一種高輻射廠房轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備機(jī)構(gòu)的研究

田樹海

（大連華銳重工集團(tuán)股份限公司，遼寧大連 116013）

0 引言

隨著核電技術(shù)的發(fā)展，目前逐漸由三代核電技術(shù)向四代核電技術(shù)過(guò)渡?？熘凶臃磻?yīng)堆作為國(guó)內(nèi)外積極研發(fā)的四代核電技術(shù)堆型的一種，越來(lái)越受到各國(guó)的重視。高輻射廠房轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備安裝于四代快中子反應(yīng)堆核電站屏蔽室、熱室等高輻射廠房頂部，用于在指定操作范圍內(nèi)、指定位置對(duì)乏組件、破損組件密封罐等高放射性物項(xiàng)的轉(zhuǎn)運(yùn)。針對(duì)其使用的特殊環(huán)境及使用范圍，高輻射廠房轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備與常規(guī)起重設(shè)備的布置不同，改變了常規(guī)起重設(shè)備中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化的布置形式，采用全移離式整體布置方案設(shè)計(jì)，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置在2個(gè)不同的房間內(nèi)（如圖1），既完全實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用功能，也滿足了設(shè)備操作、維護(hù)功能。

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備廠房布置圖

1 總體設(shè)計(jì)方案與技術(shù)參數(shù)

高輻射廠房轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備是核電乏組件運(yùn)輸工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，因操作乏組件廠房的輻射劑量較高，對(duì)人體有較大傷害，不宜與人直接接觸，因此將轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備布置在2個(gè)廠房?jī)?nèi)：高輻射廠房（＞100 mSv/h）和常規(guī)輻射操作間（≤0.01 mSv/h）；2個(gè)廠房之間通過(guò)屏蔽墻隔開，以利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能和方便維護(hù)。該設(shè)備主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（位于常規(guī)輻射操作間）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（位于高輻射廠房）、貫穿件（位于屏蔽墻內(nèi)）、電控系統(tǒng)（位于常規(guī)輻射操作間）及支撐執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主體鋼結(jié)構(gòu)和附屬鋼結(jié)構(gòu)等組成，如圖2及圖3所示，額定起重量為1 t[1]，起升高度為11.5 m，起升速度為8 m/min,小車運(yùn)行速度為12 m/min，大車運(yùn)行速度為12 m/min。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備組成圖

圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備立面圖

此轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備使用的材料與其他常規(guī)環(huán)境的起重設(shè)備不同，位于高輻射廠房?jī)?nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)部分全部采用不銹鋼材料制成，而位于常規(guī)輻射操作間的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)部分則采用常規(guī)碳鋼材料。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為起升、小車運(yùn)行、大車運(yùn)行3個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為起升、小車運(yùn)行、大車運(yùn)行3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器等組成，通過(guò)穿墻貫穿件與相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的卷筒連接，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)使纏繞在卷筒上的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)收放，從而通過(guò)鋼絲繩卷繞系統(tǒng)帶動(dòng)吊鉤組升降和小車運(yùn)行、大車運(yùn)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直方向、水平方向的動(dòng)作功能。

設(shè)計(jì)的各機(jī)構(gòu)起制動(dòng)平穩(wěn)可靠，所有部件設(shè)計(jì)均具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐疲勞性和使用壽命，安全裝置設(shè)計(jì)符合GB 6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程》的規(guī)定和要求[2]。

2 研發(fā)的主要機(jī)構(gòu)組成

2.1 起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)由起升驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和起升執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)貫穿件連接到一起組成了起升機(jī)構(gòu)[3]。

驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)貫穿件和鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行構(gòu)件——吊鉤滑輪組。

起升機(jī)構(gòu)采用雙鋼絲繩卷繞系統(tǒng)加安全制動(dòng)器的單一故障保護(hù)形式，也就是說(shuō)在一根鋼絲繩斷裂的情況下，另外一根可保證被吊裝的組件穩(wěn)定、不掉落，且可安全地將組件運(yùn)送到安全工位。

起升機(jī)構(gòu)具體組成包括驅(qū)動(dòng)裝置1、貫穿件2、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、吊鉤滑輪組4和安全保護(hù)裝置7等，如圖4及圖5所示。

圖4 起升機(jī)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖

圖5 起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩卷繞三維簡(jiǎn)圖

驅(qū)動(dòng)裝置1安裝在常規(guī)輻射操作間安全的環(huán)境里,包括電動(dòng)機(jī)8、減速器9、制動(dòng)器10、聯(lián)軸器11等。

貫穿件2是橫貫常規(guī)輻射操作間與高輻射工作廠房之間墻壁的傳動(dòng)軸。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)3包括卷筒12、鋼絲繩Ⅰ13、鋼絲繩Ⅱ14、定滑輪組、平衡臂15。定滑輪組由A滑輪、B滑輪、C滑輪、D滑輪、E滑輪、F滑輪、G滑輪、H滑輪、J滑輪、K滑輪組成。平衡臂15、A滑輪和F滑輪固定在高輻射工作廠房墻壁上，C滑輪、D滑輪、H滑輪、J滑輪固定在小車5上，B滑輪、E滑輪、G滑輪、K滑輪固定在橋架6上。吊鉤滑輪組4由甲滑輪、乙滑輪、丙滑輪、丁滑輪組成。鋼絲繩Ⅰ14一端固定在卷筒12上，另一端經(jīng)過(guò)A滑輪、B滑輪、C滑輪、甲滑輪、乙滑輪、D滑輪、E滑輪，最后固定在平衡臂15的一端。鋼絲繩Ⅱ14一端固定在卷筒12上，另一端經(jīng)過(guò)F滑輪、G滑輪、H滑輪、丙滑輪、丁滑輪、J滑輪、K滑輪，最后固定在平衡臂15的另一端。其中一根鋼絲繩出現(xiàn)故障時(shí)，另一根鋼絲繩也可以吊起載荷，消除安全隱患，提高設(shè)備的安全可靠性。當(dāng)?shù)踯囘M(jìn)行橫向或者縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)配合收、放繩即可。起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩卷繞三維簡(jiǎn)圖如圖5所示。

安全保護(hù)裝置7中的起升最高、最低處減速、停止終端行程開關(guān)和起升超行程開關(guān)全部從高輻射工作廠房移出，安裝在常規(guī)輻射操作間驅(qū)動(dòng)裝置1的減速器9上。

2.2 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

小車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)貫穿件連接到一起組成了小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)貫穿件和鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行構(gòu)件——車輪組及小車架。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)具體組成包括驅(qū)動(dòng)裝置1、貫穿件Ⅱ2、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)3、車輪組及小車架4和安全保護(hù)裝置5，如圖6及圖7所示。

圖6 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖

圖7 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)鋼絲繩卷繞三維簡(jiǎn)圖

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置1包括電動(dòng)機(jī)6、減速器7、制動(dòng)器8、聯(lián)軸器9，安裝在常規(guī)輻射操作間安全的環(huán)境里。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的安全保護(hù)裝置5中的運(yùn)行方向兩端的二級(jí)運(yùn)行行程限位器全部安裝在驅(qū)動(dòng)裝置1的減速器7上。

鋼絲繩卷繞系統(tǒng)3包括卷筒10、鋼絲繩Ⅰ11、鋼絲繩Ⅱ12、鋼絲繩Ⅲ13、鋼絲繩Ⅳ14、卷筒15、定滑輪組。定滑輪組由J滑輪、K滑輪、L滑輪、M滑輪、N滑輪、O滑輪、P滑輪、Q滑輪、R滑輪、S滑輪、T滑輪、U滑輪組成。K滑輪、N滑輪、Q滑輪、T滑輪固定在車輪組及小車架4上，J滑輪、L滑輪、M滑輪、O滑輪、P滑輪、R滑輪、S滑輪、U滑輪固定在橋架上。鋼絲繩Ⅰ11一端固定在卷筒10上，另一端經(jīng)過(guò)J滑輪、K滑輪、L滑輪，最后固定在高輻射工作廠房墻壁上。鋼絲繩Ⅱ12一端固定在卷筒10上，另一端經(jīng)過(guò)M滑輪、N滑輪、O滑輪，最后固定在高輻射工作廠房墻壁上。鋼絲繩Ⅲ13一端固定在卷筒15上，另一端經(jīng)過(guò)P滑輪、Q滑輪、R滑輪，最后固定在工作車間墻壁上。鋼絲繩Ⅳ14一端固定在卷筒15上，另一端經(jīng)過(guò)S滑輪、T滑輪、U滑輪，最后固定在高輻射工作廠房墻壁上。其中任意一根鋼絲繩出現(xiàn)故障時(shí)，其他鋼絲繩一起就可以臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)載荷到指定工位，可消除安全隱患，提高設(shè)備的安全可靠性。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)采用上述的纏繞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大運(yùn)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)配合收、放繩即可。

2.3 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)

大車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和大車運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)貫穿件連接到一起組成了大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)貫穿件和鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行構(gòu)件車輪組及橋架。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)具體組成包括驅(qū)動(dòng)裝置1、貫穿件2、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)3、平衡繩系統(tǒng)4、車輪組及橋架5和安全保護(hù)裝置6，如圖8及圖9所示。

圖8 大車運(yùn)行布置簡(jiǎn)圖

圖9 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)鋼絲繩纏繞三維簡(jiǎn)圖

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置1包括電動(dòng)機(jī)7、減速器8、制動(dòng)器9、聯(lián)軸器10，全部移離出工作車間，安裝在工作車間外安全的環(huán)境里。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的貫穿件2是橫貫安全環(huán)境與工作車間之間的墻壁的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)3包括卷筒Ⅰ11、鋼絲繩Ⅰ12、定滑輪組、卷筒Ⅱ13、鋼絲繩Ⅱ14。定滑輪組由A滑輪、B滑輪、C滑輪、D滑輪、E滑輪、F滑輪組成。A滑輪、B滑輪、C滑輪、D滑輪、E滑輪、F滑輪固定在工作車間墻壁上。鋼絲繩Ⅰ12一端固定在車輪組及橋架5一側(cè)，另一端經(jīng)過(guò)A滑輪、卷筒Ⅰ11、B滑輪、C滑輪，最后固定在車輪組及橋架5的另一側(cè)。鋼絲繩Ⅱ14一端固定在車輪組及橋架5一側(cè)，另一端經(jīng)過(guò)D滑輪、卷筒Ⅱ13、E滑輪、F滑輪，最后固定在車輪組及橋架5的另一側(cè)。鋼絲繩Ⅰ13、鋼絲繩Ⅱ14相互獨(dú)立，其中一根鋼絲繩出現(xiàn)故障時(shí)，另一根鋼絲繩就可以臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)載荷到指定工位，可消除安全隱患，提高設(shè)備的安全可靠性。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的平衡繩系統(tǒng)4包括固定座Ⅰ15、鋼絲繩、定滑輪組、固定座Ⅱ16。定滑輪組由G滑輪、H滑輪組成。固定座Ⅰ15、固定座Ⅱ16固定在工作車間墻壁上。鋼絲繩一端固定在固定座Ⅰ15上，另一端經(jīng)過(guò)G滑輪、H滑輪最后固定在固定座Ⅱ16。該系統(tǒng)起到均衡輪壓和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行作用。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的安全保護(hù)裝置6中的運(yùn)行方向兩端的二級(jí)運(yùn)行行程限位器全部移離出工作車間，安裝在驅(qū)動(dòng)裝置1的減速器8上。

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)采用上述的纏繞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大運(yùn)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作時(shí)，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)配合收、放繩即可。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 全移離整體布置方案滿足狹小空間要求

四代快中子反應(yīng)堆核電站，房體結(jié)構(gòu)布置緊湊，留給轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的安裝空間極其有限，而系統(tǒng)的服務(wù)范圍要求覆蓋面卻很廣泛。研究采用將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作系統(tǒng)移出高輻射廠房，僅留執(zhí)行機(jī)構(gòu)在輻射廠房?jī)?nèi)，兩者間通過(guò)穿過(guò)墻體的貫穿件連接的方案，既減小了設(shè)備占地面積，又保證了設(shè)備的方便檢修維護(hù)。

3.2 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)

打破傳統(tǒng)起重設(shè)備大車、小車、運(yùn)行機(jī)構(gòu)減速電動(dòng)機(jī)連接車輪驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，采用卷筒卷放鋼絲繩，鋼絲繩帶動(dòng)大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行的全新設(shè)計(jì)理念。

3.3 研制具有單一故障保護(hù)功能全移離式傳動(dòng)系統(tǒng)

核電產(chǎn)品的高安全性，提出在單一故障的情況下要保證載荷不跌落，并要求將載荷安全運(yùn)送到指定位置。

此次研發(fā)的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備各機(jī)構(gòu)均采用冗余的鋼絲繩纏繞方式，比如起升機(jī)構(gòu)和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用2套鋼絲繩纏繞系統(tǒng)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用4套鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，來(lái)保證每個(gè)機(jī)構(gòu)在任意一根繩發(fā)生斷裂的情況下，此機(jī)構(gòu)都能通過(guò)其他鋼絲繩纏繞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，進(jìn)而保證單根斷繩事故狀態(tài)下，能夠安全將載荷運(yùn)送到指定工位。

3.4 研發(fā)高效傳遞動(dòng)力且有效防輻射泄漏的貫穿件

轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)分處不同廠房，既要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間動(dòng)力有效傳遞，又要保證傳遞過(guò)程無(wú)輻射泄漏，作為連接兩個(gè)機(jī)構(gòu)的貫穿件的研發(fā)至關(guān)重要，如圖10所示。

圖10 貫穿件簡(jiǎn)圖

貫穿件的設(shè)計(jì)采用兩層套管加一根傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)方案，傳動(dòng)軸兩端安裝的軸承，既能保證傳動(dòng)軸的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，又起到了很好支撐的作用。外側(cè)套筒預(yù)埋到墻體，安裝軸承及傳動(dòng)軸的內(nèi)層套筒通過(guò)螺栓與外側(cè)套筒固定。內(nèi)層套筒及傳動(dòng)軸均采用階梯式的結(jié)構(gòu)，可有效防止輻射傳遞。各連接件均采用不銹鋼材料制造，套管間采用間隙配合方便安裝，在每層套管端部采用加設(shè)丁腈橡膠圈的方法彌補(bǔ)間隙的輻射泄漏。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高輻射廠房轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的機(jī)構(gòu)研究，既滿足了設(shè)備強(qiáng)核輻射源污染環(huán)境的特殊使用要求，又實(shí)現(xiàn)了設(shè)備吊裝功能，同時(shí)簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，加工件、外配套件減少降低了安裝精度要求和設(shè)備成本；而且完全解決了人員無(wú)法進(jìn)入特種環(huán)境檢修和維護(hù)設(shè)備的問(wèn)題，人員可以直接在安全的環(huán)境下檢修和維護(hù)轉(zhuǎn)運(yùn)，大大降低了維修成本，縮短了維修時(shí)間。

此次研發(fā)的設(shè)備除了可以應(yīng)用到強(qiáng)核輻射源污染環(huán)境的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備外，也可用于充斥有害物質(zhì)污染的特種環(huán)境中，以及電磁屏蔽要求較高的設(shè)備傳動(dòng)上，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。