动载荷的变异系数；CC为计算动负载的变异系数；σCa为额定动载荷的方差；σC为计算动负载的方差。

3 案例

（1）选取的两端铰接液压缸，活塞杆伸出后的长度l～（ul，σl）=（4 100，12）mm，钢质活塞杆的弹性模量E～（uE，σE）=（2.1 × 105，0.06 × 105）MPa，活塞杆直径 d～（ud，σd）=（63，0.0189）mm，液压缸工作时活塞杆所受的轴向压力 F（uF，σF）=（42 000，8 400）N.计算得到的活塞杆脉动疲劳强度的概率分布为：uδ～N（161.82，68.229）， 应 力 的 概 率 分 布 为 μs～ N（17.72，2.54）.对活塞杆强度及稳定性进行可靠性分析。

分析对比液压缸强度失效和稳定失效的结果，并将结果与给定可靠性要求进行对比，满足要求则说明液压缸的设计合理，反之则应进行改进。

（2）选取的滚珠丝杠实际静载荷166 530 N，实际动载荷51 043 N，要求寿命t=7×106转的可靠度为0.99，根据选取的滚珠丝杠副参数计算可得额定静载荷与动载荷分别为127 505.8 N和36 478.3 N.取额定静载荷的变异系数为0.06，定动载荷的变异系数为0.08，取实际静载荷的变异系数为0.1，实际动载荷的变异系数为0.1[11-12].对横移机构中滚珠丝杠副静载荷和动载荷进行可靠性分析。

将以上计算结果的静载荷和动载荷的失效概率与给定可靠性要求进行分析对比，若满足说明设计符合要求。

4 结论

（1）本文针对乏燃料立式送料剪切机剪切乏燃料所存在的弊端设计了一种卧式剪切机翻转机构，并对主要构件液压缸和滚珠丝杠进行详细设计，这对剪切机及类似机构的翻转具有借鉴意义。

（2）根据液压缸和滚珠丝杠副典型失效模式可靠性分析结果，发现液压缸稳定性失效概率大于强度失效概率，滚珠丝杠副静载荷失效概率大于动载荷失效概率，因此在工程设计中应充分考虑液压缸的稳定可靠性和滚珠丝杠的静载荷可靠性。

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Design and Reliability Analysis of Flip-flop Mechanism of Spent Fuel Horizontal Shearing Machine

LIU Jun-yan1，2，ZOU Shu-liang2，WANG Xiang-jiang1，2，LIU Chang-fu1，2，ZHAO Fang1，2
（1.University of South China，School of Mechanical Engineering，Hengyang Hunan 421001，China；2.Nuclear Facilities Emergency Safety Technology&Equipment Key Laboratory of Hunan Province，Hengyang Hunan 421001，China）

In order to solve the series of problems such as the non-shearing elements falling into dissolver and cutter wheel wear when the existing spent fuel vertical shearing machine cut the spent fuel，the flip-flop mechanism scheme of a horizontal type for feeding and cutting machine which allows the spent fuel assembly to be turned from the upright position to the horizontal position is put forward.The mechanism is actuated by double hydraulic cylinders to effect the flip-flop of the fuel assembly and the horizontal traverse movement after the fuel assembly reversal by ball screw accessory mechanism.This paper describes the working principle of the inverting mechanism and the structural design and parameter determination of lifting mechanism and transverse mechanism.In order to ensure the rational of the design of the shearing mechanism，the reliability analysis of the main failure modes of the key components of the flip system about the horizontal shearing machine is carried out and the reliability analysis model is established after the completion of design about the shearing mechanism，then the reliability index is calculated.

shearing machine；flip mechanism；hydraulic cylinder；ball screw；reliability

TH122

A

1672-545X（2017）10-0012-05

2017-07-18

核设施退役和核泄漏安全处理技术及装备研发（02072012KJT01）

刘君琰（1992-），女，湖北孝感人，在读研究生，机械工程专业，研究方向：机械可靠性；邹树梁（1956-），男，江西安福人，教授，博士生导师，研究方向：核安全安保与应急。