燃料棒更換裝置是核電廠燃料組件修復系統的重要設備之一，適用于核電廠破損燃料棒的檢測和更換。其功能是通過渦流探頭對破損燃料組件中的燃料棒逐根檢測，確定其中已破損的燃料棒，然后用新燃料棒或其它備用棒更換已破損的燃料棒，使未達到燃耗深度的破損燃料組件能夠回堆復用，以減輕核電廠的經濟損失。

1 燃料棒更換裝置的三維建模

    燃料棒更換裝置由燃料棒夾頭部件、下筒體部件、提升管部件、驅動切換部件、底座部件、吊環部件、背向導輪部件和提棒測力部件等組成，并配置伺服減速電機、渦流破損檢測和燃料棒抽插力測量的儀器和儀表。整個裝置通過底座部件的兩根定位柱與定位小車連接，通過吊環部件與吊車相連。

    建模過程中采用自底向上的建模方法，先建立各零件的三維模型，組裝成各基本部件(子裝配體)，再基于零部件間的幾何位置進行總體裝配，燃料棒更換裝置各部件的功能及結構介紹如下。

    (1) 燃料棒夾頭部件。是抓取燃料棒的關鍵部件，由彈性夾頭、鎖緊套管、擴口脹管和芯棒等零件通過一連鎖鍵聯接組成。

    (2) 下筒體部件。是燃料棒更換裝置的主體結構部件，主要包括下筒體、棒提升連接管、短連接套、串聯套管、導向滑塊、定位銷、扇形鍵塊、調整套管和上連接套等零件。下筒體為外徑Φ40 mm、內徑Φ30 mm、長度4493 mm 的不銹鋼管，用夾緊環和上、下筒體連接管與上筒體聯接。下筒體下端132 mm 長的可卸下端頭為可拆式連接，便于進行渦流電磁線圈的更換。

    (3) 提升管部件。是提升燃料棒夾頭的主要部件，主體為外徑Φ40 mm、內徑Φ35 mm、長度5010 mm 的不銹鋼管，上端與吊環部件相連接，側面配有齒條，與驅動切換部件中的齒輪相嚙合，實現提升功能。

    (4) 驅動切換部件。是燃料棒更換裝置中的核心部件，結構較復雜，主要由伺服減速電機、電動和手動操縱的轉換機構、離合器部件、中心軸、空心軸、齒輪、棘輪和箱體部件等零部件組成。通過轉動手柄切換部件和解鎖部件可實現電動和手動操縱間的切換。利用齒輪與齒條的嚙合可將動力傳遞至提升管部件，從而實現燃料棒更換裝置工作中的驅動功能。

    (5) 底座部件。由底座、定位柱、圓形定位塊、方形定位塊、定位桿、擋板、帶齒轉盤、蓋板、定位器等零件組成。底座部件套裝在上筒體的適當位置上，用蓋板和12 個M6 螺栓與燃料棒更換裝置的上筒體夾緊。通過推力球軸承實現底座部件的帶齒轉盤與底座的相對轉動。當帶齒轉盤與燃料棒更換裝置一起相對于底座轉到適當位置時，可通過底座上的定位器將帶齒轉盤固定。底座部件上的兩根定位柱可與定位小車連接，通過定位小車在X、Y、Z三個方向的移動，實現燃料棒更換裝置與需抓取燃料棒之間的定位。

    (6) 吊環部件。由吊環、調節螺栓、圓螺母、軸承套、間隔管、軸承座、吊耳套管和連接銷等零件組成。吊環部件的主要功能是為吊車吊裝提供連接。另外，通過調節吊環部件頂部的螺栓，在其它零件配合下實現燃料棒夾頭部件的彈性夾頭張開和閉合，從而進行抓取和松開燃料棒下端塞的操作。

    (7) 背向導輪部件。包括導輪、調節螺釘、調節支腿和導輪框架等零件。背向導輪部件安裝在與箱體底板相聯接的間隔板上，通過背向導輪部件上的調節螺釘調節導輪與提升管部件貼合，從而使齒條移動時與齒輪保持良好嚙合。

    (8) 燃料棒抽插力測量部件。主要由KISTLER9217A 型高靈敏度石英力傳感器、彈簧、套筒、滑桿等零部件組成。燃料棒抽插力測量部件的主要功能是在燃料棒抽插過程中測量和監控抽插力，若抽插力過大，可觸發保護，使電機斷電，從而避免燃料棒受到過大的抽插力，防止由此產生的燃料棒損傷。

    (9) 總體裝配。完成各零部件的三維模型后，依據相互間的幾何位置關系，對燃料棒更換裝置進行總體裝配(圖1)。整個模型共包含298 個零件，如果逐一進行裝配相當麻煩。由于建模過程中引入了子裝配體(部件)的概念，裝配時只需引用子裝配體即可，使總裝過程大大簡化。

圖1 燃料棒更換裝置總裝圖

2 燃料棒更換裝置的運動仿真

    燃料棒更換裝置的主要運動部件是驅動切換部件和燃料棒夾頭部件。前者在操作時需經常在電動和手動檔位間進行切換，要求切換過程中各零部件間無運動干涉，而后者的設計直接關系到能否成功抓取燃料棒。因此，對于驅動切換部件和燃料棒夾頭部件進行運動模擬，檢查運動過程中各部零件間的配合情況十分必要。

    2.1 驅動切換部件運動模擬

    逆時針扳動大手柄，帶動轉盤靠住右定位軸承，通過轉盤、右壓塊、搖臂的傳動，使離合器嚙合。通過轉盤、左壓塊、止動臂的傳動，止動臂棘爪抬起脫離下方棘輪。此時，離合器片壓緊從動盤并和小齒輪一起轉動，提升管的升降由電機控制，驅動切換部件處于電動狀態(圖2(a))。

圖2 處于電動狀態(a)、鎖緊狀態(b)和手動狀態(c)的驅動切換部件

    順時針扳動大手柄直至轉盤靠住左定位軸承，通過轉盤、右壓塊、搖臂傳動，使離合器片與從動盤脫開。通過轉盤、左壓塊、止動臂傳動，止動臂棘爪下落卡住棘輪，限制棘輪逆時針轉動自由度(防止提升管下落)，此時驅動切換部件處于鎖緊狀態(圖2(b))。

    逆時針扳動小手柄，帶動撥叉下壓止動臂上端部的軸承，抬起止動臂棘爪，解除棘輪的鎖緊狀態。此時通過轉動手輪來控制提升管的升降，驅動切換部件處于手動狀態(見圖2(c))。

    2.2 燃料棒夾頭部件運動模擬

    當芯棒向上運動時，芯棒端頭擠入擴口脹管的脹頭部分，從而使閉合的彈性夾頭張開；反之，當芯棒往下運動時，芯棒端頭離開擴口脹管的脹頭部分，張開的彈性夾頭自動閉合(圖3)。

圖3 燃料棒夾頭部件運動模擬

3 實際工程中的應用

    制造加工時，非標零件(如轉盤、大手柄)的外形須在裝配后才能確定。基于三維裝配體模型，可精確生成零件輪廓，給制造廠加工提供便利。通過運動仿真，可更直觀檢查零部件間的配合情況，并對一些欠妥結構進行優化改進。

    3.1 制造中的應用

    驅動切換時，扳動大手柄，使轉盤分別靠住箱體頂部的兩個定位軸承，實現手動和電動的切換功能。因此轉盤的外形必須與兩個定位軸承的外形相嚙合(如圖4(a))，而大手柄的外形必須確保在驅動切換時，大手柄與提升管齒條不干涉(如圖4(b))。

圖4  制造中的應用

    傳統制造加工時，必須首先制造出轉盤和大手柄的大致外形，并在裝配過程中測繪、調整具體輪廓，最后進行切割，增加了制造的難度。由于不可避免的二次加工，對成品零件的精度造成一定影響。基于三維裝配體模型，可精確生成上述零件的輪廓，并直接生成圖紙，交付制造廠，避免二次加工，從而降低制造難度。

    3.2 結構改進中的應用

    運動仿真后發現原先設計的棘爪，鎖緊時與棘輪咬合區域過小，結構欠妥。在鎖緊狀態下，對棘爪的外形作了改進(圖5)。改進后的棘輪棘爪在鎖緊狀態下咬合區域增大，提高了安全系數。

圖5 棘爪的外形改進

4 總結

    基于三維模型，可精確生成非標零件的輪廓，并直接生成二維工程圖交付制造廠，避免了二次加工，降低了制造難度。通過運動仿真，可迅速發現欠妥結構，并對其進行優化改進。

    通過對燃料棒更換裝置的三維建模和運動仿真，可看到各零部件間配合準確，通過機構聯動可實現驅動切換功能，切換過程中各零部件間無運動干涉，驗證了設計的合理性。