《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》是中科華核電技術研究院有限公司、中國廣東核電集團有限公司於2011年9月9日申請的發明專利，該專利申請號為201110268395X，公布號為CN102394116B，公布日為2012年3月28日，發明人是吳鳳岐、陸秀生、趙阿朋、方郁、陳少南、張美玲、黃海華、王力。該發明涉及核電站的核燃料裝運裝置，更具體地說，涉及一種可用於百萬千萬級核電站的核燃料傾翻機載荷保護方法及系統。
《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》包括以下步驟：S1：設定傾翻機的每一位置對應的合理載荷範圍；S2：監測傾翻機所處的實際位置，並監測該實際位置的實際載荷數值；S3：將步驟S2中的實際位置的實際載荷數值，與實際位置對應的合理載荷範圍進行對比，判斷傾翻機是否超載或過載。通過實時監測傾翻機的實際位置及其實際載荷數值，並與該實際位置的合理載荷範圍進行對比，判斷該實際位置是否超載或過載，從而可以實時監控傾翻機的實時位置是否超出合理載荷範圍，使得載荷保護更加的精確。另外，可以通過控制器處理稱重感測器、編碼器的監測信號，得到實際位置、實際載荷數值，使得監控載荷保護更加的直觀、準確。
2017年12月，《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：核燃料傾翻機載荷保護方法及系統
- 地址：廣東省深圳市福田區益田路江蘇大廈A座13樓整層A1301-1320
- 申請人：中科華核電技術研究院有限公司、中國廣東核電集團有限公司
- 申請號：201110268395X
- 申請日：2011年9月9日
- 公布號：CN102394116B
- 公布日：2012年3月28日
- 發明人：吳鳳岐、陸秀生、趙阿朋、方郁、陳少南、張美玲、黃海華、王力
- 代理人：林儉良
- 代理機構：深圳市順天達專利商標代理有限公司
- 類別：發明專利
- Int. Cl.：G21C17/06（2006.01）I、G21C19/00（2006.01）I、G21C19/06（2006.01）I
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在2011年9月之前的壓水堆核電站中，需要使用燃料轉運裝置對燃料組件進行轉運。2011年9月之前的燃料轉運裝置通常包括傾翻架1、安裝在傾翻架1上的燃料籃、捲筒驅動機構2等，如圖1所示。該捲筒驅動機構2通過鋼絲繩3、導向滑輪等，拉動傾翻架1，實現對燃料籃的傾翻、轉運等操作。
為保護核燃料組件翻轉過程中的安全，防止傾翻架1受到外部障礙的刮、磨、鉤等干擾引起燃料組件包殼破損，預防核泄漏，2011年9月之前壓水堆核電站燃料轉運裝置對燃料組件載荷保護設計的通用做法是在兩側廠房傾翻機驅動機構上安裝一機械式力矩測量開關4，當捲筒驅動機構2受力超過開關上下限值時，輸出報警信號。如美國Par Nuclear Inc.以及法國REEL公司的同類產品採用的載荷保護是基於簡單的定值技術，當測量的力矩超過或低於某一設定值時，觸發超載或欠載保護信號，實現對核燃料傾翻機的載荷保護。這種開關內部結構為彈簧+槓桿，每次使用前需要先使用標準砝碼對其進行標定，確保機械漂移未超範圍。
這種傳統的載荷保護技術至少存在如下缺點：
1、力矩測量開關4為機械式，使用一段時間後零點漂移，需標定。
2、只能輸出觸點信號，無法得知具體的載荷數值。
3、受限於測量元件及保護方式，只能設定兩個固定數值，無法確保發生超欠載時燃料組件本身受力符合限值要求；
4、只能在超固定數值時輸出報警信號，起不到實時保護目的。
發明內容
專利目的
《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》提供一種可實時監測傾翻機的位置及載荷變化、載荷保護更精確的核燃料傾翻機載荷保護方法及系統。
技術方案
《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》構造一種核燃料傾翻機載荷保護方法，包括以下步驟：
S1：設定傾翻機的每一位置對應的合理載荷範圍；
S2：監測所述傾翻機所處的實際位置，並監測該實際位置的實際載荷數值；
S3：將步驟S2中的實際位置的實際載荷數值，與所述實際位置對應的所述合理載荷範圍進行對比，判斷所述傾翻機是否超載或過載。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護方法中，所述步驟S3包括以下步驟：
S3-1：當所述實際載荷數值大於所述合理載荷範圍的最大允許載荷時，判斷為超載，並輸出停止運行信號；
S3-2：當所述實際載荷數值小於所述合理載荷範圍的最小允許載荷時，判斷為欠載，並輸出停止運行信號；
S3-3：當所述實際載荷數值位於所述合理載荷範圍的最大允許載荷和最小允許載荷之間時，判斷為載荷正常，並輸出正常運行信號。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護方法中，所述步驟S2包括：
S2-1：利用安裝在所述傾翻機的捲筒一側的編碼器，測量所述捲筒的角位移信號輸出至控制器，並由所述控制器處理後得到所述傾翻機的實際位置；
S2-2：利用安裝在所述傾翻機的捲筒支架上的稱重感測器，測量所述捲筒的質量信號並輸出至所述控制器，並由所述控制器處理後得到所述傾翻機的實際載荷數值。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護方法中，根據所述稱重感測器在所述傾翻機不同位置時的如下受力公式計算得到所述合理載荷範圍，
其中，Mi為傾翻機燃料籃、傾翻架、配重塊等的綜合質量，La為綜合中心到傾翻軸的距離，θ為傾翻角，L為傾翻機長度，Lb為傾翻機軸到頂部滑輪的距離，X為傾翻機位置數據，Xa為傾翻機燃料籃已經放入到傳輸小車的位置，Xb為傾翻機頂部彈簧有張力位置，α為傾翻機與垂直位置夾角，與傾翻角θ的關係為
，Fr為傾翻機鋼絲繩拉力，r為傾翻機捲筒半徑，Md為傾翻機驅動機構綜合質量，Ld為綜合中心到捲筒軸的距離，F為稱重感測器受力(拉力或壓力)，Lc為稱重感測器安裝位置到捲筒軸距離，Mi’為傾翻機無燃料籃時的綜合質量，La’為此時綜合重心到傾翻軸距離；Mi″×g×La″為豎直時傾翻機重心偏離傾翻軸產生的靜態力矩。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護方法中，還包括步驟S4：將所述實際位置和實際載荷數值輸出記錄並顯示，並將所述實際載荷數值與所述合理載荷範圍的差值進行顯示。
該發明還提供一種核燃料傾翻機載荷保護系統，所述傾翻機包括捲筒驅動機構，所述捲筒驅動機構包括捲筒支架、以及安裝在所述捲筒支架上的捲筒；所述系統包括安裝在所述捲筒支架上的稱重感測器，用於監測所述傾翻機的實際載荷數值；
設定在所述捲筒一側的編碼器，用於監測所述傾翻機所處的實際位置；以及與所述稱重感測器和編碼器連線的控制裝置，用於將所述實際位置的實際載荷數值，與所述實際位置對應的合理載荷範圍進行對比，判斷所述傾翻機是否超載或過載。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護系統中，所述編碼器為高精度絕對值編碼器；所述稱重感測器為高精度力矩測量元件。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護系統中，所述控制裝置包括存儲有所述合理載荷範圍的存儲器、以及與所述存儲器連線的控制器；
所述控制器與所述稱重感測器連線，接收所述稱重感測器測量所述捲筒的質量信號，並運算得到所述實際載荷數值；
所述控制器與所述編碼器連線，接收所述編碼器測量所述捲筒的角位移信號，並運算得到所述實際位置；
所述控制器包括對比模組，用於將所述實際載荷數值與所述實際位置對應的所述合理載荷範圍進行比對，判斷所述傾翻機是否超載或過載。
在該發明的核燃料傾翻機載荷保護系統中，所述控制裝置還包括顯示器，用於將所述控制器的比對結果輸出顯示。
改善效果
實施《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》具有以下有益效果：通過實時監測傾翻機的實際位置及其實際載荷數值，並與該實際位置的合理載荷範圍進行對比，判斷該實際位置是否超載或過載，從而可以實時監控傾翻機的實時位置是否超出合理載荷範圍，使得載荷保護更加的精確。
另外，可以通過控制器處理稱重感測器、編碼器的監測信號，得到實際位置、實際載荷數值，直接通過顯示器進行顯示，使得監控載荷保護更加的直觀、準確。
附圖說明
圖1是2011年9月之前已有技術的載荷保護系統的結構示意圖；
圖2是《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》的載荷保護系統的結構示意圖；
圖3是該發明的載荷保護方法的流程示意圖；
圖4是該發明的載荷保護系統的結構受力分析示意圖；
圖5是該發明的載荷保護系統的合理載荷範圍載荷保護曲線圖。
權利要求
1.一種核燃料傾翻機載荷保護方法，其特徵在於，包括以下步驟：
S1：設定傾翻機的每一位置對應的合理載荷範圍；
S2：利用安裝在所述傾翻機的捲筒一側的編碼器，測量所述捲筒的角位移信號輸出至控制器，並由所述控制器處理後得到所述傾翻機的實際位置：利用安裝在所述傾翻機的捲筒支架上的稱重感測器，測量所述捲筒的質量信號並輸出至所述控制器，並由所述控制器處理後得到所述傾翻機的實際載荷數值；
S3：將步驟S2中的實際位置的實際載荷數值，與所述實際位置對應的所述合理載荷範圍進行對比，判斷所述傾翻機是否超載或過載；
S4：將所述實際位置和實際載荷數值輸出記錄並顯示，並將所述實際載荷數值與所述合理載荷範圍的差值進行顯示；所述合理載荷範圍由所述稱重感測器在所述傾翻機不同位置時的受力公式計算得到，所述稱重感測器在所述傾翻機不同位置時的受力公式如下所示：
其中，Mi為傾翻機燃料籃、傾翻架、配重塊的綜合質量，La為綜合中心到傾翻軸的距離，L為傾翻機長度，Lb為傾翻機軸到頂部滑輪的距離，x為傾翻架的實際位置，Xa為傾翻機燃料籃已經放入到傳輸小車的位置，Xb為傾翻機頂部彈簧有張力位置，Xmax為傾翻機燃料籃已經放入到水平位置，k為彈簧的彈性係數，r為傾翻機捲筒半徑，Md為傾翻機驅動機構綜合質量，Ld為綜合中心到捲筒軸的距離，F為稱重感測器受力(拉力或壓力)，Lc為稱重感測器安裝位置到捲筒軸距離，Mi’為傾翻機無燃料籃時的綜合質量，La’為此時綜合重心到傾翻軸距離；Mi″×g×La″為豎直時傾翻機重心偏離傾翻軸產生的靜態力矩。
2.根據權利要求1所述的核燃料傾翻機載荷保護方法，其特徵在於，所述步驟S3包括以下步驟：
S3-1：當所述實際載荷數值大於所述合理載荷範圍的最大允許載荷時，判斷為超載，並輸出停止運行信號；
S3-2：當所述實際載荷數值小於所述合理載荷範圍的最小允許載荷時，判斷為欠載，並輸出停止運行信號；
S3-3：當所述實際載荷數值位於所述合理載荷範圍的最大允許載荷和最小允許載荷之間時，判斷為載荷正常，並輸出正常運行信號。
3.一種核燃料傾翻機載荷保護系統，所述傾翻機包括捲筒驅動機構，所述捲筒驅動機構包括捲筒支架、以及安裝在所述捲筒支架上的捲筒；其特徵在於，所述系統包括安裝在所述捲筒支架上的稱重感測器，用於監測所述傾翻機的實際載荷數值；設定在所述捲筒一側的編碼器，用於監測所述傾翻機所處的實際位置；以及與所述稱重感測器和編碼器連線的控制裝置，用於將所述實際位置的實際載荷數值，與所述實際位置對應的合理載荷範圍進行對比，判斷所述傾翻機是否超載或過載；所述控制裝置包括存儲有所述合理載荷範圍的存儲器、以及與所述存儲器連線的控制器；所述控制器與所述稱重感測器連線，接收所述稱重感測器測量所述捲筒的質量信號，並運算得到所述實際載荷數值；所述控制器與所述編碼器連線，接收所述編碼器測量所述捲筒的角位移信號，並運算得到所述實際位置；所述控制器包括對比模組，用於將所述實際載荷數值與所述實際位置對應的所述合理載荷範圍進行比對，判斷所述傾翻機是否超載或過載；所述控制裝置還包括顯示器，用於將所述控制器的比對結果輸出顯示；所述合理載荷範圍由所述稱重感測器在所述傾翻機不同位置時的受力公式計算得到，所述稱重感測器在所述傾翻機不同位置時的受力公式如下所示：
其中，Mi為傾翻機燃料籃、傾翻架、配重塊的綜合質量，La為綜合中心到傾翻軸的距離，L為傾翻機長度，Lb為傾翻機軸到頂部滑輪的距離，x為傾翻架的實際位置，Xa為傾翻機燃料籃已經放入到傳輸小車的位置，Xb為傾翻機頂部彈簧有張力位置，Xmax為傾翻機燃料籃已經放入到水平位置，k為彈簧的彈性係數，r為傾翻機捲筒半徑，Md為傾翻機驅動機構綜合質量，Ld為綜合中心到捲筒軸的距離，F為稱重感測器受力(拉力或壓力)，Lc為稱重感測器安裝位置到捲筒軸距離，Mi’為傾翻機無燃料籃時的綜合質量，La’為此時綜合重心到傾翻軸距離；Mi″×g×La″為豎直時傾翻機重心偏離傾翻軸產生的靜態力矩。
4.根據權利要求3所述的核燃料傾翻機載荷保護系統，其特徵在於，所述編碼器為高精度絕對值編碼器；所述稱重感測器為高精度力矩測量元件。
實施方式
如圖2所示，是該發明的核燃料傾翻機載荷保護系統的一個實施例，可用於百萬千萬級核電站的核燃料傾翻機中；當然，也可以用於其它級別的核電站的核燃料傾翻機中。該核燃料傾翻機通常包括傾翻架11、安裝在傾翻架11上的燃料籃、捲筒驅動機構12等。該捲筒驅動機構12包括捲筒支架、以及安裝在捲筒支架上的捲筒等，並通過鋼絲繩13拉動傾翻架11。
該核燃料傾翻機載荷保護系統包括稱重感測器15、編碼器14、控制裝置等。該稱重感測器15可以安裝在捲筒支架上，用於監測傾翻機的實際載荷數值。在該實施例中，該稱重感測器15可以採用高精度力矩測量元件，通過感測捲筒支架的受力變化，來產生質量信號，並傳送至控制裝置進行運算處理，進而得到捲筒的實際載荷數值。
該編碼器14設定在捲筒的一側，用於監測傾翻其所處的實際位置。在該實施例中，該編碼器14可以選用兩個高精度絕對值編碼器14，安裝在捲筒的一側。該編碼器14通過測量捲筒的角位移信號，並傳送至控制裝置進行運算處理，進而得到捲筒的實際位置。
該控制裝置與稱重感測器15和編碼器14連線，用於將實際位置的實際載荷數值與合理載荷範圍進行對比，判斷傾翻機是否超載或過載，從而輸出對應的控制信號，控制傾翻機停機或繼續運行。
該控制裝置可以包括存儲器、控制器、顯示器等。該存儲器中可以存儲有合理載荷範圍以及運算算法等；顯示器則用於輸出比對結果等信息。該控制器與存儲器、顯示器、編碼器14、稱重感測器15等連線。該控制器接收來自編碼器14測量捲筒的角位移信號，並運算得到實際位置，同時接收來自稱重感測器15測量捲筒的質量信號，並運算得到實際載荷數值；並通過控制器的對比模組，將該實際位置處的實際載荷數值與合理載荷範圍進行比對，判斷傾翻機是否超載或過載，並輸出控制信號對傾翻機停機或繼續運行；同時，通過顯示器將該實際位置、實際載荷數值、過載或欠載數值進行顯示。
如圖3所示，在使用該系統時，首先設定傾翻機的每一位置對應的合理載荷範圍；然後，監測傾翻機所處的實際位置(步驟A1)，並監測該實際位置的實際載荷數值(步驟A2)，並由控制其進行運算得到實際位置及其對應的實際載荷數值(步驟A3)，將該實際位置的實際載荷數值與對應的合理載荷範圍進行對比，判斷傾翻機是否超載或過載(步驟A4)。
具體的，每一位置的合理載荷範圍包括最大允許載荷和最小允許載荷，當實際載荷數值位於該最大允許載荷和最小允許載荷之間時，判斷傾翻機沒有超載或欠載。
在該實施例中，該最大允許載荷和最小允許載荷通過理論計算，得到計算結果通過加、減一個小額數值得出。如圖3所示，是該系統的受力分析簡圖，其中，Mi為傾翻機燃料籃、傾翻架、配重塊等的綜合質量，La為綜合中心到傾翻軸的距離，θ為傾翻角，L為傾翻機長度，Lb為傾翻機軸到頂部滑輪的距離，X為傾翻機位置數據，Xa為傾翻機燃料籃已經放入到傳輸小車的位置，Xb為傾翻機頂部彈簧有張力位置，α為傾翻機與垂直位置夾角，與傾翻角θ的關係為，Fr為傾翻機鋼絲繩拉力，r為傾翻機捲筒半徑，Md為傾翻機驅動機構綜合質量，Ld為綜合中心到捲筒軸的距離，F為稱重感測器受力(拉力或壓力)，Lc為稱重感測器安裝位置到捲筒軸距離，Mi’為傾翻機無燃料籃時的綜合質量，La’為此時綜合重心到傾翻軸距離；Mi″×g×La″為豎直時傾翻機重心偏離傾翻軸產生的靜態力矩。綜上，稱重感測器在傾翻機不同位置時的受力公式如下：
再通過合理的修正，加、減合適的小額數值即可得到每一位置的合理載荷範圍，如圖5所示，圖中的上下兩條曲線即為最大允許載荷和最小允許載荷，在該最大允許載荷和最小允許載荷之間即構成了合理載荷範圍。並將每一位置的合理載荷範圍與該位置對應存儲於存儲器中備用。
可以理解的，該最大允許載荷和最小允許載荷也可以用試驗方式設定，如每一位置的最大允許載荷可以通過在傾翻機上裝載最大允許載荷，記錄每一位置的實際載荷作為最大允許載荷；對應的，每一位置的最小允許載荷可以通過在傾翻機上裝載最小允許載荷，記錄每一位置的實際載荷作為最小允許載荷，將每一位置的最大允許載荷和最小允許載荷之間的載荷範圍為每一位置的合理載荷範圍。當然，可以根據監測結果加、減一個小額數值得出。
在該實施例中，利用安裝在傾翻機的捲筒一側的編碼器14，測量捲筒的角位移信號，並輸出至控制器，由控制器處理後得到傾翻機的實際位置。同時，利用安裝在傾翻機的捲筒支架上的稱重感測器15，測量捲筒的質量信號並輸出至控制器，並由控制器處理後得到傾翻機的實際載荷數值。
然後，將在該實際位置運算得到的實際載荷數值，與該實際位置處的合理載荷範圍進行比較：當實際載荷數值大於合理載荷範圍的最大允許載荷時，判斷為超載，並輸出停止運行信號；當實際載荷數值小於合理載荷範圍的最小允許載荷時，判斷為欠載，並輸出停止運行信號；當實際載荷數值位於合理載荷範圍的最大允許載荷和最小允許載荷之間時，判斷為載荷正常，並輸出正常運行信號；並繼續監測一下實際位置的實際載荷數值，進而可以實時地連續監控，似的載荷保護更為精確。
進一步的，監測到的實際位置、實際載荷數值、過載或欠載數值等，可以通過顯示器進行顯示，從而可以直接實時地顯示，以供操作人員查看載荷狀態，以便進行人工干預。
榮譽表彰
2017年12月，《核燃料傾翻機載荷保護方法及系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
