装卸料机是核电站燃料操作与贮存系统的关键设备之一，它横跨于反应堆厂房换料水池上方，由提升、抓取、旋转、运行、定位、报警和显示系统等部分组成，能做X、Y、Z 三个坐标轴方向的运动，及在堆腔内做0°～ 270°范围内的旋转运动。在停堆换料期间，可以在水下抓取具有高放射性的核燃料组件，并能在堆芯和燃料运输系统或暂存架之间输送和装卸燃料组件，安全可靠地完成堆芯燃料组件更换和倒换作业。
本文介绍在消化、吸收、全面掌握国外技术的基础上，通过自主研发，形成装卸料机国产化制造。
1 研究内容1.1 设计依据GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》、GB/T3811—2008《起重机设计规范》、HAD102-15 2007《核动力厂燃料装卸和储存系统设计》。
1.2 整机基本参数1）总参数外形尺寸：约4.2 m×9.2 m×18.4 m（不计内套筒），自重：约240 kN。2）桥架跨距：8.6 m，桥架行程：约20 m，运行速度：0 ～ 18m/min（无级调速），快速运行：最大约18 m/min，中速运行：最大约3 m/min，慢速运行：最大约0.9 m/min，定位精度：±1 mm。3）小车轨距：2.0 m，行程：0 ～ 4.8 m，运行速度：0 ～ 12m/min（无级调速），快速运行：最大约12 m/min，中速运行：最大约3 m/min，慢速运行：最大约0.9 m/min，定位精度：±1 mm。4）起升机构起重量：约14 kN，为一个燃料组件重力+ 一个RCC 组件重力+ 内套筒及抓具重力；升降速度：0 ～ 12m/min （无级调速），快速运行：最大约12 m/min，中速运行：最大约3 m/min，慢速运行：最大约0.9 m/min；起升行程：约9 m。5）综合自动定位精度抓具中心与各个抓取工位中心的偏差≤φ6 mm。
1.3 装卸料机组成运行轨道，桥架及大车运行机构，小车及其运行机构，主起升机构，外套筒和内套筒，燃料组件抓具，定位系统，压缩空气系统，电气控制系统、电视监测和显示系统。
1.4 主要机构的技术路线1.4.1 主起升机构主起升机构与外套筒上段由伺服电机、减速器、制动器、卷筒、安全制动器、旋转限位开关、外套筒上段、载荷传感器、电缆卷筒、气管卷筒等组成。制动器可以手动释放，起升机构的电动机尾部有出轴，能装上手轮在故障情况下进行手动操作。手动机构具有防跌落保护功能，安全制动器有手动释放装置，见图1。
起升机构上升设两道限位，系统精度在5 mm 范围之内。编码器不受载荷变化的影响。在起升机构支承筒壁上装有机械式限位开关，作为第二道限位开关，即极限限位开关。当上升限位失效时，内套筒上部平衡架碰到开关摇臂，使开关动作，起升总电源失电。
起升机构下降设一道限位开关，与上升限位开关装在一起，只是设置位置不同。
整个起升机构安装在起升机构底座上，一个平衡装置悬挂于载荷传感器上，载荷传感器发出载荷信号，经PLC 处理后显示在控制台上。如果两根钢丝绳中的一根断裂，平衡装置作用于限位开关，该限位开关将“钢丝绳破断”信号传递到控制台，并停止钢丝绳运动。如果破断的钢丝绳不妨碍操作，可将安全装置旁通，由一根钢丝绳完成操作。
载荷传感器具有双路输出，其中一路的载荷值输入PLC 用于联锁，另一路作为比较和冗余。当一路发生故障时，可以立即切换到另一路。卷筒为不锈钢材料制造，其绳槽的长度能容纳全部起升钢丝绳的长度，外加锚固圈及一圈附加圈。钢丝绳为不锈钢钢丝绳，采用双钢丝绳防单一故障保护。
1.4.2 外套筒外套筒是一个外径为426 mm 的圆筒，通过3 排滚柱式回转支承安装在固定套筒座上，固定套筒座安装在小车上。外套筒为内套筒提供导向和支承，并保持内套筒在垂直状态。
在外套筒的下端设有导轨，以限制燃料组件的侧向摆动，并防止燃料组件与导向滚子的接触。导轨的位置与燃料组件的4 个角对应。外套筒内侧下部设有导向滚轮，内套筒沿导向滚轮做升降运动。
图1 起升机构布置
外套筒能手动旋转， 旋转角度为0 °、90 °、180°、270°。在这4 个位置中的任意一个位置，都可以使用一个定位销将外套筒固定。外套筒上还设有限位开关，防止套筒转动超过规定值。
外套筒上还设有内套筒的上、下极限机械止挡，以防止内套筒的升降超出规定行程。其中上部机械止挡可以拆除，方便内套筒的维护与检修。
1.4.3 内套筒内套筒主要由内套筒上段、内套筒中段、抓取机构、水下摄像头夹具、抓具行程开关、气动部件等组成。内套筒中段( 见图2) 为方形结构，由两块C 形侧板、水下摄像头导向套筒、水下摄像头安装座和若干块法兰板组成。其两个对角分别对应外套筒的0°和180°的两组滚轮，并沿着滚轮做升降运动。
图2 内套筒
1.4.4 导向管及抓取机构水下摄像头导向套筒的外导向管上有22 个φ 60 孔，考虑到外导向管为细长杆件，为了保证导向管的刚性与稳定性，在吊运过程中不变形，现将孔的直径适当减小，为φ 25；内导向管为φ 24 的不锈钢管，为了使内导向管与外导向管更易于焊接，用φ 16 不锈钢管替代，见图3、4。
图3 导向管
图4 水下摄像头导向套筒
内套筒上段有动滑轮装配，钢丝绳与动滑轮连接，通过钢丝绳的收放带动动滑轮，使内套筒上升与下降。起升机构上设有平衡架，钢丝绳与平衡架连接。平衡架能平衡因制造误差导致的两根钢丝绳的不均匀受力。
内套筒的上端还设有抓具气缸和限位开关，气缸通过作用杆驱动抓具的张开和闭合，限位开关为磁性接近开关，与磁块配合使用，用于检测抓具是否达到完全张开与完全闭合的位置。
内套筒的下端装有抓具，用于抓取燃料组件。在转运过程中，燃料组件全部进入外套筒内，其最低点离外套筒最低点的距离为25 mm。
内套筒中间设有抓具摄像头导向筒及连接装置，用于安装水下摄像头。抓取机构( 见图5) 通过法兰连接到内套筒的下端，通过气动系统驱动爪钩来抓取燃料组件。抓具具有机械自锁功能，能防止抓具在运转燃料组件时爪钩意外打开从而造成燃料组件跌落。当气动系统发生故障，或抓具被卡住时，能通过手动工具将燃料组件放到安全的位置。抓具的中心装有摄像头，摄像头自带照明，通过摄像头，操作员可以观察抓具抓取燃料组件的情况。
图5 抓取机构
1.4.5 定位系统装卸料机大车和小车具备人工定位和自动定位两种功能。人工定位通过指针对准标尺刻度的目测系统和编码器数字显示系统2 套系统实现。
1.4.6 电气控制系统、电视监测和显示系统电气控制系统、电视监测和显示系统主要由抓具摄像头、大小车摄像头、显示器、控制柜、电缆等组成，见图6。
图6 电气控制系统、电视监测和显示系统
1.4.7 逻辑控制系统装卸料机样机的逻辑控制按机构分为大车、小车、起升、抓具和摄像系统5 个部分，其中大车和小车的控制含有自动运行的控制逻辑，起升在全自动的情况下可以自动运行，抓具和摄像系统的运行只能是手动控制，当满足一定条件时5 个机构可以按要求运行，要满足的条件是由装卸料机样机所在的位置、起升高度、载荷状态等所决定的，装卸料机样机的逻辑控制总体框图见图7。
2 制造过程中发现的问题及改进2.1 大车导向轮安装优化原水平导向轮的开口朝向车轮( 见图8)，车轮轴承座与导向轮安装座之间间隙很小。为了方便内侧的水平轮安装、拆卸、维修、更换，现将两头水平导向轮装置的连接板旋转180°焊接，使开口指向端梁中心。
图7 逻辑控制系统
图8 原水平导向轮安装示意图
2.2 桥架定位系统优化桥架定位系统2 套编码器原来的安装位置正好在主梁下方，此位置对编码器的安装、调整、维护、数值读取造成不便，现将2 套编码器，移至端梁中部筋板处，见图9。
2.3 小车牵引架与小车拖链优化小车电缆牵引架与桥架走台栏杆干涉，电缆牵引架悬臂尺寸需减小。电缆牵引架悬臂尺寸减小后，小车拖链在跟随小车移动时会与小车架工字钢干涉，小车架有一件工字钢需开缺口避开小车拖链。
图9 桥架定位系统编码器安装移位示意图
2.4 起升机构和外套筒上段优化起升机构直接安装在外套筒上段的平台上，与外套筒上段连为一体（见图10），由于起升机构的重心与外套筒上段的重心不同，当起升机构与外套筒上段连为一体时会造成偏心，该部件将会倾覆，且对此部件的吊运及运输造成困难。可在外套筒上段增加一段法兰与起升机构连接，使起升机构整体可拆卸；或在起升机构下增加一个支架与平台连接，使起升机构整体与外套筒上段都可以单独发运。并在起升机构的平台上设置4 个吊点用于吊运，见图11。
图10 起升机构和外套筒上段
图11 起升机构安装在支架上
3 项目创新性和先进性3.1 自主开发的电气控制系统在电路设计中，多采用故障安全和冗余配置的方式，以确保其安全和可靠性。电控系统部件尽量采用国产化和国内易于采购的优质产品，以降低采购和维护成本，满足国产化的要求。
软件控制程序实现了自动、半自动、手动的运行模式功能，手动模式下可进行点动操作，同时设有载荷旁路、超行程旁路、联锁旁路等多种旁路功能，可灵活适应于多种正常和异常工况，系统操作灵活性和可维护性强，且最大程度减少人工干预，减低人工失误概率。控制系统采用高效的换料策略，使用桥架小车偏移式换料、桥架小车联动等控制方法，使装卸料机具备每小时9~10 根的换料能力。
3.2 分布式起升机构采用全新设计的分布式装配结构替代了以前的定制电动葫芦方案，电动机、制动器、减速器、钢丝绳卷筒等部件分开布置装配，使整套起升机构的设计安全性更高、经济性更好、各部件更易于使用维护，通过合理的空间布置整体尺寸也很紧凑。
3.3 钢丝绳系统钢丝绳系统采用双套钢丝绳、倍率为2 的设计方案，钢丝绳通过卷筒出绳，绕过设置于内套筒上端部的动滑轮机构，再固定到位于起升机构平台处的钢丝绳固定端。固定端采用创新设计的组合式平衡梁机构，设有平衡梁检测装置。该机构采用压力式载荷传感器，利用杠杆原理将载荷传感器与平衡梁机构进行组合，提高了载荷检测机构的安全可靠性，此外，还集成了平衡梁失衡监测功能，并且整体结构紧凑、易于维护。
3.4 内套筒管线布置1）起升机构平台采用双层卷筒布置，将各管线的卷筒进行空间优化布置，实现出绳端的紧凑化；2）在出绳端设置管线导向口，约束各管线的位置，使各管线投影位置位于外套筒内径范围内；3）合理设计内套筒中的各管线走位和内套筒上端部的管线连接点位置，并与起升机构的导向口位置相对应。
3.5 整机设计优化1）桥架结构设计优化桥架跨距增大为8.6 m，桥架主梁设计采用箱形截面形式，增强了主梁的刚度，确保整机的刚性及抓具的综合定位精度。
2）小车采用单侧分布式驱动机构创新地采用了单边、分布式驱动形式，小车的驱动机构布置在桥架人行走台侧一边，且采用分布式方案，驱动机构采用紧凑的三合一形式，直接与驱动轮组套轴式装配，方便日常使用和维护。
3）外套筒回转机构设计采用回转支承结构，该结构具有回转结构固定可靠、承载能力强等特点。
4 结束语通过此次样机设计，掌握了制造技术，积累了实践经验，使结构、电气控制系统得到了有效验证，为下一步核电项目工程机械的制造打下了坚实的基础。
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