燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量系統(tǒng)偏差的分析及改進(jìn)

丁全斌

（中核武漢核電運(yùn)行股份有限公司，武漢 430070）

0 引言

燃料抓取機(jī)是壓水堆核電站燃料操作的關(guān)鍵設(shè)備之一。它位于乏燃料池上方，承擔(dān)著新燃料接收，大修裝卸料時(shí)的燃料組件（Fuel Assembly）移動(dòng)操作和燃料組件內(nèi)插件配插等重要工作。在這些操作過程中，操作人員需要隨時(shí)關(guān)注載荷顯示值，用以判斷操作是否正常。同時(shí)，燃料抓取機(jī)的載荷測(cè)量值用于超載、欠載等的控制和保護(hù)功能。因此，載荷值對(duì)燃料操作的安全十分重要。

國(guó)內(nèi)某堆型核電站的燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量系統(tǒng)存在測(cè)量誤差過大的問題，不僅不能正確顯示重量，還經(jīng)常誤發(fā)超載、欠載報(bào)警，導(dǎo)致燃料操作中斷，對(duì)換料大修的主線工期、燃料操作的安全性存在較大的影響，解決該問題對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)性和安全十分必要。

1 設(shè)備介紹

1.1 燃料抓取機(jī)的結(jié)構(gòu)和作用

燃料抓取機(jī)是一臺(tái)擁有自動(dòng)控制、精確定位、載荷保護(hù)與顯示等功能的門橋式吊車，如圖1 所示[1]。其上有兩個(gè)共軌單軌吊車——南吊車和北吊車，南、北吊車的結(jié)構(gòu)相似，南吊車主要用于新燃料操作，北吊車主要用于乏燃料池中燃料和燃料內(nèi)插件的移動(dòng)操作。

圖1 燃料抓取機(jī)及吊車示意圖[1]Fig.1 Schematic diagram of fuel grabber and crane[1]

吊車上的提升機(jī)構(gòu)用于使操作對(duì)象在上下兩個(gè)方向上的移動(dòng)。兩條鋼纜一端纏繞在卷筒上，以控制吊鉤的升降，另一端繞過吊鉤上的滑輪后固定在平衡梁上。平衡梁則通過載荷傳感器連接在吊車承重梁的吊耳上，構(gòu)成載荷傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)蹉^掛上重物后，重物的重量就由鋼纜傳導(dǎo)給了載荷傳感器。圖2 為南吊車的示意圖，北吊車與此相似。

圖2 南提升機(jī)構(gòu)及載荷傳感器示意圖[1]Fig.2 Schematic diagram of the south lifting mechanism and load sensor[1]

燃料抓取機(jī)主要用于新燃料接收操作（干式）、乏池內(nèi)燃料組件操作（濕式）和燃料組件內(nèi)插件倒換操作。燃料組件內(nèi)插件主要有控制棒組件（RCCA）、灰棒組件（GRCA）、可燃毒物棒組件（BP）、次級(jí)中子源組件（SS）、阻力塞組件（TP）。由于內(nèi)插件不同，組件的重量也就不同，內(nèi)插件操作工具（Tool）的結(jié)構(gòu)和重量也不相同。燃料抓取機(jī)吊鉤的主要工況見表1[2]。

表1 燃料及內(nèi)插件重量表Table 1 Fuel and internal insert weight table

1.2 載荷傳測(cè)量系統(tǒng)

燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量系統(tǒng)的功能是在燃料操作過程中測(cè)量出吊車吊鉤上的重量，用于控制器對(duì)燃料操作的控制、保護(hù)和顯示，主要有超載、欠載保護(hù)設(shè)定值。其中，超載動(dòng)作值為大于或等于標(biāo)準(zhǔn)重量加68kg，欠載動(dòng)作值為小于或等于標(biāo)準(zhǔn)重量減68kg，而其最大允許誤差要求在±22.5kg 以內(nèi)。

燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量系統(tǒng)主要由載荷傳感器、載荷放大器和信號(hào)電纜組成。燃料抓取機(jī)的載荷傳感器當(dāng)前使用的是Magtrol 公司的LB212 型載荷測(cè)量傳感器，如圖3 所示。其工作原理是：載荷傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)將吊物的重量傳遞到載荷傳感器上，傳感器受到壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)大小的形變，使內(nèi)置的電阻式應(yīng)變片變形并導(dǎo)致其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，載荷放大器的測(cè)量電路將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)大小的電流信號(hào)，從而將重物的重力轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。

圖3 載荷傳感器[4]Fig.3 Load sensor[4]

載荷放大器不僅可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)并通過DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)絡(luò)）傳送給PLC 控制器，還提供了參數(shù)設(shè)置與標(biāo)定的手段。載荷標(biāo)定就是在載荷放大器上進(jìn)行設(shè)置，使輸出的數(shù)字量信號(hào)與輸入量的變化成線性。通常情況下，當(dāng)傳感器線性度滿足要求時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換只需將模擬量信號(hào)與數(shù)字量信號(hào)的零點(diǎn)與滿點(diǎn)相對(duì)應(yīng)就可以了。該載荷放大器提供了可選的多點(diǎn)標(biāo)定方式，在PLC 控制器中設(shè)置了超載、欠載、松繩（用于判斷燃料等操作已到位，載荷已卸除）等設(shè)定值，用于燃料操作時(shí)的保護(hù)與控制。其中，超載動(dòng)作值為大于或等于標(biāo)準(zhǔn)重量加68kg，欠載動(dòng)作值為小于或等于標(biāo)準(zhǔn)重量減68kg，松繩信號(hào)動(dòng)作值為小于或等于22.5kg[2,3]。

2 燃料抓取機(jī)載荷偏差與原因分析

2.1 燃料抓取機(jī)載荷系統(tǒng)的偏差

在電站燃料操作的過程中，燃料抓取機(jī)載荷的測(cè)量值與實(shí)際載荷偏差很大，最大時(shí)超過了50kg，不僅容易讓操作人員出現(xiàn)誤判，還容易在加減速過程中出現(xiàn)超載、欠載等誤報(bào)警，嚴(yán)重影響了燃料操作的安全。為了找出燃料抓取機(jī)載荷的測(cè)量值偏差的原因，記錄了燃料操作過程中載荷測(cè)量值的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 高度與載荷示值表Table 2 Height and load indication table

表2 的數(shù)據(jù)是南吊車鉤掛燃料組件（無水，無浮力影響）勻速升降（上升時(shí)高度數(shù)值減小，下降時(shí)高度數(shù)值增大）過程中記錄的載荷測(cè)量值的數(shù)據(jù)，北吊車的測(cè)試數(shù)據(jù)與南吊車的情況基本相似。從數(shù)據(jù)分析中可知，燃料抓取機(jī)載荷系統(tǒng)存在以下問題：

1）不同高度載荷示值不同，提升時(shí)載荷示值逐漸增加，越接近上限位增加越明顯，下降則反之。同向最大差值超過了40kg。

2）同一高度位置，提升（上限位高度為0mm）載荷時(shí)示值比下降載荷時(shí)示值小，約差13kg。

2.2 載荷測(cè)量偏差的原因分析

不同高度載荷示值不同的原因分析：如圖2 所示，吊鉤提升時(shí)，鋼纜逐漸卷上卷筒，載荷傳感器測(cè)得的重量應(yīng)隨之稍稍減小（鋼纜約0.75kg/m），而實(shí)際情況卻與此相反。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鋼纜上部吊點(diǎn)的距離（傳感器側(cè)鋼纜固定點(diǎn)與卷筒側(cè)鋼纜點(diǎn)之間的距離）大于下部吊點(diǎn)的距離（滑輪側(cè)鋼纜的距離）。因此，鋼纜并非豎直狀態(tài)，而是與垂線之間存在一個(gè)夾角，且該夾角的度數(shù)隨著滑輪升高而變大。經(jīng)測(cè)算，角度最大時(shí)約有10°。這就導(dǎo)致平衡梁對(duì)傳感器的壓力并非垂直，而是在軸向上有一個(gè)角度，且角度隨著滑輪升高而變大。雖然此時(shí)平衡梁對(duì)傳感器的壓力在豎直方向上的分力與傾斜角沒有關(guān)系，但是由于平衡梁與傳感器的接觸面是鋼性的，傳感器的受力點(diǎn)會(huì)偏向一邊，其形變量與垂直受力相比存在較大差異，這就導(dǎo)致了不同高度載荷示值不同，提升時(shí)載荷示值逐漸增加，下降則反之的情況，稱之為鋼纜夾角誤差。

同一高度位置提升和下降時(shí)測(cè)得的載荷值不同的原因分析：圖2 中的提升機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)動(dòng)滑輪組。根據(jù)滑輪的受力分析，在無加速狀態(tài)下，滑輪兩側(cè)的鋼纜的拉力之和等于吊物的重力。由于滑輪存在摩擦力，在吊物上升時(shí)，卷筒側(cè)的鋼纜克服摩擦力，此時(shí)卷筒側(cè)鋼纜拉力大于傳感器側(cè)；在吊物下降時(shí)，傳感器側(cè)的鋼纜克服摩擦力，此時(shí)傳感器側(cè)鋼纜拉力大于卷筒側(cè)。因此，同一高度位置，提升載荷時(shí)示值比下降時(shí)小的主要原因是這兩種情況下滑輪的摩擦力方向不同，稱之為摩擦力誤差。

3 燃料抓取機(jī)載荷系統(tǒng)的改進(jìn)

從以上分析中可知，鋼纜夾角誤差和摩擦力誤差是導(dǎo)致燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量偏差大的主要原因。其中，摩擦力是滑輪運(yùn)動(dòng)的一個(gè)固有屬性，考慮到滑輪摩擦力對(duì)燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量偏差的影響較小，而且選擇滑輪作為門橋式吊車的吊鉤部件是難以回避的，因此其改進(jìn)的空間和必要性較小，而鋼纜夾角誤差則有改進(jìn)的空間和必要。

改進(jìn)鋼纜夾角誤差可以直接減小傳感器側(cè)鋼纜固定點(diǎn)與卷筒側(cè)鋼纜點(diǎn)之間的距離，或者增大滑輪側(cè)鋼纜的距離，使鋼纜完全豎直。然而，要減小傳感器側(cè)鋼纜固定點(diǎn)與卷筒側(cè)鋼纜點(diǎn)之間的距離，又要使吊物時(shí)吊車重心在單軌的正下方（設(shè)計(jì)上，單軌吊車的重心必須在軌道的正下方），則需要同時(shí)改變傳感器側(cè)鋼纜固定點(diǎn)與卷筒的位置，需要對(duì)吊車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造。而想要增大滑輪側(cè)鋼纜的距離，則需要對(duì)滑輪組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造，而滑輪組尺寸過大則容易與廠房構(gòu)筑物或其它設(shè)備發(fā)生干涉，該方法并不可取。

根據(jù)載荷傳感器的測(cè)量原理和燃料抓取機(jī)的結(jié)構(gòu)，對(duì)燃料抓取機(jī)載荷傳感器的安裝方式進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。其方案是：將原載荷傳感器用同樣大小的銷子替代，利用鋼纜張力對(duì)彎曲處的壓力與彎曲夾角滿足三角函數(shù)關(guān)系的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)工件，將載荷傳感器安裝在平衡梁下方的鋼纜上，如圖4 所示。其中，上半部分與傳感器一起固定在鋼纜上。下半部分固定在傳感器上，鋼纜可在其孔中活動(dòng)。傳感器中間的受力部位與鋼纜間有一個(gè)可活動(dòng)的楔形塊，可將鋼纜彎曲處的壓力轉(zhuǎn)化為對(duì)傳感器的壓力，從而達(dá)到測(cè)力的目的。

圖4 載荷傳感器與鋼纜安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of load sensor and steel cable installation

該設(shè)計(jì)與原載荷傳感器安裝方式相比，有以下兩點(diǎn)改善：

1）載荷傳感器直接安裝在鋼纜上，傳感器的受力與鋼纜的張力成比例，且燃料抓取機(jī)吊燃料上升或下降時(shí)，傳感器的受力點(diǎn)不會(huì)發(fā)生改變，從而消除了原結(jié)構(gòu)中的鋼纜夾角誤差。

2）該設(shè)計(jì)中，測(cè)力正比于鋼纜的張力，而根據(jù)2.2 節(jié)的分析，鋼纜與豎直方向有一個(gè)隨高度變化的夾角，因此其張力等于吊物重力乘以該夾角的余弦的倒數(shù)。也就是說，在吊重物升降時(shí)，鋼纜的張力是變化的。經(jīng)計(jì)算，在吊一組900kg 左右的燃料組件升降時(shí)，鋼纜夾角變化導(dǎo)致的載荷測(cè)量變化值在17kg 左右，而該過程中鋼纜長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致的重量變化則在15kg 左右，且力鋼纜夾角變化導(dǎo)致的載荷變化趨勢(shì)相反，從而較好地彌補(bǔ)了兩者的誤差。

該設(shè)計(jì)方案在燃料抓取機(jī)提升上進(jìn)行了實(shí)施，并做了載荷測(cè)量試驗(yàn)，記錄的數(shù)據(jù)見表3。

表3 改造后南提升高度與載荷示值表Table 3 Lifting height and load indication table after modification

從表3 中可以看出，改進(jìn)后的載荷測(cè)量系統(tǒng)在操作燃料組件上升和下降的過程中載荷測(cè)量值基本穩(wěn)定，其測(cè)量準(zhǔn)確度有了很大的改善，滿足系統(tǒng)允許誤差的要求。

4 總結(jié)

對(duì)于燃料抓取機(jī)類的吊車，由于吊物大多都較重，且一直處于動(dòng)態(tài)過程中，要準(zhǔn)確測(cè)量其吊物的重量一直是個(gè)較為困難的問題。本文根據(jù)燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，找出了燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量系統(tǒng)誤差大的根本原因，并對(duì)其載荷測(cè)量的安裝方式進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，從而改善了燃料抓取機(jī)載荷測(cè)量的準(zhǔn)確度，在類似的應(yīng)用上有一定的參考意義。