核电站核岛换料机夹爪气动系统的设计

1 引 言

气压伺服控制技术是以气体为工作介质，实现能量传递、转换、分配及控制的一门技术。气动技术与其他的传动和控制技术相比较，具有其独特的优势：气动装置结构简单、轻便、安装维护简单；工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，具有防燃、防爆、防电磁干扰等一系列的优点；排气处理简单，不污染环境，成本低；输出力与工作速度的容易调节，可靠性高，使用寿命长；可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。正是基于以上优点，气动技术在核电领域担当着重要的角色。换料机夹爪是核电站核燃料在装卸料时的直接跟核燃料棒接触的核心执行机构，它能否按预定设计顺利打开和收紧关系到换料工作是否能顺利完成，甚至会引发核安全的问题。目前所有二代及二代半核电技术换料机均采用气动系统来驱动夹爪的工作[1-4]，因此设计出一个功能完备、安全性良好的气动系统意义重大。

2 气动控制元件

（1）电磁换向阀。方案选用诺冠SXE系列二位五通先导式电磁阀，该种电磁阀采用带特殊涂层的硬密封阀芯阀套，可无故障长寿命工作，ISO#1 and#2上集成流量调节器，低功耗标准线圈和手控方式，有多种底板和附件可选。使用压力范围0～16MPa，环境和介质温度为15℃～50℃，响应时间为20ms。

（2）减压阀。由于换料机气动系统所使用的气源是核岛所有其他气动装置共用的气源，压力远远超出系统所需压力，因此必须使用减压阀减压并保持压力稳定。

方案采用诺冠减压阀R72G-2GK-RMG+74316-50，输入压力为0～3MPa，调整范围为0.1～2 MPa，安装方式为底板式，输出压力由压力表显示，适用温度-15℃～+80°C。连接尺寸为G1/4in，标准额定流量为2000L/min。

3 气缸的设计

根据夹爪顺利张开和收缩驱动杆所需行程和推力要求，方案选择诺冠公司生产的RM系列气缸，型号为RM/55464/JM/75。该型气缸能使夹爪驱动杆顺利到达工作所需要的两个位置，活塞杆行程为75mm。

3.1 气缸的输出力

根据核岛气路系统的压力情况，气缸的工作压力设定为0.8MPa，缸径为63mm，活塞杆直径为18mm，由此可以计算出气缸的理论推力：

考虑到气缸的效率，则实际的输出推力为：

式中：D——缸径（m）；

P——气缸的工作压力（Pa）；

η——气缸的效率，η的取值范围为0.7～0.9，上

式中η的取值为0.8。

3.2 活塞杆的稳定性校核

因为气缸活塞杆是驱动夹爪抓取核燃料棒驱动执行部分最为脆弱的部分，为了防止在换料工作过程中出现意外事故，必须验证驱动装置的可靠性，即气缸活塞杆的的稳定性[5]。活塞杆稳定性验算条件：

式中：F——活塞杆承受的最大轴向压力（N）；

Fk——纵向弯曲极限推力（N）；

nk——稳定性安全系数，一般取1.5～4。

纵向弯曲极限推力不仅与活塞杆的材料、直径、安装长度有关，而且还与气缸的安装支撑方式的末端因数有关，见表1。

表1 末端因数

那么，纵向弯曲极限推力Fk可以根据戈登-兰肯式求得[6]：

式中：f——材料的抗压强度，钢材f=480（MPa）；

A——活塞杆横截面积；

a——实验常数，钢材a=1/5000；

m——末端系数；

k=d/4=4.5（mm）；

L——活塞杆的计算长度（m）。

对于方案中采用的气缸，其安装方式为固定-自由，m的取值为0.25。活塞杆的计算长度L为140mm，活塞杆横截面回转半径k=d/4=4.5mm。代入式（4）可得活塞杆纵向弯曲极限力：

根据核级设备安全规定，取稳定性安全系数nk为 4，则：

由于在实际使用中活塞杆的最大轴向压力F=1.79kN＜4.84kN，所以方案中选用的活塞杆的强度是满足设计要求的。

4 空气净化处理装置

4.1 压缩空气质量要求

不同的场合，不同的设备对压缩空气的质量要求也不相同。低劣的空气质量不仅会影响到设备的使用寿命，更严重的则可能带来很多安全事故，使预定功能无法完成。我国采用的ISO 8573即国家标准GB/T 13277－91（见表2），为各种场合压缩空气质量提供了选择的依据。根据该标准推荐的核级设备压缩空气标准，该气动系统的压缩空气品质要求为2-3-2。即固体粒子等级2，含水量等级3，含油量等级2。

表2 空气质量标准

4.2 空气净化处理

空压机排出的压缩空气是不干净的，除了含有水（包括水蒸气、凝结水）和悬浮物外，还有油（包括油雾、油蒸气）。这些污染物对提高生产效率、降低运行成本、提高产品质量是不利的，因此就需要进行干燥净化处理[7]。选用合适的气源处理系统及其元件是非常重要的，其空气压缩系统如图1所示。

图1 空气压缩系统图

（1）空气过滤器。从空压机输出的压缩空气中含有大量有害杂质，会对气源系统造成很大的危害，其中危害最大的是油。变质的润滑油（油分）会使橡胶、塑料、密封材料变质，堵塞小孔，造成阀类动作失灵，污染产品。水分和粉尘会造成金属器件、管道生锈腐蚀，造成运动部件卡死或磨损，使气动元件动作失灵和漏气，水分和尘土还会堵塞节流小孔或过滤网。分水过滤器、减压阀和油雾器的三联件是气动系统中不可或缺的辅助装置。

（2）油雾器。可分离掉主管路过滤器和空气过滤器难以分离掉的0.3～5 μm气状溶胶油粒子及大于0.3 μm的锈末、炭粒。安装在电磁先导阀及间隙密封滑阀的气源上。

5 气动系统图及工程安装示意图

根据设计所选气动元件，核岛换料机的气动系统图见图2。

图2中，1为空气压缩系统，为整个气动系统提供气源；压缩空气经过油雾器2、空气过滤器3净化之后，空气质量达到预定要求。之后空气经减压阀4减压后输送给电磁控制阀的空气压力稳定在0.8 MPa左右。系统通过控制程序控制电磁阀的切换程序从而控制气缸7的工作情况，实现整个换料机夹爪夹取和释放核燃料棒的工作。工程安装示意图见图3[8]。

图3 工程安装示意图

6 结束语

（1）根据核电供气空气质量要求和该系统具体使用需要，选定了气动回路所需油雾器、空气过滤器、减压阀以及电磁阀等元器件的型号，并绘制了气动系统图。

（2）设计计算了气缸的缸径、行程、供气压力和气缸的输出推力。根据换料机夹爪工作时驱动杆位置的要求，选取了诺冠公司生产的RM系列气缸，型号为RM/55464/JM/75，满足使用要求。

（3）用戈登-兰肯公式对核心的执行器——气缸进行了稳定性校核，确保系统功能的稳定性，消除了潜在的安全隐患。

图2 气动系统图