反应器底盖升降机构可靠性预计_李元奎.pdf

56环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE摘要：处理放射性物料的反应器需放置在密闭箱室内，当出现故障时很难通过人工或远程操作来进行维修，因此对其开展可靠性预计非常重要。基于保证反应器稳定运行的目的，本文通过对反应器底盖升降机构进行可靠性预计分析，结合逻辑以及数学模型，得到了各个零部件及底盖升降机构的故障率，结果显示升降机构的可靠性满足寿命20 年的指标要求。为进一步提高底盖升降机构可靠性，提出以下建议：对换向器和减速机进行定期维护；减少位置开关数量；紧固件规范预紧力，提高装配精度。关键词：放射性物料；反应器底盖；升降机构；可靠性预计中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0056-06反应器底盖升降机构可靠性预计Reliability Prediction of Lifting Device for Reactor Cover李元奎1，赵刚1，阳航2（1.核工业理化工程研究院，天津 300180；2.湖南银杏可靠性技术研究所有限公司，长沙 400100）LI Yuan-kui1,ZHAO Gang1,YANG Hang2(1.Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry,Tianjin 300180;2.Hunan Gingko Reliability Technology Institute Co.,Ltd,Changsha 400100)A b s t r a c t：The reactor for radioactive materials treatment maintains inconveniently after malfunction because it is placed at the confined space.Therefore,the reliability prediction of lifting device for reactor cover is important.To keep the stability of reactor,here,we predict the reliability of lifting device for reactor cover via combining the logic and mathematic models.The low fault rates for the reactor cover and other parts show the reliability of lifting device.Besides,the following suggestions are also proposed to improve the reliability of lifting device:scheduled maintenance of commutator and reducer,reducing the number of travel switches,and improving the assembly precision through selecting suitable bolt preloading.K e y w o r d s：radioactive materials;reactor cover;lifting device;reliability prediction引言反应器为大型复杂机电一体化装置，其主要功能是实现对放射性物料的回收处理 1，底盖升降机构是其重要组成部分，起到实现反应器开合的目的。底盖升降机构结构复杂，由较多零部件组成，任一零部件的损坏都可能导致底盖升降机构故障，从而导致反应器无法工作。反应器安装于密闭箱室放射性环境中，采用远程自动化操作，出现故障时人工或远程维修均非常困难，费时费力，因此在设计阶段十分有必要对升降机构进行可靠性预计，发现底盖升降机构的可靠性薄弱环节，对升降机构设计提出相应优化改进建议，消除或减少故障的发生，提高机构运行的可靠性 2-4。可靠性预计是运用以往的工程设计经验、故障数据、产品的结构特点、当前的技术水平等信息，综合考虑组成系统的零部件故障率，在产品设计阶段预计产品在未来实际运行中可能达到的可靠度，即预计产品在规定的工作时间和工作条件下完成规定功能的概率 5-8。可靠性预计可以在产品设计定型之前对产品完成预572023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性定功能的可靠度进行评估，为设备设计方案提供可靠性数据，对组成设备的各零部件的基本可靠性、任务可靠性作出定量预计，评定其可靠性设计能否达到规定的可靠性要求，为设备设计定型奠定基础 9,1 0。反应器底盖升降机构的可靠性指标为：在保证任务功能的前提下使用寿命要求大于等于 2 0年（即1 7 5 2 0 0 h）。1底盖升降机构介绍反应器采用底部开盖结构，底盖升降机构主要由支撑框架（静止部分）和运动机构（运动部分）组成，其结构示意图如图 1 所示。支撑框架由上横梁、竖梁、下横梁等通过螺栓连接组合而成，整体呈方形；运动部分零部件组装于支撑框架上，底盖通过螺栓与支板连接，形成一个整体。底盖升降机构工作原理为：伺服电机转动通过减速机、传动轴、联轴器、换向器、滚珠丝杠、导轨等将力矩传递至底盖支板上，底盖支板带动底盖实现升降。反应器底盖升降机构支撑框架和运动机构的零部件明细表分别如表 1 和表 2 所示。2 可靠性模型2.1 可靠性模型框图底盖升降机构各部分均无冗余且彼此相互独立，其基本可靠性模型和任务可靠性模型相同，均为串联模型，即每个零件失效，都会导致系统失效。可靠性模型框图如图 2 所示。2.2 可靠性数学模型底盖升降机构的可靠性数学模型是按照串联的逻辑关系，由各组件的可靠性参数计算系统的可靠性值，其数学模型可表示为：21)()(=iistRtR （1）式中：)(tRs底盖升降机构的可靠度，)(tRs（i=1，2）序号零部件名称数量1上横梁焊接件12导轨43竖梁焊接件24下盖支板25托块46内六角圆柱头螺钉 M830327六角螺母 M1688底板焊接件49内六角圆柱头螺钉 M6206010升降横梁111内六角圆柱头螺钉 M1045812内六角圆柱头螺钉 M16451613滑动支板214地脚螺杆815下横梁焊接件116下盖升降支座417内六角圆柱头螺钉 M1055818平垫圈 10819垫圈 D163220螺栓 M16403221位置开关422限位件 1423限位件 2424竖梁焊接件 B125竖梁焊接件 C126升降横梁 B1分别为升降机构支撑框架和运动机构可靠度与自然时间（单位为 h）的函数关系式。选取最常用的平均故障间隔时间 M T B F（M e a n T i m e 图 1 反应器底盖升降机构结构示意图表 1 支撑框架零部件明细表58环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE序号零部件名称数量1内六角圆柱头螺钉 M85082上轴承套23滚珠丝杠24内六角圆柱头螺钉 M102585内六角圆柱头螺钉 M61486内六角圆柱头螺钉 M83587内六角圆柱头螺钉 M820128换向器39联轴器310键 820311传动轴 1112传动轴 2113升降电机垫板114减速机支撑115连接件 2116内六角圆柱头螺钉 M1035217平垫圈 10618内六角圆柱头螺钉 M830819内六角圆柱头螺钉 M1240420平垫圈 12421键 1025222传动轴 3123换向器底板224中换向器底板125轴承盖226轴承627下轴承套228挡圈 D30229键 620430伺服电机131减速机132六角螺母 M10433减速机固定螺杆4表 2 运动机构零部件明细表图 2 底盖升降机构可靠性模型框图B e t w e e n F a i l u r e s）作为对反应器底盖升降机构进行可靠性预计的基本参数 1 0。反应器底盖升降机构 M T B F的计算公式为：（2）反应器底盖升降机构故障率为：MTBFs1=（3）机械产品的疲劳、磨损等损耗故障一般服从威布尔分布，为了方便计算，假设所有零部件寿命全部服从相比于威布尔分布更为保守的指数分布 1 1,1 2，则有可靠度函数：)exp()(ttRss=（4）3可靠性预计3.1零部件分类根据表 1 和表 2，反应器底盖升降机构的所有零部件可分为结构类零部件、运动类零部件和标准连接件三类。结构类零部件包括各类梁、板、盖、套和支撑；运动类零部件包括滚珠丝杠、传动轴、换向器和减速机、轴承、导轨、电机和位置开关；标准连接件包括各类螺钉、螺杆、螺栓（含螺母和垫圈）和键。对于结构类零部件，其结构强度的设计裕度为 3，主要材料为 3 0 4不锈钢，3 0 4不锈钢的屈服强度为2 0 7 MP a，结构类零部件理论上所受最大应力强度为6 9 M P a，远低于其疲劳 S-N曲线中的无限寿命设计疲劳应力 1 9 0 M P a，而结构类零部件的焊缝在工作过程中仅受静力影响，发生故障的概率可忽略不计。验算过程如下：结构类零部件的应力和强度均服从正态分布 1 2，且变异系数为 0.0 5，则应力均值为 6 9 M P a，标准差为6 9 0.0 5=3.4 5 M P a，应力分布概率密度函数为：（5）强 度 均 值 为 1 9 0 MP a、标 准 差 为 1 9 0 0.0 5=9.5 M P a，强度分布概率密度函数为：|=25.919021exp25.91)(yyfy （6）由应力-强度干涉理论可得结构类零部件的可靠592023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性度为：（7）结构类零部件的任务周期内的可靠度近似为 1，不影响升降机构的可靠性。对于标准连接件，键的可靠度计算过程参考式（3），其任务周期内的可靠度近似为 1，不影响升降机构的可靠性。单个螺钉、螺杆、螺栓（含螺母和垫圈）的故障率可由下式进行计算 1 2：（8）式中：对于轴向加载，CS Z值为 1；当轴向载荷小于 1 5 1 5 M P a 时，CL取 1.0 9；对于运行温度小于 7 1.1 时，CT值为 1；对于轻度冲击载荷，CI值取 1；对于电镀锌的表面处理，CS C值取 1；对于机械加工螺纹质量等级在 4 8 时，CK取 3.8；的值为 1/e,S-N，e,S-N为材料的耐久极限应力，单位为磅/平方英寸，可用抗拉强度的 0.5倍进行估算，强度等级为 8.8级的螺栓耐久极限应力为1 2 9 MP a。最后代入式（4），计算得：。因此只需对运动类零部件进行详细的可靠性预计。3.2运动类零部件可靠性预计对滚珠丝杠、轴和联轴器、换向器和减速机、轴承、导轨、电机和位置开关等运动类零部件进行详细的可靠性预计。3.2.1 滚珠丝杠滚珠丝杠型号为 B T K 5 0 1 6 V-5.3，其寿命计算公式为：（9）式中：L 丝杠寿命，单位为 r e v（转）；aC基本动额定负荷；aP轴向最大负荷；wF负荷系数，取常数 1.2。滚珠丝杠的基本动额定负荷为 9 3.8 k N，轴向最大负荷为 7 5 0 0 N，代入式（5），得 L =1.1 3 1 09 r e v。3.2.2 轴和联轴器轴和联轴器的材料为3 C r 1 3 不锈钢，其设计裕度为5，考虑启动系数和动载系数后（除以 1.5）的设计裕度降为3.3 3，参考 3.1 节的验算方法，传动轴的应力和强度均符合正态分布，由应力-强度干涉理论可