CN207182919U - 一种核燃料组件拉棒系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种核燃料组件拉棒系统，系统包括拉棒预装盒平台、骨架装夹平台、拉棒主机，所述骨架装夹平台设置在拉棒预装盒平台与拉棒主机之间，本装置在拉棒预装盒平台、拉棒主机上设置了移动机构和升降机构，提高了整个工艺过程中的自动化程度。本系统可通过PLC程序再对每个气缸进行控制，实现了对每一根拉杆的控制，能更灵活地进行拉棒，提高了核燃料组件的质量和效率。

Description

一种核燃料组件拉棒系统

技术领域

本实用新型属于核能源领域，涉及一种核燃料组件拉棒系统。

背景技术

核电作为低碳能源，是清洁能源的重要组成部分，我国十三五规划将大力发展核能，预计每年将新建6～8座核电站，届时我国核电运行和在建装机将达到8800万千瓦。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。

核燃料组件如图1a和图1b所示，包括上管座部件401、上端部格架402、搅混格架403、燃料棒404、仪表管405、下端部格架406、导向管407、下管座部件408，核燃料组件长约4m，其中的格架横截面214mm×214mm左右，燃料棒直径约9.5mm，长约3972mm，在横截面上组成17×17层排列结构，图1b为断面图，骨架是由11个格架和若干导向管组成，预先已经在上一道工序中装配好，拉棒工艺的过程就是将长约4m的燃料棒一层一层地拉过骨架中的 11个格架，最终使得这些燃料棒穿过全部格架，但由于17×17格架中有24根导向管已经存在，因此每一层拉的燃料棒的数量都不一样，需要对拉杆进行选择。一般采用气缸来进行。

由于拉杆直径非常小，排成一排空间狭窄，如果设置17个气缸对应不容易排列，因此早期的拉棒工艺无法实现单根拉杆的选择，但是这样当拉棒过程中出现故障，造成某一根燃料棒拉脱，将无法对这根遗漏的燃料棒进行单独拉棒作业，事故处理非常繁琐。

核燃料组件制作工艺复杂，安全可靠性要求高，而其中的燃料棒与骨架的组件拉棒装配工艺难度很大，工序周期长，对组件的产能和质量有着重要的影响，一直都是核燃料组件生产的重点管控工序。目前燃料棒与骨架的组件拉棒装配工序都是采用拉棒专用设备来完成，由于我国早期核电工艺技术比较落后，工业自动化程度低，国内现有的拉棒系统和国外还有相当的差距，拉棒的质量、精度和效率都比较差，在很多重要的环节还需依赖国外进口装置。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种核燃料组件拉棒系统，有效提升了组件拉棒的精度及质量，同时也增强了拉棒过程的可靠性，提高了自动化程度、降低了工人劳动强度。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种核燃料组件拉棒系统，包括拉棒预装盒平台、骨架装夹平台、拉棒主机，所述骨架装夹平台设置在拉棒预装盒平台与拉棒主机之间，所述拉棒预装盒平台与拉棒主机上均设置有移动机构，所述拉棒预装盒平台包括预装盒移动驱动机构和预装盒升降机构，所述骨架装夹平台包括格架夹持框架，所述拉棒主机包括拉棒主工作台、拉杆选杆及定位机构、拉棒升降伺服驱动机构、拉棒主伺服系统。

进一步，所述拉杆选杆及定位机构包括溜板、选杆气缸、选杆拉板、转轴、拉杆，所述选杆拉板通过转轴与溜板连接，所述拉杆上设有拉爪和拉杆卡口，每一块选杆拉板分别单独连接对应的选杆气缸，并嵌入到拉杆卡口内，所述溜板通过拉杆吊挂结构与拉杆连接。

进一步，所述选杆气缸设置为两排，两排选杆气缸错位设置。

进一步，所述拉杆吊挂结构包括设置在溜板上的吊挂槽，所述拉杆连接拉杆吊挂座设置在吊挂槽内，所述拉杆下设有导向槽。

进一步，所述导向槽为沿着拉杆轴向分段的尼龙板导向槽

进一步，所述选杆拉板与溜板之间设有力传感器。

进一步，所述力传感器为S型力传感器。

进一步，所述骨架装夹平台还包括翻转驱动机构，所述翻转驱动机构包括翻转油缸和翻转主梁，所述翻转主梁通过主铰链与骨架装夹平台铰接，所述翻转油缸斜撑布置，翻转油缸的前铰支点设置在翻转主梁的中间。

进一步，所述预装盒移动驱动机构包括辊道。

进一步，所述拉棒升降伺服驱动机构包括伺服电机和四个螺旋丝杠升降机。

本实用新型的有益效果在于：

1.本申请在通过分别在拉棒预装盒平台、拉棒主机上设置了移动机构和升降机构，提高了整个工艺过程中的自动化程度，提高了工艺的质量和效率。

2.可通过PLC程序再对每个气缸进行控制，实现了对每一根拉杆的控制，能更灵活地进行拉棒，当拉棒过程中出现故障，造成某一根燃料棒拉脱，可以将其它燃料棒拉到位后，单独选择被拉脱的燃料棒进行拉曳，大大减少了事故处理的时间，还可实现更灵活的拉棒操作。

3.本申请设置的拉杆吊挂结构，通过螺钉安装在拉杆上，当拉板推头推动拉杆前进或后退时，拉杆始终保持吊挂在溜板的吊挂槽内，这样就使得拉杆和溜板保持相对固定，显著提高了拉杆的刚性，减少了选杆拉板的推头对拉杆压下作用后对拉杆造成的弯曲，降低了拉杆下面的尼龙板的导向槽对拉杆的支撑导向要求，因此尼龙板不需要做成拉杆全长的整体加工件，只需分段加工好即可，大大降低了导向尼龙板的制造难度。提高了其使用寿命。从而更好地保证了核燃料组件的拉棒质量。

4.对每一根拉杆的总拉力进行连续检测，从而使得工厂可以精确地掌握核燃料组件在拉棒过程中每一层格架的受力状况，从数据上给提高核燃料组件提供了直接的支持，还可以在总拉力超出预设警戒值时，控制系统报警并立即停机。

5.本申请翻转驱动机构，将油缸布置方式设置为斜撑，前铰支点调整到主梁中间，把角度调整到比较合理的范围，使得翻转平台竖直状态下，油缸推力夹角增大，大大减小了轴承的侧向分力，提高了组件的稳定性，并且减小了地坑的深度。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1a为核燃料组件的结构示意图；

图1b为核燃料组件的断面图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为拉杆选杆及定位机构的结构示意图；

图4为拉杆吊挂结构的结构示意图；

图5a为本实施例骨架装夹平台的结构示意图；

图5b为现有技术骨架装夹平台的结构示意图；

图6为拉杆在拉棒过程中收到的阻力图；

图7为翻转驱动机构轴承和油缸的受力图；

图8为本实施例前铰结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

如图2所示本实用新型一种核燃料组件拉棒系统，包括拉棒预装盒平台1、骨架装夹平台2、拉棒主机3，所述骨架装夹平台2设置在拉棒预装盒平台1与拉棒主机3之间，所述拉棒预装盒平台1与拉棒主机3上均设置有移动机构，拉棒预装盒平台1的移动机构包括直线导轨101，拉棒主机3设有移动装置321，所述拉棒预装盒平台1包括预装盒移动驱动机构和预装盒升降机构102，所述预装盒移动驱动机构包括辊道103。所述骨架装夹平台2包括格架夹持框架201，所述拉棒主机3包括拉棒主工作台301、拉杆选杆及定位机构302、拉棒升降伺服驱动机构303、拉棒主伺服系统304，所述拉杆选杆及定位机构302可以对任意一根拉杆309的选择并定位。

本实施例在在预装盒平台1上设置一个升降主梁108，在升降主梁108上安装若干辊筒，形成一个辊道103的输送工作台，然后通过预装盒升降机构102驱动该主梁升降一个较小行程。升降主梁108两端设置有导向套106，保证升降和受力状态下的平稳性。其中105为底座。

将预装盒107从小车上推到拉棒预装盒平台1时，该升降主梁108是升起50mm，这样预装盒107就可以在辊道103上滚动前行，大大减轻了工人的劳动强度，当预装盒107推送到位以后，通过程序控制升降主梁108下降，此时预装盒就落在了6个基准平板104上，工人马上就可以进行定位操作，明显减少了基准平板104的磨损。有助于设备的精度保持。同时也方便进行后续预装盒107的自动化智能生产改造。

图3为拉杆选杆及定位机构302的结构示意图，所述拉杆选杆及定位机构302包括溜板 305、选杆气缸306、选杆拉板307、转轴308、拉杆309，所述选杆拉板307通过转轴308与溜板305连接，所述拉杆309上设有拉爪310和拉杆卡口311，选杆拉板307上设有拉板推头312，每一块选杆拉板307分别单独连接对应的选杆气缸306，所述选杆气缸306设置为两排，两排选杆气缸306错位设置后再与并且设置的选杆拉板307连接。其中322为底座，采用了气缸错位排列，按照前8后9分成两排，然后选杆气缸306与选杆拉板307进行错位连接，17块选杆拉板307均通过同一根转轴308与溜板305连接，选杆拉板307可在选杆气缸 306的驱动下围绕转轴308摆动一定角度，使得选杆拉板307的拉板推头312嵌入到拉杆卡口311中，从而推动或拉动拉杆309移动。通过PLC程序再对每个气缸进行控制，实现对每一根拉杆的控制。

所述溜板305通过拉杆吊挂结构313与拉杆309连接。所述拉杆吊挂结构313包括设置在溜板305上的吊挂槽314，所述拉杆309连接拉杆吊挂座315设置在吊挂槽314内，所述拉杆309下设有导向槽317。本实施例导向槽317为尼龙导向板316形成。其中318为拉杆外套管。现有技术中，由于燃料棒很长，因此拉杆309也相应的较长，约4.8m，直径8mm，刚性很差，在拉杆下面设立尼龙导向板316作导向槽317，但整体导向槽加工比较困难，同时拉杆309在拉板推头312推拉作用下，会对该导向槽317有压力作用，造成燃料棒拉动过程中应力不平稳，尼龙板变形失效快，影响拉棒的质量。本实施例在溜板305上设置吊挂槽 314，然后将拉杆309的卡口座设计为如图4所示的拉杆吊挂结构313，该拉杆吊挂结构313 通过螺钉安装在拉杆309上，当拉板推头312推动拉杆前进或后退时，拉杆309始终保持吊挂在溜板305的吊挂槽314内，这样就使得拉杆309和溜板305保持相对固定，显著提高了拉杆309的刚性，减少了拉板推头312对拉杆309压下作用后对拉杆309造成的弯曲，降低了拉杆309下面的尼龙导向板316对拉杆309的支撑导向要求，所述导向槽317为沿着拉杆轴向分段的尼龙板导向槽，尼龙导向板316分段加工，大大降低了尼龙导向板316的制造难度。提高了其使用寿命。从而更好地保证了核燃料组件的拉棒质量。

所述选杆拉板307与溜板305之间设有力传感器319。所述力传感器319采用S型力传感器，可以有效地将拉力变换为微小形变数据，再通过应变片转换为电信号，通过信号输出口传递到变送器，经变送器放大后进入控制系统。

力传感器通过固定螺钉与安装座320连接，然后通过安装座320安装在溜板305上，在拉棒过程中随着溜板305一起移动，当拉杆309抓取燃料棒，向后拉动，穿过一层层格架的时候，拉杆309受到格架摩擦阻力的作用，有拉板推头312来承受这个拉力，由于空间非常狭小以及考虑维修性等缘由，无法在这里直接设置传感器，因此利用选杆拉板307绕转轴308旋转的机构原理，将拉力传递到溜板305上方，在选杆拉板307上设置支承钉，通过支承钉对力传感器的作用，从而间接测得拉力大小，由于力臂相同，转轴308处又采用了摩擦力很小的滚动轴承，同时支承钉设置为球头，消除了制作误差，因此该间接力和实际力之间的误差很小，从而实现了核燃料组件的单棒力检测。

如图6所示，当拉棒机的拉爪310拉动燃料棒，穿过组件骨架的一层层格架时，由于弹簧夹持的摩擦力f作用，拉杆从第一层格架开始，逐步受到F1～F11的阻力，依次累加。由于整个过程是平稳的，因此理论上阻力就等于拉力，安装在每一根拉杆尾端的检测装置显示的拉力从50N、90N……直到450N，检测系统的力传感器，可以动态输出连续值，因此可以对每一根拉杆的总拉力进行连续检测。当总拉力超出预设警戒值时，控制系统报警并立即停机。

除了对每根拉杆总的拉力进行检测和输出，本检测系统还可通过系统运算程序，对拉棒过程中通过的每一层格架的阻力进行检测，从而对拉棒过程进行更深入一层的掌控。可以精确知道每一层格架对拉棒的阻力大小，从而对格架质量和拉棒设备进行监测，进一步可对格架的焊接、骨架的焊接装配以及拉棒生产线设备提出改良意见，这对提高核燃料组件的整体质量具有现实的意义。具体计算如图6，拉杆通过第一层格架时检测的拉力为50N，通过第二层格架的阻力比如为90N，那么通过程序运算，可得出通过第二层格架的阻力为90N-50N ＝40N，依次类推，在检测出通过每一层格架后总拉力值的情况下，可以计算出通过每一层格架的阻力。当某一层格架的阻力超过程序预设的警戒值比如50N时，系统报警，拉棒过程停止，从而对格架和组件进行了保护。

该力检测可以对每一根拉杆的拉力进行精确检测，通过变送器，送入控制系统中，通过软件分析，进一步作出每一层格架的受力分布图，再通过网络系统，将数据传送到工厂的相关工序系统和相关部门，从而使得工厂可以精确地掌握核燃料组件在拉棒过程中每一层格架的受力状况，从数据上给提高核燃料组件提供了直接的支持。为以后核燃料组件的智能化生产提供了依据。

图5b为现有技术骨架装夹平台的结构示意图。现有拉棒机采用多级油缸或挖深坑单级油缸的方式，油缸翻转到竖立状态时，油缸推杆轴线与翻转架的角度较小，造成翻转主铰链处的轴承受到很大的侧向分力，加剧了轴承的疲劳磨损，对轴承的精度也造成影响，同时由于侧向力较大，翻转平台在竖直状态稳定性差，实际使用情况就是在竖直下有晃动现象，这在核电领域，对关键的核燃料组件生产工艺是不允许的。

本实施例中，图5a为本实施例骨架装夹平台的结构示意图；骨架装夹平台2还包括翻转驱动机构，所述翻转驱动机构包括翻转油缸202和翻转主梁203，所述翻转主梁203通过主铰链204与骨架装夹平台2的翻转主梁203铰接，所述翻转油缸202斜撑布置，翻转油缸202的前铰支点205设置在翻转主梁203的中间。本专利对现有翻转驱动机构进行了改进，将油缸布置方式该位斜撑，前铰支点调整到主梁中间，如图8所示在前铰支点205处采用前铰结构，这样就把角度调整到比较合理的范围，使得翻转平台竖直状态下，油缸推力夹角增大，大大减小了轴承的侧向分力，提高了组件的稳定性。并且减小了地坑的深度。其中，206导向板机构,207为上下管座装置图7为本实施例翻转驱动机构轴承和油缸的受力图，经过实际计算数据仿真，可以看出，轴承受力大为平缓。

本实施例核燃料组件拉棒系统工艺过程，包括以下步骤，

a.预先已将格架及导向管焊接组合好，形成一个骨架组件，将该骨架放置到骨架装夹平台2上就位，并对骨架上的格架进行夹持，调整定位和锁紧；

b.将预装好燃料棒的预装盒107通过辊道103输送到拉棒预装盒平台1，并进行定位夹持锁紧；

c.然后启动程序，将拉棒预装盒平台1以及拉棒主机3向中间的骨架装夹平台2移动靠拢；

d.通过程序控制拉棒升降伺服驱动机构303驱动拉棒主机工作台301升降到准确的位置，与格架上17层过孔中的一层对中定位；

e.在拉棒主机上设置选棒子程序，根据组件规格的不同，预设PLC程序对每个选杆气缸 306单独进行控制，对拉杆309进行选择，同时利用其后的选杆气缸306对没有选中的拉杆 309进行定位锁紧；

f.启动拉棒程序，伺服驱动溜板305，溜板305推送拉杆309穿过格架向预装盒107方向前进，到达预定位置后，通过拉杆309端部安装的拉爪310抓取燃料棒；

g.再次启动拉棒程序，反向驱动溜板305，溜板305挂着拉杆309，将燃料棒从预装盒 107拉出，依次通过骨架上的各个格架，达到预定位置，完成拉棒；

h.拉棒主机3的拉棒主工作台301通过拉棒升降伺服驱动机构303进行高度调整，移动到另外一层，重复上面的拉棒步骤，直到将燃料棒全部拉入到格架的17层孔中；

i.启动复位按钮，预装盒平台1及拉棒主机3都退回到原位，并进行辅助操作；

j.程序控制使得骨架装夹平台2从水平状态旋转到竖立状态，将已经拉棒完成的核燃料组件吊运离开，完成一个工作循环。

本工艺在拉棒过程中，对每根拉杆309总的拉力进行连续检测和输出，当总拉力超出预设警戒值时，控制系统报警并立即停机。

在核燃料组件生产过程中，当出现拉棒故障，或者要对核燃料组件进行维修的时候，需要将燃料棒从整个组件里面全部拉出，目前国内的拉棒专机只能采用人工一根根从组件里面抽出，劳动强度大，更重要的是人力拉曳，很容易对燃料棒和格架造成二次损伤，从而对核燃料组件的质量和可靠性造成影响。普通的拉棒专机都配有17根长拉杆，工作段长度约5.6m，正常工作时，拉动约4.8m距离，可以将燃料棒从预装盒拉出，穿过11层格架到达下管座前面的预定位置，完成拉棒作业，当进行组件维护或故障处理需要将燃料棒拉出时，先用长拉杆将燃料棒从掉棒处抓取并拉动到下管座前面位置，受拉棒主机溜板305行程的限制，此时溜板305已经退到了原位，溜板305推动的长拉杆无法再继续将燃料棒从格架中拉出，此时将长拉杆取下抽出，换用短拉杆，短拉杆结构和长拉杆完全一样，只是将工作段长度缩短为约500mm，溜板305带动短拉杆，重新运行到工作位，抓取燃料棒，然后后退移动同等的工作行程，将燃料棒完全从组件格架中拉出。使用这种短棒拉杆工艺方法，还可用在设备调试检修过程中，方便进行检验调试，通过短棒拉杆工艺，将检验棒从格架中拉过，以确定预装盒燃料棒中心、格架中心、拉棒主机拉杆中心的对中精度误差。

拉棒主工作台301上安装有拉杆选杆及定位机构302，用于将17层燃料棒一层一层地拉过格架，完成组件装配，每一层拉棒前，该工作台都需要根据拉棒层数的要求，升降一定高度，确保其上拉杆中心与格架相应过孔中心、预装盒燃料棒中心，其同轴度误差在允许范围内，这样拉棒过程中，燃料棒才能尽量减少与11个格架的刮擦，保证燃料棒表面质量，减少格架的受力扭曲变形。因此拉棒主工作台升降精度对于整个拉棒质量非常重要，如图2所示，本实施例采用拉棒升降伺服驱动机构303为伺服电机驱动四个螺旋丝杠升降机进行升降，由于螺旋丝杠升降机采用的是具备自锁特性的梯形螺纹丝杠，其传动间隙较大，四个螺旋升降丝杠同步性并不完全一致，同时拉棒主工作台会根据工艺要求，需要在17层中反复升降，要满足±0.05mm定位精度要求，难度很大。

本实施例对该升降数控系统进行了较大程度的优化设计，首先在程序上对升降过程设定了一个基准原点，该基准原点高度比最下层燃料棒中心高度低20mm，让拉棒主工作台301 每升降一次，都要回到基准原点，重新对位，在重新回复基准原点过程中，消除了梯形丝杠方向间隙误差，同时也大大减小了四个螺旋丝杠同步性误差，在基准校准后，再次升降到工艺要求的燃料棒层，进行下一个层次的拉棒作业。

同时在传动比设置上，在电机以及中间传动元件上设置较小的传动比，将螺旋丝杠升降机的传动比加大，这样传动过程中，前端的一系列传动元器件的间隙误差，经过丝杠升降机以后，将大幅度减小，降低对最终升降高度的影响。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：包括拉棒预装盒平台、骨架装夹平台、拉棒主机，所述骨架装夹平台设置在拉棒预装盒平台与拉棒主机之间，所述拉棒预装盒平台与拉棒主机上均设置有移动机构，所述拉棒预装盒平台包括预装盒移动驱动机构和预装盒升降机构，所述骨架装夹平台包括格架夹持框架，所述拉棒主机包括拉棒主工作台、拉杆选杆及定位机构、拉棒升降伺服驱动机构、拉棒主伺服系统。

2.根据权利要求1所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述拉杆选杆及定位机构包括溜板、选杆气缸、选杆拉板、转轴、拉杆，所述选杆拉板通过转轴与溜板连接，所述拉杆上设有拉爪和拉杆卡口，每一块选杆拉板分别单独连接对应的选杆气缸，并嵌入到拉杆卡口内，所述溜板通过拉杆吊挂结构与拉杆连接。

3.根据权利要求2所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述选杆气缸设置为两排，两排选杆气缸错位设置。

4.根据权利要求2所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述拉杆吊挂结构包括设置在溜板上的吊挂槽，所述拉杆连接拉杆吊挂座设置在吊挂槽内，所述拉杆下设有导向槽。

5.根据权利要求4所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述导向槽为沿着拉杆轴向分段的尼龙板导向槽。

6.根据权利要求2所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述选杆拉板与溜板之间设有力传感器。

7.根据权利要求6所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述力传感器为S型力传感器。

8.根据权利要求1所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述骨架装夹平台还包括翻转驱动机构，所述翻转驱动机构包括翻转油缸和翻转主梁，所述翻转主梁通过主铰链与骨架装夹平台铰接，所述翻转油缸斜撑布置，翻转油缸的前铰支点设置在翻转主梁的中间。

9.根据权利要求1所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述预装盒移动驱动机构包括辊道。

10.根据权利要求1所述的一种核燃料组件拉棒系统，其特征在于：所述拉棒升降伺服驱动机构包括伺服电机和四个螺旋丝杠升降机。