CN110189843B - 一种核燃料组件芯块装管装置 - Google Patents

Abstract

本发明核电站用核燃料元件制造技术领域，涉及一种核燃料组件芯块装管装置，包括用于放置燃料棒的机架、分别位于机架左侧和右侧的燃料棒气囊夹持装置和燃料棒推送机械手装置，燃料棒推送机械手装置外侧设置有与机架相匹配的操作台，操作台上安装有用于放置芯块的料盘，操作台外侧固定安装有用于推送芯块的推头装置，推头装置包括推头和推头升降装置，燃料棒气囊夹持装置包括升降压紧气缸和用于夹持燃料棒一端的第一夹持气囊，燃料棒推送机械手装置包括推料气缸、托辊和用于夹持燃料棒另一端的第二夹持气囊，改变了人工推送的工作原理，通过精密伺服驱动、自动化机械互锁、引入数字化系统，提高了核燃料组件芯块装管的稳定性。

Description

一种核燃料组件芯块装管装置

技术领域

本发明属于核电站用核燃料元件制造技术领域，涉及一种核燃料组件芯块装管装置。

背景技术

核电作为低碳能源，是清洁能源的重要组成部分，核燃料组件是核电机组堆芯的核心部 件，其质量可靠性直接关系到核电站的安全和寿命。

核燃料组件制作工艺复杂，安全可靠性要求高，在其生产制造完成后，必须对其质量进 行有效检测，其中的芯块推料装管是一道关键工序，其芯块装管的先进与否与可靠性高低， 直接关系到核燃料组件本身质量的可靠性。

同时该装备涉及危险品操作，应尽量采用自动化方法来完成。

由于我国核电工业发展较晚，目前国内尚无类似设备，普遍采用人工推送或者花费高额 外汇从国外进口，有如下缺点：

①由于核燃料芯块属于危险品，人工推送存在职业健康安全风险。

②由于核燃料组件对芯块装管数量有严格要求，人工推送存在普遍的容易漏推或多推， 对产品质量造成影响。

③人工推送力量不便掌控，容易造成推送力道过大，对燃料棒空管造成损害，或者使芯 块参数造成不必要的磨损，直接影响产品质量，增加了环境污染。

④采用国外进口设备，使得关键装备技术一直掌握在别人手上，不利于我过核电战略的 发展。

随着我国现代化工业的蓬勃兴起，生产节拍也不断提升，对生产效率、人力耗费、环境 的要求越来越高，上述现有方式已经不能适应目前的发展形势。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有技术中核燃料组件芯块装管过程中存在的上述问题，提 供一种核燃料组件芯块装管装置。

为达到上述目的，本发明提供一种核燃料组件芯块装管装置，包括用于放置燃料棒的机 架、分别位于机架左侧和右侧的燃料棒气囊夹持装置和燃料棒推送机械手装置，燃料棒推送 机械手装置外侧设置有与机架相匹配的操作台，操作台上安装有用于放置芯块的料盘，操作台外侧固定安装有用于推送芯块的推头装置，所述推头装置包括推头和推头升降装置，所述 燃料棒气囊夹持装置包括升降压紧气缸和用于夹持燃料棒一端的第一夹持气囊，所述燃料棒 推送机械手装置包括推料气缸、托辊和用于夹持燃料棒另一端的第二夹持气囊。

进一步，推头装置上电连接有推料双轴伺服驱动系统，所述推料双轴伺服驱动系统包含 料块伺服推送驱动装置、换位伺服驱动装置和芯块导向装置，通过料块伺服推送驱动装置将 料盘将芯块推送到燃料棒中，换位伺服驱动装置实现对料块伺服推送驱动装置的精确移位，芯块导向装置对芯块进入燃料棒起到限位作用。

进一步，推头上电连接有推力检测系统，所述推力检测系统包括推力转换机构、力检测 传感器和软件系统，对芯块装管过程进行实时检测。

进一步，第一夹持气囊和第二夹持气囊上均电连接有用于调节夹持气囊中气压的气压表。

进一步，还包括与推力检测系统信号连接的PLC控制系统，PLC控制系统包括监控层和 控制层。

进一步，料盘两侧的操作台上固定安装有用于固定料盘的定位销，操作台上固定安装有 用于定位料盘的三组定位块。

进一步，机架上转动安装有用于导向燃料棒的托架，托架上均匀开设有若干沟槽。

一种核燃料组件芯块装管装置的装管工艺，包括以下步骤：

A、接棒准备：带升降平移功能的托架将25根燃料棒托起并移动至机架上；

B、燃料棒就位：机架后端燃料棒推送机械手装置中推料气缸上的推板，将25根燃料棒 推送到操作台前机架上，燃料棒夹持在燃料棒气囊夹持装置中的第一夹持气囊和燃料棒推送 机械手装置的第二夹持气囊之间；

C、推送芯块：装有芯块的料盘放置在操作台上，推料双轴伺服驱动系统控制推送头将 芯块逐个推送至燃料棒内，并记录每个燃料棒内芯块的长度，不断更换料盘上的芯块直到将 燃料棒内填充满芯块；

D、卸料：燃料棒推送机械手装置将装有芯块的燃料棒抓取移位。

进一步，步骤C中推送头的推送速度随着燃料棒内芯块的增加而减小。

进一步，步骤C中当计算到燃料棒内剩余长度不及一根芯块长度时，推料双轴伺服驱动 系统计算出需要补充的芯块长度反馈给操作者，便于操作者取料。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的核燃料组件芯块装管装置，采用推料双轴伺服驱动推送工艺，从而实 现了推送过程的数字化，包括速度可无级调整，定位精度明显提高，减少了启停冲击。

2、本发明所公开的核燃料组件芯块装管装置，可以实现智能装管、智能统计剩余芯块装 管数量，即在连续批次装管过程中，借助于伺服系统，系统可以对装入芯块的长度进行记录， 并通过算法得出剩余芯块的长度，在最后一盘推料过程中自动推动相应长度的芯块到燃料棒空管内。避免了人工测量和计数，降低了操作强度和人为失误造成的少装或多装，提高了生 产效率，保证了装管质量。

3、本发明所公开的核燃料组件芯块装管装置，彻底改变了人工推送的工作原理，通过精 密伺服驱动、自动化机械互锁、引入数字化系统，提高了核燃料组件芯块装管的稳定性，质 量保证更可靠，同时也提升了设备的自动化程度，减轻了工人的劳动强度，降低了工人职业健康风险；同时该专利对设备进行了系统性的安全设计，安全、可靠性较传统的方式得到很 大的提高，综上所述该专利研发的新型核燃料组件伺服推料芯块装管设备在目前核燃料组件 生产领域具有相当大的推广应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述，其中：

图1为本发明核燃料组件芯块装管装置的结构示意图；

图2为本发明核燃料组件芯块装管装置的俯视图。

附图标记：机架1、燃料棒推送机械手装置2、燃料棒气囊夹持装置3、推头装置4、推料双轴伺服驱动系统5、托架6。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明 的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表 实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中， 需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图 中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通 技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1～2所示的核燃料组件芯块装管装置，该芯块装管装置系统属于机电一体化的数控 设备，整体采用铝合金框架，与输送线配合协同完成燃料棒空管的芯块装管工作。具体包括 用于放置燃料棒的机架1、分别位于机架1左侧和右侧的燃料棒气囊夹持装置3和燃料棒推 送机械手装置2。机架1上转动安装有用于导向燃料棒的托架6，托架6上均匀开设有25个沟槽，托架6用于托起燃料棒，托架6上的沟槽起到对燃料棒限位的作用。燃料棒气囊夹持 装置3的作用为：当对燃料棒进行装管推料动作时，压紧燃料棒，使其不发生位移，确保推 料的平稳可靠。同时由于燃料棒空管本身刚性很弱，夹持力也不能过大以避免造成燃料棒空管被压变形。因此需要对夹持装置进行精细调试。料棒推送机械手装置的作用为：将燃料棒 从传输位置推送到装管位置，并在装管完成后，将燃料棒从装管位置拉回输送位置，以便燃 料棒进入到下一工序。

燃料棒气囊夹持装置3包括升降压紧气缸和用于夹持燃料棒一端的第一夹持气囊，燃料 棒推送机械手装置2包括推料气缸、托辊和用于夹持燃料棒另一端的第二夹持气囊。第一夹 持气囊和第二夹持气囊上均电连接有用于调节夹持气囊中气压的气压表。燃料棒气囊夹持装置3的优点为：夹持可靠，调整方便，占用空间小。

燃料棒推送机械手装置2外侧设置有与机架1相匹配的操作台，操作台上安装有用于放 置芯块的料盘，料盘两侧的操作台上固定安装有用于固定料盘的定位销，将料盘放置在操作 台上后，定位销起到自动定位、快速夹紧的料盘的效果。操作台上固定安装有三组定位块， 定位块起到对料盘定位的作用。操作台外侧固定安装有用于推送芯块的推头装置4，推头装 置4包括推头和推头升降装置。推头装置4上电连接有推料双轴伺服驱动系统5，推料双轴 伺服驱动系统5包含料块伺服推送驱动装置、换位伺服驱动装置和芯块导向装置，通过料块伺服推送驱动装置将料盘将芯块推送到燃料棒中，换位伺服驱动装置实现对料块伺服推送驱 动装置的精确移位，芯块导向装置对芯块进入燃料棒起到限位作用。

推头上电连接有推力检测系统，推力检测系统包括推力转换机构、力检测传感器和软件 系统，对芯块装管过程进行实时检测。推头采用特殊设计尺寸，可以满足推动芯块装管，同 时与料盘和导向装置不发生干涉，并且磨损后可以更换。

推头升降装置用于每推送完一次，将推头提起，在换位机构作用下，准确移动到料盘的 下一列料块位置。

推力检测系统是本专利的创新设计，它可以在芯块装管过程中对推力进行实时检测，以 便发生问题时能及时停止推块，保护设备及工件。

还包括与推力检测系统信号连接的PLC控制系统，PLC控制系统包括监控层和控制层。 本系统采用西门子S1200系列PLC作为主控制器，HMI人机界面完成系统监控和芯块装管 管理，对于运行稳定性要求高的驱动装置采用了伺服控制系统。整个电控系统分为监控层和 控制层，为了保证芯块装管工艺研究设备运行的安全可靠，以及作为边线设备与整线的无缝 对接，在设备控制系统中设置安全操作保护系统，软、硬件冗余对接系统等。

1)硬件电路设计上满足安全可靠的要求，面板安装满足布局合理、操作方便、美观大 方；

2)软件设计满足产品工艺要求，具有手动/半自动/全自动多种工作操作模式，各操作动 作之间互锁，保证设备的安全性和可操作性；HMI人机界面满足操作方便、直观，具有状态 监视、故障诊断权限管理等功能；

3)对装管流程可以任意设置，适应各种装管功能的需求。

4)系统预留与生产管理信息化系统接口。

机架1系统由铝型材装配而成，轻便美观，同时为了保证在铝型材质基础上也能获得较 高的机械精度，因此采用多处刚性加强。同时为了保证料盘更换的重复定位精度，因此在料 盘下设置了三个定位块以及两个位置定位销，使得料盘更换方便，同时也与推头和导向装置进行精密中心配合，对芯块装管质量起着重要的作用。

一种核燃料组件芯块装管装置的装管工艺，包括以下步骤：

A、接棒准备：升降平移托架6将25根燃料棒托起并移动至装管机前面，托架6为7根聚乙烯棒(每根上开有25个沟槽)，沟槽用于卡燃料棒，托架6通过无杆气缸平移回到装管机位置，降低到原位；

B、燃料棒就位：装管机机架1后端燃料棒推送机械手装置2中推料气缸上的推板，将 25根燃料棒推送到位，燃料棒夹持在第一夹持气囊和第二夹持气囊之间；

C、推送芯块：装有芯块的料盘放置在操作台上，推料双轴伺服驱动系统5控制推送头 将芯块逐个推送至燃料棒内，并记录每个燃料棒内芯块的长度，不断更换料盘上的芯块直到 将燃料棒内填充满芯块，推送头的推送速度随着燃料棒内芯块的增加而减小；当计算到燃料 棒内剩余长度不及一根芯块长度时，推料双轴伺服驱动系统5计算出需要补充的芯块长度反 馈给操作者，便于操作者取料。

具体工作流程为：伺服平移驱动装置将推送机构精确移动到第一个托送位置X1(托送位 置共计X1～X25)，伺服推送机构校准原位，伺服机构启动，推头下降到工作位，气缸到位磁性开关发讯。伺服机构开始进行推送，芯块沿料盘通道逐步向结合过渡部位靠拢，当最前 端的芯块向前运行使开始记录长度的光电开关sensor1被遮挡，光电开关发讯SS给系统，X1 燃料棒第一次装料长度开始记录。

当推料头的推头体遮挡到芯块推送结束光电探头时，该光电开关发讯SF给系统，伺服 推料机停止前进，并将本次推料长度的脉冲数据发送给系统，数据库记录本次X1位的实际 进料长度。(结构上设计确保推头比推头体长出8～10毫米以上的定值；上下两个光电开关 在同一铅锤线的不同高度上分别探测料块和推头体，从而确认本次涂料长度。此推料长度等 于伺服系统计算出的长度减去8～10毫米定值)。

推头返回X1原点后，上升一定距离。

伺服推料机横移至下一个推料位及X2燃料棒装料原位；开始与XI一样的装料动作和 长度记录，直至推头后退到X2的原位。

以此类推，X3～X25燃料棒也完成第一次装料。

重复由X1到X2的装料流程直至将第一盘芯块装完。

更换料盘，继续推送，每完成一盘，伺服系统进行盘计数，同时根据气阻大小，在推送 后期逐渐降低推送速度(调试过程中实验优化)，推头内设置微型测量计(本次采用与拉棒 机一样的测力计，但是采用测量拉力而不是压力)测量推料过程的阻力。

当系统计数还剩下最后一盘时，根据计算，料块实际上用不到一盘，采用下面2.7点的 工艺流程进行推送，25根燃料棒全部推送完成。

对于最后长度不足一盘料的装料方法为：

根据数据库的X1～X25燃料棒已经完成的装料长度的累计值，查找燃料棒的理论装料值 为3657.6毫米，分别计算X1、X2……X25所需要的补充装料长度δ1、δ2、……δ25，并分别分时发送给伺服控制系统。

参照X1的装料过程，为X1补充装料开始，当Sensor1信号发出，伺服系统开始，直到补充装料长度达到δ1为止(脉冲)，该补充本次推料长度δ1由伺服系统控制。然后推料 头后退至X1的装料原点。

位于结合装置与料盘口之间的压缩空气吹嘴向料盘侧吹气，将其中一颗芯块吹离料道(既 可以表明总装料量结束的标识，又便于下一根燃料棒装料计长发讯)，重复至X25燃料棒完 成最后一盘的补充装块。

D、卸料：燃料棒推送机械手装置2将装有芯块的燃料棒抓取移位。

该核燃料组件芯块装管装置装管工艺的创新点为：

1、采用双轴伺服推送系统，提高了精度和刚性，并实现推送速度渐变特性。

本项目采用双轴伺服推送系统，通过伺服电机、精密滚珠丝杠以及直线导轨装置来实现 推头的两轴运动，大大提高了芯块推送的精度和刚性。同时伺服退料机构组成的闭环系统具 有速度无级调整功能，可以根据推料过程的最佳工艺路线进行速度渐变调整。

首先在每一次推料过程中，通过数控系统设置加减速，提高了推头的运动平稳性，减少 了启停冲击，保证了芯块推料过程的质量，减少了芯块的磨损，大大降低了装管过程中对导 向装置和燃料棒空管的损害和影响。

其次在不断推料过程中，随着燃料棒空管内芯块数量的增多，推进过程的空气助力会逐 渐加大，如果不对速度进行调整，始终保持一个速度，就造成后续推送过程，由于推送阻力 加大引发的脉动现象，影响了装管质量。本专利通过伺服反馈控制，在推料过程中对速度进行渐变调整，提高了装管效率以及装管质量。是对现有生产技术一大创新。

2、创新设计的燃料棒空管推送机械手

在装管前需要将25根燃料棒空管推平、夹持然后送入导向装置。本专利创新设计一种推 送抓取的新型机械手，通过多组机构相互协同，在狭小空间中实现推平、夹持、推送、燃料 棒稳定以及与输送现对位匹配等全部动作。机构精巧、调整方便，减少了设备空间占用。保证了25跟燃料棒空管在装管前的管口精确对齐。

3、智能化装管

该设备可以实现智能装管、智能统计剩余芯块装管数量，从前述芯块装管工艺研究设备 系统工艺过程可以看出，本项目通过伺服系统、检测装置以及软件系统创新开发了芯块智能 装管工艺，即在连续批次装管过程中，系统可以对装入芯块的长度进行记录，并通过算法得出剩余芯块的长度，在最后一盘推料过程中自动推动相应长度的芯块到燃料棒空管内。避免 了人工测量和计数，降低了操作强度和人为失误造成的少装或多装，提高了生产效率，保证 了装管质量。

4、推料过程中对推力的实时检测

在将芯块推送入燃料棒空管过程中，如果出现意外情况(比如芯块堵塞、燃料棒自身弯 曲度不合格等)造成阻力过大，如果主机系统不能实时发现这个隐患，可能产生严重的生产 事故，损坏设备或者燃料棒工件，本项目创新开发了推力的实时检测系统，在推头后方通过 转换机构连接一个力传感器。并向主控系统实时传输推力数据，这样主机就可以清楚知道推送过程中是否有异常发生。并及时采取停机报警动作，极大提高了生产的安全可靠性。

同时在推料过载中，随着燃料棒空管内芯块数量的增多，推进过程的空气助力会逐渐加 大，必须要对推料速度进行渐变调整，而通过推力实时检测，可以根据推力的变化情况进行 高效的速度调节。提高了装管效率。

5、生产过程中对加工区的实时保护

在芯块推送入燃料棒空管过程中，如果外界有异常物进入加工区，推料动作及时停止， 直到异常物离开加工区范围，设备恢复正常运行，此保护功能的设置提高了生产安全可靠性。

该核燃料组件芯块装管装置的装管工艺方法相对于传统人工装管甚至个别厂家试验的气 缸推管工艺技术，提高了自动化、智能化程度，大幅减少了工人与铀块的接触时间，通过数 控技术避免了人工装管可能产生的漏装或多装问题，是一种重大创新，并且该工艺方法经过实际应用，已经取得了良好效果，值得推广。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，包括用于放置燃料棒的机架、分别位于机架左侧和右侧的燃料棒气囊夹持装置和燃料棒推送机械手装置，燃料棒推送机械手装置外侧设置有与机架相匹配的操作台，操作台上安装有用于放置芯块的料盘，操作台外侧固定安装有用于推送芯块的推头装置，所述推头装置包括推头和推头升降装置，所述燃料棒气囊夹持装置包括升降压紧气缸和用于夹持燃料棒一端的第一夹持气囊，所述燃料棒推送机械手装置包括推料气缸、托辊和用于夹持燃料棒另一端的第二夹持气囊。

2.如权利要求1所述的核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，所述推头装置上电连接有推料双轴伺服驱动系统，所述推料双轴伺服驱动系统包含料块伺服推送驱动装置、换位伺服驱动装置和芯块导向装置，通过料块伺服推送驱动装置将料盘将芯块推送到燃料棒中，换位伺服驱动装置实现对料块伺服推送驱动装置的精确移位，芯块导向装置对芯块进入燃料棒起到限位作用。

3.如权利要求2所述的核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，所述推头上电连接有推力检测系统，所述推力检测系统包括推力转换机构、力检测传感器和软件系统，对芯块装管过程进行实时检测。

4.如权利要求3所述的核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，所述第一夹持气囊和第二夹持气囊上均电连接有用于调节夹持气囊中气压的气压表。

5.如权利要求4所述的核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，还包括与推力检测系统信号连接的PLC控制系统，PLC控制系统包括监控层和控制层。

6.如权利要求5所述的核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，料盘两侧的操作台上固定安装有用于固定料盘的定位销，操作台上固定安装有用于定位料盘的三组定位块。

7.如权利要求6所述的核燃料组件芯块装管装置，其特征在于，机架上转动安装有用于导向燃料棒的托架，托架上均匀开设有若干沟槽。