張利東，劉 斌，蔣軍建

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

CANDU 6 重水堆的一大特點(diǎn)是不停堆換料，裝卸料機(jī)就是專門為實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。每個(gè)重水堆有兩臺(tái)裝卸料機(jī)，分別位于反應(yīng)堆兩側(cè)，它們通常一起工作、以完成燃料更換。換料過程包括新燃料裝料、反應(yīng)堆上換料、乏燃料更換與接收存貯等3 個(gè)部分。裝卸料機(jī)換料期間包含重水和乏燃料，此外需要定期解體檢修。裝卸料機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件眾多，主要由管嘴組件、分離器組件、料倉組件和推桿組件組成。裝卸料機(jī)每個(gè)組件按照一定的順序動(dòng)作，才能完成拆卸和安裝燃料通道密封塞、屏蔽塞，裝卸燃料的動(dòng)作。為了全面展示重水堆換料過程，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了本仿真系統(tǒng)，展示裝卸料機(jī)結(jié)構(gòu)、模擬換料工況和換料維修過程，達(dá)到良好的三維動(dòng)態(tài)演示效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方案設(shè)計(jì)

該三維仿真系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為換料運(yùn)行和換料維修兩個(gè)部分，主要包括裝卸料機(jī)、滑車、橋架、維修過程等。方案設(shè)計(jì)如下：

提供一種全景的換料演示，同時(shí)顯示兩側(cè)的裝卸料機(jī)。

（1）換料運(yùn)行部分包括新燃料裝料、屏蔽門的開關(guān)、反應(yīng)堆上換料、乏燃料更換與接收存貯等運(yùn)行演示，顯示核島廠房R-109、R-103、R-104、R-107、R-108、R-001 和服務(wù)廠房S-124 的相應(yīng)環(huán)境及動(dòng)作，每側(cè)380 個(gè)燃料通道只顯示一根。虛擬換料過程仿真系統(tǒng)應(yīng)包括完整的裝卸料過程中的動(dòng)作演示，包括：密封塞和屏蔽塞的安裝和拆除，導(dǎo)向套筒的安裝和拆除，管嘴塞和推桿適配器的安裝和拆除，堆上換料的動(dòng)作的演示以及裝卸料機(jī)內(nèi)部各部件在做這些操作時(shí)的動(dòng)作等；同時(shí)還包括換料過程中所有使用到的外部設(shè)備的動(dòng)作模擬，如懸鏈、滑車、橋架、乏燃料傳輸及乏燃料池內(nèi)設(shè)備等（圖1）。

（2）換料檢修部分包括管嘴拆裝規(guī)程、分離器拆裝規(guī)程、推桿拆裝規(guī)程、料倉拆裝規(guī)程、管嘴塞拆裝規(guī)程、密封塞拆裝規(guī)程、導(dǎo)向套筒拆裝規(guī)程、鋼帶機(jī)構(gòu)拆裝規(guī)程。每一個(gè)規(guī)程包括步驟、各個(gè)零件的拆解和組裝，演示的同時(shí)配有內(nèi)容提示的FLASH。

2 系統(tǒng)的開發(fā)及特點(diǎn)

2.1 軟件配置

該系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為Windows XP 或Windows 2000，開發(fā)工具采用Visual C++6.0，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Oracle，建模工具采用Pro/E、Multigen_Creator 和3ds Max，系統(tǒng)圖形處理軟件采用Adobe Photoshop，RinVr 三維仿真支撐系統(tǒng)。

2.2 硬件配置

系統(tǒng)硬件運(yùn)行環(huán)境包括2 臺(tái)服務(wù)器、5 臺(tái)專用客戶機(jī)及公共的辦公客戶端計(jì)算機(jī)（圖1）。

服務(wù)器擬采用圖形工作站，支持立體顯示，采用HP xw4600圖形工作站，主要配置見表1。此硬件配置支持立體顯示，只需外接單通道立體投影儀，對(duì)三維仿真系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，就可?shí)現(xiàn)立體顯示效果。5 臺(tái)專用客戶端采用聯(lián)想鋒行X8030 C2Q Q66002048500 sGV（R），主要配置如表2 所示。

表1 服務(wù)器的主要配置

表2 客戶端計(jì)算機(jī)的主要配置

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）虛擬逼真，具有很好的演示宣傳效果。

（2）主次分明，能比較清楚地區(qū)分出各個(gè)零部件。

（3）整體組裝圖中能夠?qū)λ袉蝹€(gè)零部件進(jìn)行選擇操作，操作者能夠隨意顯示、隱藏、透視、移除或安裝設(shè)備中的某一個(gè)或幾個(gè)零部件，以方便了解結(jié)構(gòu)。

（4）可在虛擬場(chǎng)景內(nèi)任意路線、任意角度觀察設(shè)備內(nèi)部和單個(gè)零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（5）有靈活的三維視點(diǎn)操作功能，能夠?qū)κ髽?biāo)選取的區(qū)域俯視、平視、近視和遠(yuǎn)視。

（6）有較強(qiáng)大的交互操作能力，友好的操作界面，容易掌握。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用在換料運(yùn)行、換料維修和技術(shù)管理方面，對(duì)換料系統(tǒng)的理解和培訓(xùn)提供了較好的幫助。

3.1 換料運(yùn)行方面的應(yīng)用

對(duì)于虛擬裝卸料過程仿真系統(tǒng)，從新燃料裝載、反應(yīng)堆換料、乏燃料卸料3 個(gè)操作任務(wù)進(jìn)行展示。

3.1.1 新燃料裝載

新燃料裝載分為人工新燃料裝載、孔道處的新燃料裝載、反應(yīng)堆處新燃料裝載（圖2）。

圖2 人工新燃料裝載的設(shè)備和場(chǎng)景

（1）系統(tǒng)可以演示在人工將新燃料裝載裝入新燃料機(jī)中。在孔道處將新燃料機(jī)中裝載到裝卸料機(jī)中，然后裝卸料機(jī)在移動(dòng)到反應(yīng)堆處通道處把新燃料裝載進(jìn)去。

（2）換料運(yùn)行人員可以在辦公室熟悉和了解R110 房間新燃料裝載過程，觀察新燃料新燃料機(jī)料倉管在裝料過程中的動(dòng)作以加深印象（圖3）。

圖3 新燃料裝載料倉管的動(dòng)作

（3）反應(yīng)堆換料的任務(wù)通過指令與畫面結(jié)合及局部的運(yùn)動(dòng)，讓換料人員更加清楚了換料指令所代表的實(shí)際換料機(jī)動(dòng)作，對(duì)故障的判斷和異常工況的處理提供幫助（圖4）。

圖4 換料JOB 5-6 時(shí)的指令及換料機(jī)動(dòng)作界面

3.1.2 乏燃料卸料

了解乏燃料處理過程，對(duì)于高放射性的卸料R-001 房間的卸料、傳輸及轉(zhuǎn)運(yùn)過程。圖5 為乏燃料在升降斗中正在下降的界面，圖6 為乏燃料下降到水下小車中準(zhǔn)備運(yùn)出反應(yīng)堆廠房的工作界面，圖7 為在輔助廠房S-124 房間乏燃料在水下操作的界面。

圖5 乏燃料在升降斗中正在下降的界面

圖6 乏燃料水下準(zhǔn)備運(yùn)出反應(yīng)堆廠房的界面

圖7 輔助廠房S-124 房間乏燃料在水下操作的界面

在3 個(gè)操作任務(wù)的換料過程的演示，通過隱藏功能去掉外部殼體，可以觀察到平時(shí)無法看到的內(nèi)部部件的運(yùn)動(dòng)，直觀方便地將換料操作指令或步驟對(duì)應(yīng)的裝卸料機(jī)動(dòng)作展示出來。一些最常見的換料操作如抱卡在燃料通道，拆掉管嘴塞，安裝導(dǎo)向套筒，拆掉密封塞和屏蔽塞，推動(dòng)燃料串等這些常見的動(dòng)作見圖8。

圖8 安裝導(dǎo)向套筒同時(shí)料倉轉(zhuǎn)動(dòng)

將裝卸料機(jī)實(shí)際的動(dòng)作結(jié)合起來，彌補(bǔ)了換料過程中裝卸料機(jī)內(nèi)部動(dòng)作不可見的空白，不僅能夠幫助初學(xué)者或參觀者了解換料過程，同時(shí)也可以幫助運(yùn)行人員了解換料指令的含義，對(duì)以后的操作和應(yīng)急響應(yīng)工作有所幫助。本系統(tǒng)也可用使換料運(yùn)行人員的培訓(xùn)更加直觀。

3.2 換料檢修方面的應(yīng)用

換料維修系統(tǒng)包括裝卸料機(jī)管嘴塞解體檢修、密封塞解體檢修、裝卸料推桿組件解體檢修、管嘴組件解體檢修、分離器組件解體檢修、料倉組件解體檢修、導(dǎo)向套筒及插入工具組件解體檢修的過程仿真。各個(gè)組件均有不同程度的污染，通過維修過程的展示能夠幫助熟悉維修程序，可以間接減少所受的劑量。以管嘴塞檢修為例，維修規(guī)程的每一步顯示在左邊的欄目，通過將維修規(guī)程的每一步進(jìn)行解說和展示，關(guān)鍵步驟還有FLASH 提醒，讓維修人員在辦公室盡量地掌握管嘴塞解體檢修方法，減少現(xiàn)場(chǎng)受到輻射的劑量（圖9）。

圖9 管嘴塞解體檢修演示

同時(shí)顯示備件、工具和耗材，考慮維修場(chǎng)地的布置、專用工具的使用和人員的安排，幫助維修過程的優(yōu)化和維修技能的提高。

3.3 換料技術(shù)方面的運(yùn)用

3.3.1 結(jié)構(gòu)瀏覽

本系統(tǒng)可以全面瀏覽裝卸料機(jī)整體結(jié)構(gòu)，并從不同角度進(jìn)行觀察（圖10）。觀察時(shí)還可以將不需要的推桿殼體隱藏，這樣可以看到推桿內(nèi)部的其他零件的位置和形狀（圖11）。此時(shí)還可以將某一部件選中后旋轉(zhuǎn)觀察，顯示該部件的參數(shù)信息，如果和現(xiàn)有的系統(tǒng)連接，還可以調(diào)出圖紙進(jìn)行對(duì)比觀察。

圖10 裝卸料機(jī)整體

圖11 隱去推桿殼體的裝卸料機(jī)

3.3.2 傳動(dòng)分析

對(duì)比于傳統(tǒng)的部件圖紙，本系統(tǒng)可以很直觀明確地觀察到設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如裝卸料機(jī)L 推桿的傳動(dòng)鏈上所有的部件和作用。

經(jīng)過隱藏的凸顯渦輪/蝸桿/塞打螺栓的裝卸料機(jī)L 推桿傳動(dòng)鏈，為L 推桿部件的受力分析提供了很直觀的展示，從而為設(shè)計(jì)變更提供了幫助（圖12）。

圖12 裝卸料機(jī)L 推桿傳動(dòng)鏈

3.3.3 與其他工程軟件的兼容

對(duì)于系統(tǒng)模擬的設(shè)備以及工具，采用Pro/E 進(jìn)行建模工作，根據(jù)設(shè)備零部件圖紙，按照其準(zhǔn)確尺寸建立零部件模型，再根據(jù)裝配圖對(duì)零部件進(jìn)行組裝，形成整個(gè)設(shè)備。零部件的建模文件可以直接應(yīng)用于ANSYSY 軟件中作進(jìn)一步的分析。

4 結(jié)束語

本仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)重水堆裝卸料機(jī)新燃料裝載、反應(yīng)堆換料、乏燃料卸料3 個(gè)操作任務(wù)以及管嘴塞解體檢修、密封塞解體檢修、裝卸料推桿組件解體檢修、管嘴組件解體檢修、分離器組件解體檢修、料倉組件解體檢修、導(dǎo)向套筒及插入工具組件解體檢修等的過程仿真。通過隱藏和透視功能從不同視角對(duì)換料過程進(jìn)行演示，彌補(bǔ)了以往培訓(xùn)中無法看到的場(chǎng)景，幫助參觀人員、換料運(yùn)行、換料檢修和換料技術(shù)人員熟悉系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行指令和設(shè)備狀態(tài)，為提高換料操作人員的技能，異常工況的響應(yīng)能力、故障分析能力以及減少人因失誤提供了有益的支持。