CN115295185B - 定位式自由落球循环设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位式自由落球循环设备，定位式自由落球循环设备包括：支架；球床；回球轨道；落球轨道；提升机构；落球限位板；两个翻板闸门；翻板驱动装置；防护套管；推板装置；落球计数装置；进球计数装置；监控装置；图像采集装置；控制系统。根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备具有误差小、效率高、适用性广等优点。

Description

定位式自由落球循环设备

技术领域

本发明涉及落球实验技术领域，具体而言，涉及一种定位式自由落球循环设备。

背景技术

球床式高温气冷堆所使用的球形燃料元件直径为60mm，结构为球形包覆颗粒(TRISO)弥散在燃料区的石墨基体中。在球床堆内加载和卸载时,燃料元件从一定高度落到球床的不同位置,在此过程中产生不同程度的撞击,如果反应堆进行多次循环方式,燃料元件就会受到更多撞击,因此球形燃料元件对落球强度有严格控制指标，故需要对球形燃料元件的落球强度进行检测。

球形燃料元件的落球强度的检测方法是将球形燃料元件从设定高度(常用4米)以初速度为0自由落体到相同材质的三层球床上,连续循环实验设定次数(50次)以上并且表面无明显破损(直径大于3mm,深度大于1.5mm)视为合格，如果要探究燃料元件极限落球强度，则需要继续循环试验，直至燃料元件表面出现破损为止。

相关技术中的落球设备，由于随着实验次数的增多零件易发生疲劳而导致误差增大，而且存在效率低、适用性小等问题，影响实验准确性和实验效率。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种定位式自由落球循环设备，该定位式自由落球循环设备具有误差小、效率高、适用性广等优点。

为实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种定位式自由落球循环设备，所述定位式自由落球循环设备包括：支架；球床，所述球床设在所述支架下部，所述球床包括围板、多个受力球和球床护罩，多个所述受力球在所述围板内铺设为多层且每层包括沿水平方向阵列排布的多个受力球，所述围板上边沿在上下方向上低于最上层的所述受力球的顶端，所述球床护罩由所述围板的上边沿向上延伸，所述球床护罩具有适于实验球通过的回球口和用于更换所述受力球的换球窗口，所述受力球与所述实验球材料相同、工艺相同；回球轨道，所述回球轨道设在所述支架上，所述回球轨道具有回球进口端和回球出口端，所述回球进口端与所述回球口连通，所述回球出口端设有两个沿所述回球轨道宽度方向间隔设置的圆柱形档杆，所述回球出口端的位置高度低于所述回球进口端，所述回球轨道上设有可升降的止挡装置；落球轨道，所述落球轨道设在所述支架上，所述落球轨道具有落球进口端和落球出口端，所述落球出口端的位置高度低于所述落球进口端，所述落球出口端设有落球口；提升机构，所述提升机构设在所述支架上，所述提升机构适于将所述回球出口端的实验球提升至所述落球进口端，所述提升机构包括闭环链条、提升驱动装置和多个料斗，所述提升驱动装置与所述闭环链条传动连接，多个所述料斗在所述闭环链条上等间隔设置，所述料斗包括两个平行间隔设置的子料斗部，每个子料斗部包括相互垂直的提升肢和引导部，所述提升肢的一端与所述引导部的一端相连且所述提升肢的另一端和所述引导部的另一端设有止挡凸起，所述引导部与所述闭环链条相连，两个所述提升肢之间的距离小于所述实验球的直径且大于所述回球出口端和所述落球进口端的宽度；落球限位板，所述落球限位板止挡在所述落球口远离所述落球进口端的一侧，所述落球限位板沿所述落球口的边沿延伸且朝向所述落球进口端的一侧敞开；翻板驱动装置，所述翻板驱动装置设在所述支架上，所述翻板驱动装置包括翻板驱动电机、两个同步齿轮，两个所述同步齿轮中的一个与所述翻板驱动电机传动连接，两个所述同步齿轮相互啮合；两个翻板闸门，两个所述翻板闸门分别与两个所述同步齿轮相连，所述翻板闸门在打开位置和关闭位置之间可翻转，两个翻板闸门相对设置，每个所述翻板闸门上设有半圆形凹槽，两个所述翻板闸门在所述关闭位置时沿水平方向设置以关闭所述落球口且两个半圆形凹槽限定出与所述实验球形状适配的稳定槽，两个所述翻板闸门在所述打开位置时由转动轴线向下延伸以敞开所述落球口；防护套管，所述防护套管设在所述支架上且位于所述翻板闸门下方，所述防护套管与所述落球口在上下方向上相对；推板装置，所述推板装置适于将落在所述球床上的实验球通过所述回球口推入所述回球轨道，所述推板装置包括推板、推杆、回球直线电机、第一限位开关、第二限位开关，所述推板位于所述球床上方，所述推板通过所述推杆与所述回球直线电机传动连接，所述回球直线电机驱动所述推板在推出位置和收回位置之间可水平移动，所述推板在所述推出位置邻近所述围板上所述回球口所在侧壁，所述推板在所述收回位置时邻近所述围板上所述回球口所在侧壁相对的侧壁，所述推板位于所述推出位置时所述推杆触发所述第一限位开关，所述推板位于所述收回位置时所述推杆触发所述第二限位开关；落球计数装置，所述落球计数装置设在所述落球轨道上且对经过所述落球口的实验球进行计数；进球计数装置，所述进球计数装置设在所述回球轨道上且对经过所述回球出口端的实验球进行计数；监控装置，所述监控装置安装在所述支架正上方；图像采集装置，所述图像采集装置设在所述支架下部；控制系统，所述控制系统设在所述支架上且分别与所述提升机构、所述翻板驱动装置、所述推板装置、所述落球计数装置、所述进球计数装置和所述止挡装置电连接，所述控制系统上设有显控面板，所述显控面板至少适于显示所述落球计数装置和所述进球计数装置的计数值，其中，所述料斗的个数小于等于30个。

根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备，具有误差小、效率高、适用性广等优点。

另外，根据本发明上述实施例的定位式自由落球循环设备还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述球床内的受力球铺设为三层且包括上层、中层和下层，所述上层的受力球个数等于下层的受力球个数且大于中层的受力球个数，所述上层的受力球与所述下层的受力球在上下方向上一一对应，所述中层的受力球与所述上层的受力球和所述下层的受力球错位设置。

根据本发明的一个实施例，所述球床还包括网板，所述网板上设有多个直径小于所述实验球的定位孔，所述上层的所述受力球通过所述网板定位且每个所述定位孔一一对应地配合有一个所述受力球。

根据本发明的一个实施例，所述球床护罩为透明有机玻璃件。

根据本发明的一个实施例，所述支架顶部设有检修平台，所述检修平台围绕有防护网，所述支架上设有通向所述检修平台的防护梯。

根据本发明的一个实施例，所述提升机构还包括适于保持所述闭环链条张紧的张紧机构。

根据本发明的一个实施例，所述定位式自由落球循环设备还包括预埋地基和墙壁连接杆，所述支架与所述预埋地基相连且通过所述墙壁连接杆与墙壁相连。

根据本发明的一个实施例，所述防护套管为透明有机玻璃件，所述防护套管的内径大于10厘米且长度为50-150厘米。

根据本发明的一个实施例，所述落球计数装置和所述进球计数装置为光电计数器。

根据本发明的一个实施例，所述实验球为球形燃料元件、石墨球或轴承球。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备的翻板闸门的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备的料斗的结构示意图。

图6是根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备的局部结构示意图。

附图标记：定位式自由落球循环设备1、支架10、球床20、围板21、回球口211、实验球22、球床护罩23、受力球24、落球轨道30、落球进口端31、落球出口端32、回球轨道40、回球进口端41、回球出口端42、圆柱形档杆421、止挡装置43、提升机构50、闭环链条51、提升驱动装置52、料斗53、提升肢531、止挡凸起532、引导部533、落球限位板60、翻板闸门71、半圆形凹槽711、翻板驱动装置72、防护套管80、推板装置90、推板91、推杆92、回球直线电机93、落球计数装置101、进球计数装置102、监控装置110、控制系统120、网板130。

具体实施方式

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

球床式高温气冷堆所使用的球形燃料元件直径为60mm，结构为球形包覆颗粒(TRISO)弥散在燃料区的石墨基体中。在球床堆内加载和卸载时,燃料元件从一定高度落到球床的不同位置,在此过程中产生不同程度的撞击,如果反应堆进行多次循环方式,燃料元件就会受到更多撞击,因此球形燃料元件对落球强度有严格控制指标，故需要对球形燃料元件的落球强度进行检测。

球形燃料元件的落球强度的检测方法是将球形燃料元件从设定高度(常用4米)以初速度为0自由落体到相同材质的三层球床上,连续循环实验设定次数(50次)以上并且表面无明显破损(直径大于3mm,深度大于1.5mm)视为合格，如果要探究燃料元件极限落球强度，则需要继续循环试验，直至燃料元件表面出现破损为止。

相关技术中的落球设备，由于随着实验次数的增多零件易发生疲劳而导致误差增大，而且存在效率低、适用性小等问题，影响实验准确性和实验效率。

具体而言，相关技术中的落球设备，通过提升装置将实验球提升至高处的落球轨道，实验球沿落球轨道滚动至落球位置后通过落球闸门控制落球时机，闸门打开后实验球下落至球床。之后由推板机构将落入球床的实验球推入回球轨道，实验球通过回球轨道滚动至提升装置被提升装置再次提升。

相关技术中的该落球设备存在以下缺陷：

为使实验球以初速度为0自由落体，落球轨道末端采用弹簧式结构对实验球进行缓冲，使实验球的初速度为0，但长期运行容易使弹簧式结构产生疲劳，导致实验球的运动出现偏差，导致误差产生；

落球闸门的开闭容易影响实验球的初始速度，导致实验球下落运动出现偏差，导致误差产生而且对于实验球的尺寸、重量的局限性较大，影响落球设备的适用性；

推板机构同步性差、容易倾斜、动作迟滞，不能准确推出实验球，实验中止；

落球动作和推球动作容易发生冲突，甚至卡死，导致设备故障，实验终止，影响实验效率；

回球轨道末端的挡板结构容易造成实验球回弹，导致实验球难以保持在回球轨道末端，导致提升机构不能可靠对实验球进行提升，造成提升机构空载，影响实验效率。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考附图描述根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1。

如图1-图6所示，根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1包括支架10、球床20、回球轨道40、落球轨道30、提升机构50、落球限位板60、两个翻板闸门71、翻板驱动装置72、防护套管80、推板装置90、落球计数装置101、进球计数装置102、监控装置110、图像采集装置和控制系统120。

球床20设在支架10下部，球床20包括围板21、多个受力球24和球床护罩23，多个受力球24在围板21内铺设为多层且每层包括沿水平方向阵列排布的多个受力球24，围板21上边沿在上下方向上低于最上层的受力球24的顶端，球床护罩23由围板21的上边沿向上延伸，球床护罩23具有适于实验球22通过的回球口211和用于更换受力球24的换球窗口，受力球24与实验球22材料相同、工艺相同。

本领域的技术人员可以理解的是，“受力球24和实验球22的工艺相同”，是指受力球24和实验球22均经过相同的混捏、干燥、压制、低温碳化、高温纯化的工艺过程。

回球轨道40设在支架10上，回球轨道40具有回球进口端41和回球出口端42，回球进口端41与回球口211连通，回球出口端42设有两个沿回球轨道40宽度方向间隔设置的圆柱形档杆421，回球出口端42的位置高度低于回球进口端41，回球轨道40上设有可升降的止挡装置43。具体而言，止挡装置43升起时阻挡实验球22滚动至回球出口端42且降下时避让实验球22以使实验球22能够滚动至回球出口端42。

落球轨道30设在支架10上，落球轨道30具有落球进口端31和落球出口端32，落球出口端32的位置高度低于落球进口端31，落球出口端32设有落球口。

提升机构50设在支架10上，提升机构50适于将回球出口端42的实验球提升至落球进口端31，提升机构50包括闭环链条51、提升驱动装置52和多个料斗53，提升驱动装置52与闭环链条51传动连接，多个料斗53在闭环链条51上等间隔设置，料斗53包括两个平行间隔设置的子料斗部，每个子料斗部包括相互垂直的提升肢531和引导部533，提升肢531的一端与引导部533的一端相连且提升肢531的另一端和引导部533的另一端设有止挡凸起532，引导部533与闭环链条51相连，两个提升肢531之间的距离小于实验球22的直径且大于回球出口端42和落球进口端31的宽度。

落球限位板60止挡在所述落球口远离落球进口端31的一侧，落球限位板60沿所述落球口的边沿延伸且朝向落球进口端31的一侧敞开。

翻板驱动装置72设在支架10上，翻板驱动装置72包括翻板驱动电机、两个同步齿轮，两个所述同步齿轮中的一个与所述翻板驱动电机传动连接，两个所述同步齿轮相互啮合

两个翻板闸门71分别与两个所述同步齿轮相连，翻板闸门71在打开位置和关闭位置之间可翻转，两个翻板闸门71相对设置，每个翻板闸门71上设有半圆形凹槽711，两个翻板闸门71在所述关闭位置时沿水平方向设置以关闭所述落球口且两个半圆形凹槽711限定出与实验球22形状适配的稳定槽，两个翻板闸门71在所述打开位置时由转动轴线向下延伸以敞开所述落球口。

具体而言，两个翻板闸门71分别通过转轴与两个所述同步齿轮相连。

防护套管80设在支架10上且位于翻板闸门71下方，防护套管80与所述落球口在上下方向上相对。

推板装置90适于将落在球床20上的实验球22通过回球口211推入回球轨道40，推板装置90包括推板91、推杆92、回球直线电机93、第一限位开关、第二限位开关，推板91位于球床20上方，推板91通过推杆92与回球直线电机93传动连接，回球直线电机93驱动推板91在推出位置和收回位置之间可水平移动，推板91在所述推出位置邻近围板21上回球口211所在侧壁，推板91在所述收回位置时邻近围板21上回球口211所在侧壁相对的侧壁，推板91位于所述推出位置时推杆92触发所述第一限位开关，推板91位于所述收回位置时所述推杆触发所述第二限位开关。

落球计数装置101设在所述落球轨道上且对经过所述落球口的实验球22进行计数。

进球计数装置102设在所述回球轨道上且对经过回球出口端42的实验球22进行计数。

监控装置110安装在支架10正上方。所述图像采集装置设在支架10下部。

控制系统120设在支架10上且分别与提升机构50、翻板驱动装置72、推板装置90、落球计数装置101、进球计数装置102和止挡装置43电连接，控制系统120上设有显控面板，所述显控面板至少适于显示落球计数装置101和进球计数装置102的计数值，

具体而言，所述显控面板至少具有启动按键、暂停按键、停止按键以及适于输入所述实验球数量的实验球数量输入框、适于输入单个所述实验球的目标落球次数的单球落球次数输入框、适于输入单个所述实验球的暂停落球次数的单球暂停实验次数输入框、适于输入所述实验球发生破损的坏球数量输入框，所述显控面板至少适于显示所述落球计数装置和所述进球计数装置的计数值，控制系统120适于根据所述落球计数装置的计数值、所述进球计数装置的计数值、输入的所述实验球数量、输入的单个所述实验球的目标落球次数、输入的所述发生破损的实验球坏球数量计算并在所述显控面板上显示所述实验球初始落球总数、所述实验球累积坏球数量、当前进球循环数及当前经过进球计数装置的实验球在单循环内的进球次序，当前落球循环数以及当前经过落球计数装置的实验球在单循环内落球次序，实际剩余落球次数等。

控制系统120还能够在剩余落球次数为0时停止定位式自由落球循环设备1的运行。

所述显控面板还可以具有用于输入电机频率、运行次序、延迟时间、定位角度及距离等参数的输入框。

换言之，控制系统120可以具有启动、暂停和停止功能，并能设置和调试电机频率、运行次序、延迟时间、定位角度及距离等参数，同时还能实时记录和计算实验数据；实验数据包括但不限于实验球数量、单球落球次数、进球总数、落球总数，实验暂停次数、单个实验球当前进球循环数及和单个进球循环里的排序、单个实验球当前落球循环数及和单个落球循环里的排序，累积坏球数量、剩余球落球次数等。当实验达到暂停次数后，设备自动停止运行，方便观察球形样品的表面状态，并决定是否继续实验；根据实验具体情况也可手动暂停设备运行，输入坏球数，并能读取坏球的落球次数，系统实时计算并更新剩余落球次数，当剩余落球次数为0时，设备自动停止运行，软件自动记录并存储数据。

下面参考图1-图6描述根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1的工作过程。

首先检查落球实验用的实验球22表面，保证完好、无破损，编号后放在专用贮存器中待用。

接上电源，检查设备各部位是否运行正常。

检查球床20中的受力球24，保证完好，码放整齐。

向回球轨道40内投放实验球22，控制系统120的数据清零，输入投放的实验球22数量、单球落球次数和单球暂停实验次数，显示装置显示剩余落球次数，即为落球实验总次数。

操作控制系统120启动定位式自由落球循环设备1，回球轨道40上的止挡装置43降下，实验球22在惯性作用下滚动至回球出口端42，在两个圆柱形档杆421的阻挡下停止，提升机构50的料斗53经过回球出口端42时，两个提升肢531从回球出口端42的两侧经过并将实验球22提升，如图5所示。

实验球22依次分别进入多个料斗53，当经过进球计数装置102时，记为进球一次。

待实验球22倍提升机构50提升到预定高度(例如4米)后，料斗53在闭环链条51的带动下转动方向，将实验球22送入落球轨道30的落球进口端31，如图1-图3所示。

进入落球进口端31的实验球22在惯性作用下向落球出口端32滚动，当经过落球计数装置101，记为落球一次。

实验球22滚动至落球限位板60，在落球限位板60的阻挡下落入所述落球口，并落到翻板闸门71上，通过两个翻板闸门71限定出的所述稳定槽，快速稳定后，实验球22的保持静止，使初速度为0。

两个翻板闸门71在翻板驱动装置72的同步驱动下打开，经过防护套管80，以初速度为0自由落体运动到球床20上，并与球床20上的受力球24发生碰撞。

推板装置90运行，回球直线电机93通过推杆92驱动推板91移动至所述推出位置，将落入球床20上的实验球22通过回球口211推至回球轨道40的回球进口端41。回球进口端41的实验球22在惯性作用下向回球出口端42滚动。

实验球22依次通过回球轨道40排队进入料斗53内进行循环试验。

实验过程中实时观察实验球22的表面形貌的变化，目视是否有裂纹或剥落，可手动点击“暂停”按钮，或者实验到达暂停次数，自动停止，对实验球22表面检查，若有裂纹即为破损，若有剥落则用游标卡尺量出剥落处的最大直径和深度，当直径或深度大于一定指标均为破损。控制系统120可以输入坏球数量，并自动计算并显示出剩余落球次数，同时，显示的进球循环次数即为当前实验球22的落球次数，记下此实验球22编号和落球次数，该球不再参加实验；若实验球22无裂纹和剥落，输入坏球数为0，继续参与循环实验，重复落球步骤，直至设定次数或破损；

实验过程中可实现高度自动化，可根据控制系统120的显示装置显示单个实验球的当前进球循环数和单个进球循环内的排序、当前落球循环数和单个落球循环内的排序、剩余落球次数、累积坏球数等信息，可随时判断当前实验的破损球总数量、当前进入送球料斗的球编号，当前下落球的编号，还剩余多少落球次数，实验即将结束。当剩余落球次数为0时，设备自动停止运行，软件自动记录并存储数据。

实验过程中还要实时观察球床20上实受力球24的表面状况，如出现破损应及时更换。

根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1，通过设置回球轨道40，使回球出口端42的位置高度低于回球进口端41，可以使实验球22在回球轨道40上能够依靠惯性作用由回球进口端41滚动至回球出口端42。

通过设置两个圆柱形档杆421，相比相关技术中的挡板结构，可以减小实验球22碰撞阻挡结构时的回弹，保证实验球22能够停留在回球出口端42以被料斗53提升，避免实验球22回弹导致料斗53空载，保证定位式自由落球循环设备1的运行效率，提高实验效率。

通过设置止挡装置43，当进球次数达到剩余落球次数时，可以利用止挡装置43的升降阻止新进入回球轨道40的实验球22滑动至回球出口端42继续进行循环实验，提升机构只需将回球轨道40里阻挡机构43前方至出口端42之间留存的实验球22提升至落球轨道30，完成落球实验，实验即可停止。通过设置落球轨道30，使落球出口端32的位置高度低于落球进口端31，可以使实验球22在落球轨道30上能够依靠惯性作用由落球进口端31滚动至落球出口端32。

通过使料斗53包括两个平行间隔设置的子料斗部，每个子料斗部包括相互垂直的提升肢531和引导部533，提升肢531的一端与引导部533的一端相连且提升肢531的另一端和引导部533的另一端设有止挡凸起532，引导部533与闭环链条51相连，两个提升肢531之间的距离小于实验球22的直径且大于回球出口端42和落球进口端31的宽度，可以使料斗53能够从落球进口端31和回球出口端42两侧穿过，从而使料斗53能够将回球出口端42的实验球22提升至落球进口端31，使实验球22的提升过程精确对接，保证实验球22提升的可靠性，并且通过设置止挡凸起532可以避免实验球22从料斗53上滑落。此外，引导部533可以在料斗53随闭环链条51转动至最高处时而转动方向时与落球轨道30对接，使实验球22在引导部533的引导下进入落球轨道30，保证料斗53与落球轨道30的可靠对接。

通过设置落球限位板60，使落球限位板60止挡在所述落球口远离落球进口端31的一侧，落球限位板60沿所述落球口的边沿延伸且朝向落球进口端31的一侧敞开。这样可以形成半圆形的落球限位板60，使落球限位板60与实验球22的形状适配，有效起到阻挡实验球22滚动的作用，使实验球22可靠穿过所述落球口，相比相关技术中采用弹簧对实验球22进行缓冲的方式，可以避免弹簧因长时间使用发生疲劳而影响实验球22的初速度，从而可以提高实验的准确性，而且易于维护。

通过设置两个翻板闸门71，使翻板闸门71在打开位置和关闭位置之间可翻转，，相比闸门水平滑动打开的方式，可以避免闸门水平滑动时对实验球22的初速度产生影响，以保证实验球22下落前的初速度为0，保证实验的准确性，而且可以适用于尺寸范围更大、重量范围更大的实验球22，避免水平滑动闸门对实验球22的局限性。具体而言，相关技术中的落球设备，若实验球尺寸过小，水平滑动闸门对实验球没有缓冲作用，实验球从落球轨道冲出，以一定速度经过闸门后下落到球床；若实验球尺寸过大，实验球被卡住，无法进行落球实验；若实验球尺寸过重，水平滑动闸门或弹簧缓冲装置对实验球的缓冲作用不明显；若实验球尺寸过轻，水平闸门或弹簧缓冲装置容易对实验球施加水平方向的力，造成落球路线偏离。翻板闸门71则提高了定位式自由落球循环设备1的适用性，并且通过在翻板闸门71上设置半圆形凹槽711，使两个翻板闸门71在所述关闭位置时关闭所述落球口且两个半圆形凹槽711限定出与实验球22形状适配的稳定槽，可以使实验球22能够在所述稳定槽内快速稳定，进一步保证实验球22的初速度为0。也就是说，通过翻板闸门71和落球限位板60的配合，可以有效保证落球之前实验球22的初速度为0，相比相关技术中的落球设备，可以有效避免实验球22的初速度产生误差，提高实验的准确性。

通过设置翻板驱动装置72，翻板驱动装置72包括翻板驱动电机、两个同步齿轮，两个所述同步齿轮中的一个与所述翻板驱动电机传动连接，两个所述同步齿轮相互啮合，两个所述同步齿轮分别与两个翻板闸门71相连。这样可以使翻板驱动电机驱动一个同步齿轮时，另一个同步齿轮反向同步转动，从而使两个翻板闸门71同步反向转动，避免两个翻板闸门71转动不同步而导致实验球22的下落运动出现偏差，从而进一步提高定位式自由落球循环设备1的实验的准确性。

防护套管80可以在因意外而造成实验球22的运动发生偏移时起到防护作用，提高定位式自由落球循环设备1的可靠性。

通过设置推板装置90，使推板91通过单一推杆92与回球直线电机93传动连接，相比采用两个推杆的方式，可以避免两个推杆92不同步而导致的推板倾斜、动作迟滞等问题，从而提高定位式自由落球循环设备1的运行效率，并且通过两个限位开关检测推板92是否到位，可以检测推板装置90的运行动作是否完成，避免推板装置90与其他机构和动作发生冲突。例如，可以避免推球未完成时已经开始落球，可以避免落球动作和推球动作发生冲突，保证实验效率，保证实验可靠性。

通过设置落球计数装置101和进球计数装置102，可以对进球次数和落球次数进行检测和记录，便于对定位式自由落球循环设备1进行控制。

通过设置监控装置110和图像采集装置，可以利用监控装置110和图像采集装置对落球情况进行远程监控，便于监控定位式自由落球循环设备1的运行状况。

通过设置控制系统120，可以利用控制系统120协调定位式自由落球循环设备1上各个动作的运行时机，在避免动作冲突的情况下最大化运行效率，提高实验效率和可靠性，并且显示装置可以直观显示落球和进球计数值，并能实时更新和显示相关分析计算结果，便于操作人员进行控制，且能实现高度自动化的实验过程。

通过使料斗53在闭环链条51上等间隔分布。这样可以使料斗53提升实验球22的时机均匀准确，便于定位式自由落球循环设备1的整体控制。

因此，根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1具有误差小、效率高、适用性广等优点。

下面参考附图描述根据本发明具体实施例的定位式自由落球循环设备1。

在本发明的一些具体实施例中，如图1-图6所示，根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1包括支架10、球床20、回球轨道40、落球轨道30、提升机构50、落球限位板60、两个翻板闸门71、翻板驱动装置72、防护套管80、推板装置90、落球计数装置101、进球计数装置102、监控装置110、图像采集装置和控制系统120。

具体地，图1-图3所示，球床20内的受力球24铺设为三层且包括上层、中层和下层，所述上层的受力球24个数等于下层的受力球24个数且大于中层的受力球24个数，所述上层的受力球24与所述下层的实受力球24在上下方向上一一对应，所述中层的受力球24与所述上层的受力球24和所述下层的受力球24错位设置。举例而言，例如所述上层和所述下层的受力球24分别排列为五乘八的矩阵，所述中层的受力球24排列为四乘七的矩阵。这样可以使受力球24在围板21内紧密排列，以便于形成球床20。

有利地，如图1-图3所示，球床20还包括一个网板130，网板130上设有多个直径小于受力球24的定位孔，所述上层的受力球24通过网板130定位且每个所述定位孔一一对应地配合有一个受力球24。具体而言，网板130位于上层的受力球24的上部。网板130可以通过螺钉固定在围板21上。这样可以利用网板130对受力球24进行定位，保证球床20稳定性。

可选地，所述定位孔的直径与受力球24的直径的差值为0.5-1.5毫米，优选1毫米。网板130的厚度小于等于5毫米。这样可以便于网板130对受力球24进行定位且不影响实验球与受力球发生碰撞。

更为有利地，如图1-图3所示，围板21上边沿连接有向上延伸的球床护罩23，球床护罩23为透明有机玻璃件，球床护罩23上设有换球窗口。这样不仅可以利用球床护罩23起到防护作用，防止实验球22下落碰撞后弹起飞出，透明件可以便于观察落球情况和碰撞后实验球22是否破损，换球窗口可以便于对球床20的受力球24进行更换。

在一些实施例中，支架10顶部设有检修平台，所述检修平台围绕有防护网，所述支架上设有通向所述检修平台的防护梯。这样可以便于对定位式自由落球循环设备1上部高处的机构进行维护和修理，防护网可以对操作人员进行保护。

有利地，提升机构50还包括适于保持闭环链条51张紧的张紧机构。具体而言，所述张紧机构位于闭环链条51内侧。这样可以保持闭环链条51张紧，避免闭环链条51和其上的料斗53发生晃动，进一步保证定位式自由落球循环设备1的可靠性。

具体地，定位式自由落球循环设备1还包括预埋地基和墙壁连接杆，支架10与所述预埋地基相连且通过所述墙壁连接杆与墙壁相连。这样可以提高支架10的稳定性，避免支架10发生晃动，从而提高定位式自由落球循环设备1整体的稳定性和可靠性。

可选地，防护套管80为透明有机玻璃件，所述防护套管的内径大于10厘米且长度为50-150厘米。这样可以便于观察落球动作，而且可以避免防护套管80干扰落球动作，保证落球结果准确性。

更为具体地，落球计数装置101和进球计数装置102为光电计数器。这样可以便于计数装置对实验球22的经过进行记录。

可选地，实验球22为球形燃料元件、石墨球或轴承球。这样可以使定位式自由落球循环设备1能够适用于球形燃料元件、石墨球或轴承球的下落实验。

具体而言，料斗53小于等于30个。

在翻板闸门71位于所述关闭位置时，两个翻板闸门71之间具有避让间隙以避免两个翻板闸门71在翻转时发生干扰，保证两个翻板闸门71顺畅翻转。

根据本发明实施例的定位式自由落球循环设备1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种定位式自由落球循环设备，其特征在于，包括：

支架；

球床，所述球床设在所述支架下部，所述球床包括围板、多个受力球和球床护罩，多个所述受力球在所述围板内铺设为多层且每层包括沿水平方向阵列排布的多个受力球，所述围板上边沿在上下方向上低于最上层的所述受力球的顶端，所述球床护罩由所述围板的上边沿向上延伸，所述球床护罩具有适于实验球通过的回球口和用于更换所述受力球的换球窗口，所述受力球与所述实验球材料相同、工艺相同；

回球轨道，所述回球轨道设在所述支架上，所述回球轨道具有回球进口端和回球出口端，所述回球进口端与所述回球口连通，所述回球出口端设有两个沿所述回球轨道宽度方向间隔设置的圆柱形档杆，所述回球出口端的位置高度低于所述回球进口端，所述回球轨道上设有可升降的止挡装置；

落球轨道，所述落球轨道设在所述支架上，所述落球轨道具有落球进口端和落球出口端，所述落球出口端的位置高度低于所述落球进口端，所述落球出口端设有落球口；

提升机构，所述提升机构设在所述支架上，所述提升机构适于将所述回球出口端的实验球提升至所述落球进口端，所述提升机构包括闭环链条、提升驱动装置和多个料斗，所述提升驱动装置与所述闭环链条传动连接，多个所述料斗在所述闭环链条上等间隔设置，所述料斗包括两个平行间隔设置的子料斗部，每个子料斗部包括相互垂直的提升肢和引导部，所述提升肢的一端与所述引导部的一端相连且所述提升肢的另一端和所述引导部的另一端设有止挡凸起，所述引导部与所述闭环链条相连，两个所述提升肢之间的距离小于所述实验球的直径且大于所述回球出口端和所述落球进口端的宽度；

落球限位板，所述落球限位板止挡在所述落球口远离所述落球进口端的一侧，所述落球限位板沿所述落球口的边沿延伸且朝向所述落球进口端的一侧敞开；

翻板驱动装置，所述翻板驱动装置设在所述支架上，所述翻板驱动装置包括翻板驱动电机、两个同步齿轮，两个所述同步齿轮中的一个与所述翻板驱动电机传动连接，两个所述同步齿轮相互啮合；

两个翻板闸门，两个所述翻板闸门分别与两个所述同步齿轮相连，所述翻板闸门在打开位置和关闭位置之间可翻转，两个翻板闸门相对设置，每个所述翻板闸门上设有半圆形凹槽，两个所述翻板闸门在所述关闭位置时沿水平方向设置以关闭所述落球口且两个半圆形凹槽限定出与所述实验球形状适配的稳定槽，两个所述翻板闸门在所述打开位置时由转动轴线向下延伸以敞开所述落球口；

防护套管，所述防护套管设在所述支架上且位于所述翻板闸门下方，所述防护套管与所述落球口在上下方向上相对；

推板装置，所述推板装置适于将落在所述球床上的实验球通过所述回球口推入所述回球轨道，所述推板装置包括推板、推杆、回球直线电机、第一限位开关、第二限位开关，所述推板位于所述球床上方，所述推板通过所述推杆与所述回球直线电机传动连接，所述回球直线电机驱动所述推板在推出位置和收回位置之间可水平移动，所述推板在所述推出位置邻近所述围板上所述回球口所在侧壁，所述推板在所述收回位置时邻近所述围板上所述回球口所在侧壁相对的侧壁，所述推板位于所述推出位置时所述推杆触发所述第一限位开关，所述推板位于所述收回位置时所述推杆触发所述第二限位开关；

落球计数装置，所述落球计数装置设在所述落球轨道上且对经过所述落球口的实验球进行计数；

进球计数装置，所述进球计数装置设在所述回球轨道上且对经过所述回球出口端的实验球进行计数；

监控装置，所述监控装置安装在所述支架正上方；

图像采集装置，所述图像采集装置设在所述支架下部；

控制系统，所述控制系统设在所述支架上且分别与所述提升机构、所述翻板驱动装置、所述推板装置、所述落球计数装置、所述进球计数装置和所述止挡装置电连接，所述控制系统上设有显控面板，所述显控面板至少适于显示所述落球计数装置和所述进球计数装置的计数值，

其中，所述料斗的个数小于等于30个。

2.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述球床内的受力球铺设为三层且包括上层、中层和下层，所述上层的受力球个数等于下层的受力球个数且大于中层的受力球个数，所述上层的受力球与所述下层的受力球在上下方向上一一对应，所述中层的受力球与所述上层的受力球和所述下层的受力球错位设置。

3.根据权利要求2所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述球床还包括网板，所述网板上设有多个直径小于所述实验球的定位孔，所述上层的所述受力球通过所述网板定位且每个所述定位孔一一对应地配合有一个所述受力球。

4.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述球床护罩为透明有机玻璃件。

5.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述支架顶部设有检修平台，所述检修平台围绕有防护网，所述支架上设有通向所述检修平台的防护梯。

6.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述提升机构还包括适于保持所述闭环链条张紧的张紧机构。

7.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，还包括预埋地基和墙壁连接杆，所述支架与所述预埋地基相连且通过所述墙壁连接杆与墙壁相连。

8.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述防护套管为透明有机玻璃件，所述防护套管的内径大于10厘米且长度为50-150厘米。

9.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述落球计数装置和所述进球计数装置为光电计数器。

10.根据权利要求1所述的定位式自由落球循环设备，其特征在于，所述实验球为球形燃料元件、石墨球或轴承球。