Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время на атомных станциях России эксплуатируется 31 энергоблок установленной мощностью 23242 МВт, из них 15 реакторов с водой под давлением - водо-водяных энергетических реакторов типа ВВЭР.
Сложное, громоздкое, массивное, многозвенное технологическое оборудование АЭС, применяемое для выполнения транспортно-технологических операций закономерно приводит к снижению вероятности безаварийной работы. Современное состояние техники, спроектированной и изготовленной с применением прогрессивных, в том числе эвристических, приемов и методов, позволяет найти рациональный путь усовершенствования системы транспортно-технологического оборудования в целом; в частности, в настоящей работе показан один из рациональных путей совершенствования отдельного узла системы - подъемного устройства с автоматическим грузозахватом.
Перегрузочные машины для атомной энергетики созданы усилиями конструкторов и ученых ОКТБ «Гидропресс», ВНИИАМ, ВНИИПТМАШ, МГТУ им.Баумана, ЮРГТУ (НПИ), СПбГТУ, Уральского ГТУ (УПИ) и др. Созданные в 60-х годах XX века конструкции перегрузочных машин усовершенствовались только частично.
Сравнивая коэффициенты технического совершенства Ктс ПТМ, представляющие соотношения веса машины к весу перемещаемого объекта и уровень проектных решений, принятых при совершенствовании конструкции, находим, что Ктс перегрузочной машины МП-1000 при весе 848.300 Н и весе объекта 735ОН равен 115,4. Для мостовых кранов Ктс =1,5...3; для кранов с жестким подвесом объектов перемещения Ктс = 5. ..10 (20). Очевидна необходимость совершенствования структуры, конструктивной схемы и параметров перегрузочной машины, т.к. чем ниже значение Ктс, тем совершеннее машина.
Опыт эксплуатации машин МП-1000 и применение современных методов поискового конструирования, проектирования и совершенствования конструкций при создании новой техники позволили предложить новые конструкторские решения. Требуется научное обоснование метода получения решения, близкого к оптимальному.
Работа выполнена согласно планам научных исследований по госбюджетным темам Г 42.1.ВИС «Теория и практика обоснования инженерных решений при создании оборудования сервиса технических систем» и Г-2.06.ВИС «Оптимизация инженерных решений при создании оборудования сервиса технических систем» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса и научно-исследовательского института перспективных технологий (НИИ ПТ ВИС) Волгодонского института сервиса (филиала) ЮРГУЭС.
Цель работы. Обосновать структуру, конструктивную схему и рациональные параметры механизма подъема перегрузочной машины для ядерных реакторов типа ВВЭР.
Идея работы.
Применение эвристических методов и изобретательских приемов при синтезе конструктивных схем для получения рациональной структуры конструктивной схемы и существенного повышения надежности механизма подъема.
Задачи исследования. 1 Проанализировать современное состояние конструктивных схем транспортно-технологического оборудования для условий перегрузки объектов по безлюдной
технологии на атомной электростанции и технологический процесс перемещения
объектов перегрузки в атомном реакторе типа ВВЭР.
-
Проанализировать методы проектирования механизмов подъема ПТМ и спецкранов, обосновать необходимость и целесообразность их совершенствования с целью упрощения конструкции, снижения веса и повышения вероятности безотказной работы.
-
Обосновать структуру и конструктивную схему механизма подъема путем использования методов оптимизации конструкторских решений, в том числе метода эвристического поиска.
-
Исследовать Теоретически и с использованием компьютерных технологий процесс открывания пробки гермопенала по предложенной конструктивной схеме.
-
Доказать снижение вероятности отказа при эксплуатации нового механизма подъема и обосновать рациональные параметры АГЗУ с канатным подвесом.
-
Экспериментально подтвердить работоспособность конструкции АГЗУ в новом механизме подъема.
Методы исследования.
-
Методы проектирования.
-
Метод эвристического поиска лучших технических решений.
-
Методы теоретической механики при исследовании процессов взаимодействия твердых тел.
-
Метод оценки надежности и безопасности технической системы при проектировании.
-
Проверка функциональной пригодности новой конструкции механизма с использованием теоретического обоснования, компьютерных способов проектирования и экспериментального исследования на модельной установке.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Рациональная структура механизма подъема в ядерном реакторе типа ВВЭР может быть получена по критерию минимальной сложности в результате структурного синтеза на основе применения эвристических методов и изобретательских приемов.
-
Параметрический синтез с использованием математической модели процесса автоматического захвата и поворота пробки гермопенала, устанавливающей взаимосвязь между крутящим моментом и основными конструктивными, кинематическими и силовыми параметрами устройства наиболее точно и быстро обеспечивает нахождение рациональных параметров подвесного АГЗУ.
Новизна научных положений, выносимых на защиту:
-
Впервые обоснована структура и конструктивная схема механизма подъема перегрузочной машины с гибким подвесом объектов перегрузки с применением эвристических методов и изобретательских приемов, а также усовершенствованного наглядно-логического алгоритма операции проектирования.
-
Математическая .модель, впервые устанавливающая взаимосвязь между крутящим моментом и основными конструктивными, кинематическими и силовыми параметрами устройства, позволяет определять рациональные параметры подвесного АГЗУ. Практическая значимость работы.
-
Предлагаемая инженерная методика создания механизма подъема и АГЗУ с использованием эвристических методов и изобретательских приемов позволяет уверенно находить новые технические решения на уровне изобретений.
-
Наглядно-логическое представление процесса поиска лучшего технического решения в виде алгоритма операции поиска в комплексе с анализом массогабаритных особенностей объекта и использования межотраслевого фонда эвристических приемов поиска лучшего технического решения существенно облегчает работу конструктора.
-
Предложены конкретные рекомендации по поиску путей снижения веса АГЗУ путем применения гибкого подвеса в механизме подъема машины перегрузочной.
-
Переход к гибкой системе подвеса позволяет снизить вес механизма подъема со 120.000 Н до 10.000 Н, существенно упрощает конструкцию, повышает ремонтопригодность и значительно снижает вероятность возникновения отказа. Вероятность возникновения отказа существующей конструкции МП-1000 в течение 12 лет составляет 8,31-10'3, а аналогичная вероятность для МПК - 4,53-10"3.
-
Применение новой конструкции АГЗУ на гибком подвесе обеспечивает повышение крутящего момента. В новой конструкции крутящий момент равен 3024 Н-м, в то время как крутящий момент существующей конструкции рабочей штанги машины перегрузочной обеспечивает 1.000 (1.300) Н-м.
Достоверность научных результатов.
Научные результаты получены как с использованием традиционных методов проектирования, так и известных изобретательских приемов поиска новых технических решений, с корректным применением расчетных схем и решением задач методами теоретической механики, проверкой работоспособности предложенных конструкций компьютерными методами, не позволяющими представлять рабочий процесс при наличии ошибок. Результаты экспериментальных исследований на модели подтверждают правильность теоретических обоснований.
Конструкция механизма подъема МПК с канатным подвесом вследствие упрощения структуры и конструктивной схемы имеет значительно меньшую величину риска отказа, чем конструкция механизма подъема машины МП-1000 с жестким подвесом исполнительного органа.
Внедрение результатов работы.
-
Техническая документация и методические материалы используются в ООО ОКТБ «Энергомаш», ОАО «ВНИИАМ», ОАО «Атоммашэкспорт», г. Волгодонск.
-
Модельная установка испытана в НИИ перспективных технологий ВИС (филиала) ЮРГУЭС в лабораторных условиях; результаты испытаний приняты ОАО «Атоммашэкспорт» и ОАО «ВНИИАМ» и используются в проектно-конструкторской работе.
-
Компьютерные программы моделирования и методика эвристического поиска конструкторского решения используются в учебном процессе ВИС ЮРГУЭС для специальности 100101 «Сервис», специализация «Сервис информационный».
Апробация работы.
Результаты работы обсуждены и получили одобрение на ежегодных конференциях «Проблемы экономики, науки и образования в сервисе» в г.Волгодонске (2005-2009гг.), на технических совещаниях в ОАО «Атоммашэкспорт» (2007г.) и ОАО ВНИИАМ (г.Волгодонск, 2007 и 2008г.г.), на конкурсах «Эврика» (2006 и 2007гг.), «У.М.Н.И.К.» (2007, 2008 и 2009г.г.), на международной научно-технической конференции в г.Севастополе (2005, 2006 и 2007гг.), на кафедре «ПТМиР» ЮРГТУ (НПИ) (2007 и 2008г.г.), на ((Курчатовских чтениях» (2006, 2007 и 2008гг.) при информационном центре Волгодонской АЭС (г.Волгодонск), на VI международной научно-технической конференции концерна ((Росэнергоатом» (г.Москва, 2008г.).
Публикации.
Основные результаты работы освещены в 15 научных публикациях, из них 3 в центральных научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 3 в сборниках трудов международных научных конференций, 1 в монографии, 3 патента на изобретения.
Структура и объем работы.
Диссертация представлена на 150 страницах, содержит 4 таблицы, 34 рисунка, список использованных литературных источников составляет 115 наименований.
