燃料棒更換裝置是核電廠燃料組件修復(fù)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，適用于核電廠破損燃料棒的檢測(cè)和更換。其功能是通過渦流探頭對(duì)破損燃料組件中的燃料棒逐根檢測(cè)，確定其中已破損的燃料棒，然后用新燃料棒或其它備用棒更換已破損的燃料棒，使未達(dá)到燃耗深度的破損燃料組件能夠回堆復(fù)用，以減輕核電廠的經(jīng)濟(jì)損失。

1 燃料棒更換裝置的三維建模

    燃料棒更換裝置由燃料棒夾頭部件、下筒體部件、提升管部件、驅(qū)動(dòng)切換部件、底座部件、吊環(huán)部件、背向?qū)л啿考吞岚魷y(cè)力部件等組成，并配置伺服減速電機(jī)、渦流破損檢測(cè)和燃料棒抽插力測(cè)量的儀器和儀表。整個(gè)裝置通過底座部件的兩根定位柱與定位小車連接，通過吊環(huán)部件與吊車相連。

    建模過程中采用自底向上的建模方法，先建立各零件的三維模型，組裝成各基本部件(子裝配體)，再基于零部件間的幾何位置進(jìn)行總體裝配，燃料棒更換裝置各部件的功能及結(jié)構(gòu)介紹如下。

    (1) 燃料棒夾頭部件。是抓取燃料棒的關(guān)鍵部件，由彈性?shī)A頭、鎖緊套管、擴(kuò)口脹管和芯棒等零件通過一連鎖鍵聯(lián)接組成。

    (2) 下筒體部件。是燃料棒更換裝置的主體結(jié)構(gòu)部件，主要包括下筒體、棒提升連接管、短連接套、串聯(lián)套管、導(dǎo)向滑塊、定位銷、扇形鍵塊、調(diào)整套管和上連接套等零件。下筒體為外徑Φ40 mm、內(nèi)徑Φ30 mm、長(zhǎng)度4493 mm 的不銹鋼管，用夾緊環(huán)和上、下筒體連接管與上筒體聯(lián)接。下筒體下端132 mm 長(zhǎng)的可卸下端頭為可拆式連接，便于進(jìn)行渦流電磁線圈的更換。

    (3) 提升管部件。是提升燃料棒夾頭的主要部件，主體為外徑Φ40 mm、內(nèi)徑Φ35 mm、長(zhǎng)度5010 mm 的不銹鋼管，上端與吊環(huán)部件相連接，側(cè)面配有齒條，與驅(qū)動(dòng)切換部件中的齒輪相嚙合，實(shí)現(xiàn)提升功能。

    (4) 驅(qū)動(dòng)切換部件。是燃料棒更換裝置中的核心部件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要由伺服減速電機(jī)、電動(dòng)和手動(dòng)操縱的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、離合器部件、中心軸、空心軸、齒輪、棘輪和箱體部件等零部件組成。通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄切換部件和解鎖部件可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和手動(dòng)操縱間的切換。利用齒輪與齒條的嚙合可將動(dòng)力傳遞至提升管部件，從而實(shí)現(xiàn)燃料棒更換裝置工作中的驅(qū)動(dòng)功能。

    (5) 底座部件。由底座、定位柱、圓形定位塊、方形定位塊、定位桿、擋板、帶齒轉(zhuǎn)盤、蓋板、定位器等零件組成。底座部件套裝在上筒體的適當(dāng)位置上，用蓋板和12 個(gè)M6 螺栓與燃料棒更換裝置的上筒體夾緊。通過推力球軸承實(shí)現(xiàn)底座部件的帶齒轉(zhuǎn)盤與底座的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)帶齒轉(zhuǎn)盤與燃料棒更換裝置一起相對(duì)于底座轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)，可通過底座上的定位器將帶齒轉(zhuǎn)盤固定。底座部件上的兩根定位柱可與定位小車連接，通過定位小車在X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)燃料棒更換裝置與需抓取燃料棒之間的定位。

    (6) 吊環(huán)部件。由吊環(huán)、調(diào)節(jié)螺栓、圓螺母、軸承套、間隔管、軸承座、吊耳套管和連接銷等零件組成。吊環(huán)部件的主要功能是為吊車吊裝提供連接。另外，通過調(diào)節(jié)吊環(huán)部件頂部的螺栓，在其它零件配合下實(shí)現(xiàn)燃料棒夾頭部件的彈性?shī)A頭張開和閉合，從而進(jìn)行抓取和松開燃料棒下端塞的操作。

    (7) 背向?qū)л啿考?。包括?dǎo)輪、調(diào)節(jié)螺釘、調(diào)節(jié)支腿和導(dǎo)輪框架等零件。背向?qū)л啿考惭b在與箱體底板相聯(lián)接的間隔板上，通過背向?qū)л啿考系恼{(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)導(dǎo)輪與提升管部件貼合，從而使齒條移動(dòng)時(shí)與齒輪保持良好嚙合。

    (8) 燃料棒抽插力測(cè)量部件。主要由KISTLER9217A 型高靈敏度石英力傳感器、彈簧、套筒、滑桿等零部件組成。燃料棒抽插力測(cè)量部件的主要功能是在燃料棒抽插過程中測(cè)量和監(jiān)控抽插力，若抽插力過大，可觸發(fā)保護(hù)，使電機(jī)斷電，從而避免燃料棒受到過大的抽插力，防止由此產(chǎn)生的燃料棒損傷。

    (9) 總體裝配。完成各零部件的三維模型后，依據(jù)相互間的幾何位置關(guān)系，對(duì)燃料棒更換裝置進(jìn)行總體裝配(圖1)。整個(gè)模型共包含298 個(gè)零件，如果逐一進(jìn)行裝配相當(dāng)麻煩。由于建模過程中引入了子裝配體(部件)的概念，裝配時(shí)只需引用子裝配體即可，使總裝過程大大簡(jiǎn)化。

圖1 燃料棒更換裝置總裝圖

2 燃料棒更換裝置的運(yùn)動(dòng)仿真

    燃料棒更換裝置的主要運(yùn)動(dòng)部件是驅(qū)動(dòng)切換部件和燃料棒夾頭部件。前者在操作時(shí)需經(jīng)常在電動(dòng)和手動(dòng)檔位間進(jìn)行切換，要求切換過程中各零部件間無運(yùn)動(dòng)干涉，而后者的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到能否成功抓取燃料棒。因此，對(duì)于驅(qū)動(dòng)切換部件和燃料棒夾頭部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，檢查運(yùn)動(dòng)過程中各部零件間的配合情況十分必要。

    2.1 驅(qū)動(dòng)切換部件運(yùn)動(dòng)模擬

    逆時(shí)針扳動(dòng)大手柄，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤靠住右定位軸承，通過轉(zhuǎn)盤、右壓塊、搖臂的傳動(dòng)，使離合器嚙合。通過轉(zhuǎn)盤、左壓塊、止動(dòng)臂的傳動(dòng)，止動(dòng)臂棘爪抬起脫離下方棘輪。此時(shí)，離合器片壓緊從動(dòng)盤并和小齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，提升管的升降由電機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)切換部件處于電動(dòng)狀態(tài)(圖2(a))。

圖2 處于電動(dòng)狀態(tài)(a)、鎖緊狀態(tài)(b)和手動(dòng)狀態(tài)(c)的驅(qū)動(dòng)切換部件

    順時(shí)針扳動(dòng)大手柄直至轉(zhuǎn)盤靠住左定位軸承，通過轉(zhuǎn)盤、右壓塊、搖臂傳動(dòng)，使離合器片與從動(dòng)盤脫開。通過轉(zhuǎn)盤、左壓塊、止動(dòng)臂傳動(dòng)，止動(dòng)臂棘爪下落卡住棘輪，限制棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(防止提升管下落)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)切換部件處于鎖緊狀態(tài)(圖2(b))。

    逆時(shí)針扳動(dòng)小手柄，帶動(dòng)撥叉下壓止動(dòng)臂上端部的軸承，抬起止動(dòng)臂棘爪，解除棘輪的鎖緊狀態(tài)。此時(shí)通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪來控制提升管的升降，驅(qū)動(dòng)切換部件處于手動(dòng)狀態(tài)(見圖2(c))。

    2.2 燃料棒夾頭部件運(yùn)動(dòng)模擬

    當(dāng)芯棒向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，芯棒端頭擠入擴(kuò)口脹管的脹頭部分，從而使閉合的彈性?shī)A頭張開；反之，當(dāng)芯棒往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，芯棒端頭離開擴(kuò)口脹管的脹頭部分，張開的彈性?shī)A頭自動(dòng)閉合(圖3)。

圖3 燃料棒夾頭部件運(yùn)動(dòng)模擬

3 實(shí)際工程中的應(yīng)用

    制造加工時(shí)，非標(biāo)零件(如轉(zhuǎn)盤、大手柄)的外形須在裝配后才能確定。基于三維裝配體模型，可精確生成零件輪廓，給制造廠加工提供便利。通過運(yùn)動(dòng)仿真，可更直觀檢查零部件間的配合情況，并對(duì)一些欠妥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

    3.1 制造中的應(yīng)用

    驅(qū)動(dòng)切換時(shí)，扳動(dòng)大手柄，使轉(zhuǎn)盤分別靠住箱體頂部的兩個(gè)定位軸承，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和電動(dòng)的切換功能。因此轉(zhuǎn)盤的外形必須與兩個(gè)定位軸承的外形相嚙合(如圖4(a))，而大手柄的外形必須確保在驅(qū)動(dòng)切換時(shí)，大手柄與提升管齒條不干涉(如圖4(b))。

圖4  制造中的應(yīng)用

    傳統(tǒng)制造加工時(shí)，必須首先制造出轉(zhuǎn)盤和大手柄的大致外形，并在裝配過程中測(cè)繪、調(diào)整具體輪廓，最后進(jìn)行切割，增加了制造的難度。由于不可避免的二次加工，對(duì)成品零件的精度造成一定影響?；谌S裝配體模型，可精確生成上述零件的輪廓，并直接生成圖紙，交付制造廠，避免二次加工，從而降低制造難度。

    3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用

    運(yùn)動(dòng)仿真后發(fā)現(xiàn)原先設(shè)計(jì)的棘爪，鎖緊時(shí)與棘輪咬合區(qū)域過小，結(jié)構(gòu)欠妥。在鎖緊狀態(tài)下，對(duì)棘爪的外形作了改進(jìn)(圖5)。改進(jìn)后的棘輪棘爪在鎖緊狀態(tài)下咬合區(qū)域增大，提高了安全系數(shù)。

圖5 棘爪的外形改進(jìn)

4 總結(jié)

    基于三維模型，可精確生成非標(biāo)零件的輪廓，并直接生成二維工程圖交付制造廠，避免了二次加工，降低了制造難度。通過運(yùn)動(dòng)仿真，可迅速發(fā)現(xiàn)欠妥結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

    通過對(duì)燃料棒更換裝置的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，可看到各零部件間配合準(zhǔn)確，通過機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)切換功能，切換過程中各零部件間無運(yùn)動(dòng)干涉，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。