Ontwerp van een meetbank voor niet-destructieve testen op nucleaire brandstofstaven

Katholieke Universiteit Leuven Faculteit Toegepast Wetenschappen Departement Werktuigkunde Celestijnenlaan 300, B-3001 Leuven (Heverlee), Belgi¨e

Ontwerp van een meetbank voor niet-destructieve testen op nucleaire brandstofstaven

2004-2005 05MO22

Johan Danneels Bart De Mot

Samenvatting Het ontwerp behelst een herinrichting van een hot-cell voor niet-destructieve testen op nucleaire brandstofstaven. Een hot-cell is als volgt opgebouwd: de meetinstallatie bevindt zich in een afschermende structuur en een operator bedient de installatie van buitenaf. De installatie op zich is een geleidingssysteem dat de brandstofstaven door verschillende meetstations leidt. Het doel is om een herontwerp te realiseren van deze verouderde installatie, omdat de huidige cel heel wat onderhoud en problemen met zich meebrengt. Belangrijke aandachtspunten bij dit ontwerp zijn de stralingseffecten op de installatie, de bereikbaarheid en manipuleerbaarheid van het systeem door de operator en de eis voor een hoge betrouwbaarheid en duurzaamheid van de gehele meetinstallatie. De kritieke onderdelen in dit ontwerp zijn het geleidingssysteem voor de brandstofstaaf over een lengte van 6 m, de zeer nauwkeurige positiebepaling van het meetpunt tot op 0.1 mm voor 1 standaarddeviatie en de ondersteuning van de zeer buigzame en slanke brandstofstaven zonder deze te beschadigen. De oplossing hiervoor is een wagentje dat de brandstofstaaf inklemt en dan beweegt over lineaire profielgeleidingen en aangedreven wordt door een voorgespannen tandwiel-tandheugelaandrijving, zodat de staaf in een continue beweging door het meetstation kan opgemeten worden. Het gebruik van een Digiruler magnetische meetlat zorgt voor de gewenste nauwkeurigheid en combineert dit met een goede weerstand tegen straling en vuil. Een systeem van wegklapbare ondersteuningen voor de brandstofstaaf, zorgt voor een stabiele en betrouwbare positionering zonder dat blokkering van het systeem of beschadiging van de staaf kan optreden. Een bijkomende centrering net v´o´or en net na het meetstation zorgt bovendien dat de staven vlot door de meetstations geleid worden. De grootste uitdaging in dit ontwerp is het zoeken naar concepten en technologie¨en die een eenvoudige installatie combineren met een hoge precisie en betrouwbaarheid, zonder dat ze snel degraderen onder invloed van de hoog-actieve straling. Dit impliceert meteen dat het toepassen van nieuwe technieken in een hot-cell waarvan de eigenschappen in een stralingsomgeving nog relatief onbekend zijn, steeds een risico inhoudt.

1

Inhoudsopgave 1 Het bedrijf SCK•CEN 1.1 Situering van het ontwerp binnen het bedrijf SCK•CEN . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Laboratorium voor hoge en middelmatige activiteit . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Omschrijving van het ontwerpprobleem 2.1 De structuur van de hot-cell . . . . . . . . . . 2.1.1 De uitwendige structuur van de hot-cell 2.1.2 De inwendige structuur van de hot-cell 2.2 De te onderzoeken stukken . . . . . . . . . . . 2.2.1 De brandstofstaven . . . . . . . . . . . 2.2.2 Andere soorten stukken . . . . . . . . 2.3 De verschillende metingen . . . . . . . . . . . 2.3.1 Lengtemeting . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Diametermeting . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Meting van de oxidedikte . . . . . . . . 2.3.4 Integriteitsmeting . . . . . . . . . . . . 2.3.5 X-stralendoorlichting . . . . . . . . . . 2.3.6 Gamma-activiteitsmeting . . . . . . . . 2.3.7 Visueel onderzoek . . . . . . . . . . . . 2.3.8 Positiebepaling van het meetpunt . . . 2.4 De gewenste bewegingen . . . . . . . . . . . . 2.4.1 De translatie . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 De rotatie . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Redenen voor het herontwerp . . . . . . . . . 2.6 Speciale aandachtspunten . . . . . . . . . . . 2.7 Problemen in huidige situatie . . . . . . . . . 2.8 Quality Function Deployment(QFD)-tabel . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 8 8 9 9 9 10 11 11 11 11 11 11 12 12 12 12 12 12 13 13 13 13 13 14 15

3 De verschillende functies 17 3.1 Functionele decompositie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2 De mogelijke bewegingscombinaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4 Bespreking van de deelconcepten 4.1 De geleiding in de translatierichting . . . . . . . . . . . . . 4.2 De aandrijving voor de translatiebeweging . . . . . . . . . 4.3 De geleiding en de aandrijving voor de rotatiebeweging . . 4.4 De ondersteuning van de brandstofstaven . . . . . . . . . . 4.4.1 De vorm van de rollende oplegging . . . . . . . . . 4.4.2 Het wegklapmechanisme voor de rollende oplegging 4.4.3 De ondersteuning van de staaf in de tunnel . . . . . 4.5 De hoogteregeling tussen staven en meetstations . . . . . . 4.6 De lengtemeting en de positiebepaling op de staaf . . . . . 4.6.1 De concepten voor de axiale positiebepaling . . . . 4.6.2 De rotatieve positiebepaling op de staaf . . . . . . . 4.6.3 De meetprocedure voor de lengtemeting . . . . . . 4.7 De centrering v´o´or en na de meetstations . . . . . . . . . .

2

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

19 19 22 23 24 24 25 27 28 28 29 31 32 32

5 Detailuitwerking van het gekozen ontwerp 5.1 Het uitgewerkt totaalconcept . . . . . . . . . . . . . 5.2 Het klikmechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 De werking van het klikmechanisme . . . . . 5.2.2 De arm van het klikmechanisme . . . . . . . 5.2.3 De overige componenten . . . . . . . . . . . 5.3 De trolley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 De basisplaat van de trolley . . . . . . . . . 5.3.2 De componenten voor de translatiebeweging 5.3.3 De componenten voor de rotatiebeweging . . 5.3.4 De positiebepaling van het meetpunt . . . . 5.4 Het meetplateau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 De hoogteregeling van het meetplateau . . . 5.4.2 De meetcassette . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 De centrering van de brandstofstaaf . . . . . 5.5 Een kostprijsraming . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

A De functionele decompositie van de volledige hot-cell

34 34 34 35 37 38 40 41 43 46 48 48 48 49 50 50 56

B De concepten voor de collimator en de tafels tussen de meetbanken 57 B.1 De collimator voor de γ-activiteitsmeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 B.2 De tafels tussen de meetbanken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 C De technische tekeningen 60 C.1 Een overzicht van de plannen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 C.2 De passingen op de detailtekeningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 D Berekening van de boutverbindingen D.1 Nominale boutmaten . . . . . . . . . . . . . . . D.2 Vervormbaarheid . . . . . . . . . . . . . . . . . D.3 Zetgedrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D.4 Nodige montage-voorspankracht en bepaling van D.5 Controle van de vlaktedruk . . . . . . . . . . . D.6 Overzicht van de verschillende boutverbindingen E Het E.1 E.2 E.3 F De F.1 F.2 F.3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de sterkteklasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

62 62 62 63 63 64 64

eindige-elementenmodel van de klikarm 65 Belastingsgeval 1: rust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Belastingsgevallen 2 en 3: omhoogduwen en contact met de grendel . . . . . . . 65 Belastingsgeval 4: contact met meetbank bij vallen . . . . . . . . . . . . . . . . 67

dimensionering van de grendel voor het klikmechanisme Krachtwerking op de grendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionering op buiging van de grendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controle van de contactspanningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69 69 70 70

G De dimensionering van de cilindrische drukveer

72

H Sterkte- en stijfheidsberekening van de wormoverbrengingen H.1 Bepaling van de geometrie van de wormas en de tandheugel . . H.2 De belasting op de wormas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H.3 De sterkteberekeningen voor de wormoverbrenging . . . . . . . . H.4 De stijfheidsberekening van de wormas . . . . . . . . . . . . . .

73 73 73 74 74

3

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

H.5 Een overzicht van de wormoverbrengingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 I

Het eindige-elementenmodel van de trolley

76

J De dimensionering van een klempassing K Overzicht van catalogusuitreksels van K.1 Omnitrack kogelpotten . . . . . . . . K.2 Glijlagers van Spyraflo . . . . . . . . K.3 Kogellagers van SKF . . . . . . . . . K.4 Dubbel tandwiel van Atlanta . . . . . K.5 Tandheugel van Atlanta . . . . . . . K.6 Profielgeleiding van SKF . . . . . . . K.7 Klauwplaat van Forkardt . . . . . . . K.8 Verende kogelpot van Alwayse . . . .

de . . . . . . . . . . . . . . . .

4

79 componenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

80 80 81 82 83 84 85 86 87

Lijst van figuren 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

overzicht van het bedrijf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . schets van de huidige structuur van de hot-cell . . . . . . . . . . . . . . de vereenvoudigde functionele decompositie . . . . . . . . . . . . . . . . geleiding via een trolley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . geleiding via twee trolleys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . geleiding via een transportband . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . geleiding via aangedreven steunpunten . . . . . . . . . . . . . . . . . . aandrijving van de trolley met een staalband en twee trommelmotoren . concepten voor een oplegging met wieltjes . . . . . . . . . . . . . . . . concepten voor een oplegging met bolgeleiders . . . . . . . . . . . . . . wegklapmechanisme door omver duwen van de oplegging . . . . . . . . wegklapmechanisme via ontgrendelen van de oplegging . . . . . . . . . wegklapmechanisme met roterende aanslagen . . . . . . . . . . . . . . . wegklapmechanisme via een aangestuurd tweeramensysteem . . . . . . wegklapmechanisme via aangestuurde spoelen . . . . . . . . . . . . . . de ondersteuning in de tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . positiebepaling via een afrolkabel met rotatieve encoder . . . . . . . . . positiebepaling met een Magnescale-encoder . . . . . . . . . . . . . . . positiebepaling met een Digiruler-systeem . . . . . . . . . . . . . . . . positiebepaling met een magnetostrictieve encoder . . . . . . . . . . . . de procedure voor de lengtemeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . concepten voor de centrering van de brandstofstaaf . . . . . . . . . . . het uitgewerkt totaalconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . het klikmechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de werking van het klikmechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de vervorming van het klikmechanisme in rust . . . . . . . . . . . . . . de grendel van het klikmechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kogelpothouders met afrolbeveiliging en leidvlakje . . . . . . . . . . . . overzicht van de trolley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de kritische belasting op de trolley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . het 3D-model van de basisplaat van de trolley . . . . . . . . . . . . . . de vervorming van de basisplaat bij de kritische belasting . . . . . . . . overzicht van de geselecteerde componenten van het rotatiemechanisme de verschillende onderdelen van het meetplateau . . . . . . . . . . . . . de vergrendeling van de meetcassette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de centrering voor de brandstofstaaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de globale functionele decompositie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . verplaatsing van de collimatoren met een revolverkop . . . . . . . . . . verplaatsing van de collimatoren door verschuiving . . . . . . . . . . . . een collimatorsysteem met uitneembare modules . . . . . . . . . . . . . de uitwerking van het revolverkop-concept voor de collimator . . . . . . een scharnierende tafel met steun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . garagepoort-concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . omhoog en omlaag schuivende tafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de vergelijkingsspanning in de klikarm in rust . . . . . . . . . . . . . . de kracht Fs in functie van de hoek β . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de vergelijkingsspanning in de klikarm voor belastingsgeval 2 . . . . . . de vergelijkingsspanning in de klikarm voor belastingsgeval 3 . . . . . .

5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 9 17 19 19 20 21 23 24 25 25 26 26 26 27 28 29 30 30 30 32 33 34 35 36 37 39 40 41 42 43 43 46 49 50 51 56 57 57 57 58 58 59 59 65 66 67 67

49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

de hoekversnelling van de klikarm tijdens het vallen (α in functie van β) . . . . de vergelijkingsspanning in de klikarm voor belastingsgeval 4 . . . . . . . . . . . de geometrie van en de krachtwerking op de grendel van het klikmechanisme . . het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij omhoogduwen van het klikmechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij vergrendelen van het klikmechanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij rust . . . . . . . . . het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij een lineaire versnelling kogelpotten van Omnitrack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . glijlagers van Spyraflo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kogellagers van SKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . dubbel tandwiel van Atlanta (deel 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . dubbel tandwiel van Atlanta (deel 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kogellagers van SKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . profielgeleidingen van SKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . klauwplaat van Forkardt (deel 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . klauwplaat van Forkardt (deel 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . verende kogelpot van Alwayse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

68 68 69 77 77 78 78 80 81 82 83 83 84 85 86 86 87

Inleiding Het doel van dit ontwerp is om een verouderde meetinstallatie voor onderzoek op nucleaire brandstofstaven te moderniseren. Belangrijk hierbij is dat de huidige afschermende structuur van de ’hot-cell’ volledig behouden blijft. Een tweede belangrijke factor is dat er steeds rekening gehouden moet worden met de radioactieve eigenschappen van de brandstofstaven. In deze hot-cell gebeurt de hele bediening van de meetinstallatie door een operator via manipulatoren buiten de cel. Algemeen kan men stellen dat een ontwerp in een dergelijke nucleaire omgeving moet voldoen aan de volgende eisen: duurzaamheid, betrouwbaarheid en eenvoudige bediening. Om het ontwerpprobleem systematisch te kunnnen aanpakken, wordt het eerst opgesplitst in verscheidene deelproblemen. Na een kritische vergelijking van de gegenereerde conceptuele oplossingen voor deze deelproblemen, kan telkens het beste deelconcept naar voren geschoven worden. Door deze deelconcepten aan elkaar te koppelen ontstaat dan het totaalconcept. Dit concept kan dan volledig uitgewerkt worden, rekening houdend met de specifieke eisen voor het goed functioneren in een stralinsgomgeving. Het blijkt dat er heel wat moderniseringen mogelijk zijn aan de huidige installatie. Toch schuilt er ook een risico in die moderniseringen: men moet steeds overwegen of de mogelijke verbetering opweegt tegen het risico dat men neemt door een onbekende technologie in de cel te brengen.

7

1 1.1

Het bedrijf SCK•CEN Situering van het ontwerp binnen het bedrijf SCK•CEN

Het ”StudieCentrum voor Kernernergie”(SCK) of in het Frans ”le Centre d’Etude de l’´energie Nucl´eaire”(CEN) bevindt zich in Mol. Figuur 1 geeft een recente luchtfoto van SCK•CEN, waarop de verschillende gebouwen in de bosrijke omgeving staan.

Figuur 1: overzicht van het bedrijf Het SCK•CEN is een Stichting van Openbaar Nut, met een privaatrechtelijk statuut, onder voogdij van de Belgische federale minister van Energie. Het SCK•CEN telt ongeveer 600 medewerkers. De omzet bedraagt 80 miljoen euro per jaar. Het SCK•CEN werd opgericht in 1952 om de Belgische academische en industri¨ele wereld toegang te verschaffen tot de wereldwijde ontwikkeling van kernenergie. Sinds 1991 geeft de statutaire opdracht voorrang aan onderzoek over problemen met betrekking tot de samenleving: veiligheid van kerninstallaties, stralingsbescherming en veilige behandeling en berging van radioactief afval.

1.2

Laboratorium voor hoge en middelmatige activiteit

Het labo waarbinnen dit ontwerp zich bevindt, is het ”Laboratorium voor Hoge en Middelmatige Activiteit”(LHMA). Dit labo houdt zich bezig met de studie van stralingseffecten op materialen. In dit labo bevinden zich verschillen hot-cellen. Dit zijn ruimtes die zo geconstrueerd zijn dat men binnenin met materialen van hoge en matige stralingsactiviteit kan werken, zonder gevaar voor de buitenwereld en de operatoren. Deze hot-cellen zijn opgebouwd uit een structuur van lood en/of beton.

8

2

Omschrijving van het ontwerpprobleem

Het ontwerp behelst de herinrichting van de hot-cell 81 voor niet-destructief onderzoek op brandstofstaven uit kernreactoren. De resultaten van dit onderzoek dragen bij tot het kwalificeren en valideren van nieuwe types brandstof en tot het verbeteren van huidige brandstoftypes.

2.1 2.1.1

De structuur van de hot-cell De uitwendige structuur van de hot-cell

De inwendige afmetingen van de hot-cell zijn 7x3 m. In deze ruimte staat de hele meetinstallatie. De constructie van de hot-cell bestaat uit een luchtdichte kast uit Roestvast Staal (RVS) die voorkomt dat radioactieve elementen naar de omgeving kunnen migreren, met andere woorden de kast houdt radioactieve besmettingen tegen. Daarrond bevindt zich een betonnen structuur met een dikte van 1 m om de meer doordringbare β- en γ-straling tegen te houden.

Figuur 2: schets van de huidige structuur van de hot-cell Aan de voorzijde van de hot-cell bevinden zich drie ramen en aan de achterzijde ´e´en (figuur 2). Deze hebben ook een dikte van 1 m en bestaan uit gestabiliseerd (lood)glas. De operatoren kunnen zo binnenin de hot-cell kijken en hun handelingen zien. Het is echter onmogelijk om de hele hot-cell rechtstreeks te zien. Enkel met behulp van camera’s en spiegels kan men de hele hot-cell zien. Dit geeft een beperking aan het werkingsgebied binnenin. In de rechter zijwand is er een La Calh`ene sas met een diameter van 270 mm dat op elk moment rechtstreeks contact tussen de lucht in de hot-cell en de lucht van de omgeving vermijdt. Het sas dient ten eerste voor het binnenbrengen van staven en andere te onderzoeken 9

stukken. De stukken worden met een container naar dit sas gebracht. De container wordt dan aan het sas gekoppeld en dan kan het te onderzoeken stuk in de hot-cell schuiven. Anderzijds dient het sas voor normale herstellingen en onderhoud. Om bijvoorbeeld wisselstukken in de hot-cell te brengen, gebruikt men een La Calh`ene doos. Dit is een doos uit kunststof met een speciaal afsluitsysteem dat toelaat om de stukken in de hot-cell te brengen, zonder dat besmettingen in of uit de cel kunnen. De grootste La Calh`ene doos heeft een functionele diameter van 245 mm. Het is dus belangrijk dat bepaalde eenheden in de hot-cell niet groter zijn dan de dimensie van deze doos, zodat de herstelling en de eventuele vervanging hierlangs kan gebeuren. Aan de achterzijde van de hot-cell is er een loden deur. Deze deur wordt enkel gebruikt wanneer de hot-cell volledig gereinigd en ontsmet is. Dan kan een persoon, met een speciaal drukpak aan, de hot-cell betreden om grotere herstellingswerken of aanpassingen uit te voeren. Deze procedure vergt echter heel wat tijd en gebeurt om de 2 jaar. Belangrijk is dat zoveel mogelijk herstellingen via het sas en via manipulatie buiten de hot-cell kunnen plaatsvinden. De linkerzijde van de hot-cell grenst aan een andere hot-cell (hot-cell 80). Beneden in deze hot-cell bevinden er zich 3 tunnels. Twee van deze tunnels dienen om genoeg bewegingsruimte te hebben voor de te meten staven in hot-cell 81. De staven kunnen dus doorschuiven in deze tunnels. Het inwendige van de tunnels is echter niet zichtbaar voor de operatoren, een goede controle van de beweging van de staven in de tunnels is dus noodzakelijk. De derde tunnel behoort tot de meetinstallatie voor de X-stralenmeting in hot-cell 81(zie paragraaf 2.3.5). De uitwendige structuur van de hot-cell moet bewaard blijven. Dit betekent dat de nieuwe inrichting moet rekening houden van de plaats van bijvoorbeeld de tunnels, dat de hele installatie in deze beperkte ruimte moet inpassen en dat er geen extra doorgangen door de wanden mogen komen. De nieuwe installatie is dus gebonden aan de huidige structuur. 2.1.2

De inwendige structuur van de hot-cell

Momenteel staan er drie meetbanken waarop de metingen gebeuren. Een meetbank is een lange tafel waarop een gecontroleerd geleidingssysteem voor de brandstofstaaf staat en waar de verschillende metingen via uitwendige bediening plaats kunnen vinden. Meetbank 1 en 3 zijn zo opgesteld dat de staven in de respectievelijke tunnel kunnen schuiven. Meetbank 2 staat daartussen en heeft geen tunnel ter beschikking. In het nieuwe ontwerp moet het aantal meetbanken teruggebracht worden op twee, om meer bewegingsruimte toe te laten in de cel. Hierbij moeten echter wel alle meetfuncties die nu over de drie meetbanken verdeeld zijn op de twee meetbanken mogelijk zijn. De plaats van de twee nieuwe meetbanken is zo, dat gebruik van de tunnels mogelijk is, dus op de plaats van meetbank 1 en 3. In de hot-cell bevinden zich een aantal master-slave-manipulatoren. Dit zijn mechanische armen die van buiten uit met de hand of beperkt motorisch kunnen aangestuurd worden. Alle handelingen moeten dus mogelijk zijn met deze manipulatoren. Met deze manipulatoren kan men de te meten staven manipuleren en de meetinstallaties bedienen. Ook de normale herstellingen en het onderhoud gebeuren met deze manipulatoren. De hele werking van de meetbanken moet dus goed afgestemd zijn op de mogelijkheden van deze manipulatoren. Aan de achterwand van de hot-cell bevindt zich een inwendige opslagplaats voor staven. Hier kunnen staven liggen die op dat moment niet bemeten worden om de apparatuur in de hot-cell af te schermen van de straling.

10

In de hot-cell is er ook een aangedreven roltafel. Deze kan over de verschillende meetbanken rollen en dient voor het inwendige transport van de staven. Als een staaf binnenkomt doorheen het sas, legt men de staaf op de roltafel. Dan rolt men ofwel naar de gewenste meetbank of naar de opslagplaats.

2.2 2.2.1

De te onderzoeken stukken De brandstofstaven

De meeste testen in hot-cell 81 gebeuren op brandstofstaven. Brandstofstaven bevatten de brandstof voor kernreactoren, namelijk uraniumoxide of plutoniumoxides, onder de vorm van pastilles. Deze brandstofpastilles zijn omgeven door een huls uit een zirconiumlegering. De diameters van de staven die deze installatie moet kunnen testen liggen in een bereik van 5 tot 15 mm. De huidige standaarden voor de diameters zijn in opklimmende volgorde: 7.08; 9.5 en 10.75 mm. De lengtes van de staven kunnen gaan van 300 tot 4500 mm. Door de slankheid van deze brandstofstaven zijn ze buigzaam, met als gevolg dat een regelmatige ondersteuning nodig is. 2.2.2

Andere soorten stukken

Naast brandstofstaven gebeurt er ook onderzoek op platen die als brandstof gebruikt worden. Deze platen kunnen eventueel gebogen zijn. De standaardmaten van deze platen zijn: 70 mm breed en 1 m lang. Deze platen worden gemeten in de dwars- en de langsrichting. Het ontwerp moet dus toelaten om ook deze stukken te meten. De nadruk ligt echter wel op de brandstofstaven.

2.3

De verschillende metingen

Op de beide nieuwe meetbanken moet het mogelijk zijn een aantal metingen uit te voeren. Bij elke meting hoort een gewenste nauwkeurigheid, die door de opdrachtgevers in het bedrijf is vastgelegd. De nauwkeurigheden zijn gedefinieerd in een betrouwbaarheidsinterval van 68 %, dit houdt een spreiding in van ´e´en standaarddeviatie. Er zijn telkens nog een aantal andere vereisten waaraan het meetsysteem moet voldoen. 2.3.1

Lengtemeting

Deze meting geeft de lengte van de brandstofstaaf. Voor een meting vindt er steeds een ijking plaats a.d.h. van standaarden. Deze meting moet een herhaalbaarheid hebben van 0.02 mm. De totale onzekerheid, hierin zit onder andere ook de invloed van de operator en de omgeving vervat, moet 0.1 mm bedragen. De meetinstallatie voor de lengtemeting en de bijhorende meetprocedure moeten helemaal uitgewerkt worden. 2.3.2

Diametermeting

Het doel is om het verloop van de diameter over de hele staaf te meten. Per doorsnede moeten er twee onderling loodrechte simultane scans mogelijk zijn in plaats van slechts ´e´en scan in de huidige opstelling. De gebruikte opnemers voor de diametermeting zijn LVDT’s. Er dient vernieuwde technologie voor wat betreft de meetstiften toegepast te worden om de nonlineariteitsproblematiek van de meetstiften te elimineren, hetgeen de afstelling van de meting vereenvoudigt. De huidige precisie dient behouden te blijven: een herhaalbaarheid van 1 µm en een totale onzekerheid van 2 µm. 11

Meestal volgen de meetstiften een rechte lijn, parallel met de brandstofstaaf. Om de 0.5 mm vindt er dan een meting plaats. Een andere mogelijk meetprocedure is de spiraalmeting. Hierbij meet men de diameter op een spiraallijn rond de brandstofstaaf. Beide configuraties moeten mogelijk zijn. 2.3.3

Meting van de oxidedikte

Dit meetstation meet de dikte van de oxidelaag die zich bevindt op de brandstofstaaf. Het moet in staat zijn om vier simultane scans over de omtrek van de staaf uit te voeren over de volledige lengte van de staaf. De huidige precisie dient behouden te blijven, zo ook de huidige meettechniek: meting van de veranderlijke inductantie in een spoel, loodrecht op het meetoppervlak. 2.3.4

Integriteitsmeting

Deze meting dient voor het opmeten van interne of externe defecten aan de staaf via eddycurrent metingen, door middel van de meting van de veranderlijke inductantie van een spoel rond de staaf. De huidige methode dient behouden te blijven. De metingen moeten elkaar om de 0.25 mm opvolgen ten einde een goed beeld te krijgen van de eventuele defecten. Dit beeld is eerder kwalitatief dan kwantitatief. 2.3.5

X-stralendoorlichting

In de hot-cell is een X-stralenbron geplaatst. De X-stralen gaan door de staaf, gaan dan door een slit in de collimator en vallen dan in op een film, die zich onder de staaf in de cel bevindt. De collimator is nodig om te voorkomen dat de gamma-straling afkomstig van de brandstofstaven de meting verstoort. Het project omvat geen herontwerp van deze meettechniek. De X-stralenbron moet behouden blijven in het nieuwe ontwerp. Dit houdt in dat de positie van meetbank 3 vastligt, aangezien het niet werkbaar is om deze X-stralenbron van plaats te veranderen. 2.3.6

Gamma-activiteitsmeting

Bij deze meting wordt de stralingsactiviteit van de staaf opgemeten. Dit laat toe om het verbruik in de brandstofstaaf en het het vermogen dat de staaf bereikt heeft in de reactor, te bepalen. Het project bevat geen vernieuwing van de meettechniek, enkel een ontwerp van de collimator. Deze collimator voorkomt dat andere straling in de hot-cell de meting verstoort. Er moet de mogelijkheid zijn om van slit te veranderen. Er zijn namelijk enkele vaste afmetingen voor deze slitten, onder andere 0.5x25 mm en 4x25 mm. 2.3.7

Visueel onderzoek

In de hot-cell staat ook een macroscoop. Op deze manier kan de operator visueel de staven van naderbij bekijken. Deze installatie blijft behouden en hoeft dus niet herontworpen te worden. 2.3.8

Positiebepaling van het meetpunt

Bij alle metingen, behalve de lengtemeting, is het ook zeer belangrijk te weten waar de meting op de staaf gebeurt. Elke meting heeft dus nood aan een axiale en rotationele positiebepaling. De axiale meting van de positie moet een herhaalbaarheid hebben van 0.02 mm en een totale onzekerheid van 0.1 mm. Voor de hoekbepaling is een maximale totale onzekerheid van 1 graad vereist. 12

2.4 2.4.1

De gewenste bewegingen De translatie

Voor de metingen is het noodzakelijk dat er een translatiebeweging tussen de meetcassettes en de brandstofstaaf mogelijk is en dit volgens de langsrichting van de staaf: de lengtemeting, de diametermeting, de meting van de oxidedikte, de integriteitsmeting, de X-stralendoorlichting, de gamma-spectrometrie en het visueel onderzoek. Deze beweging moet zeer nauwkeurig naar bepaalde posities kunnen gaan. Zo dient er bij de meting van de oxidedikte om de 0.25 mm een meting plaats te vinden. Aangezien er veel metingen op een beperkt interval gebeuren, moet de minimale snelheid ook relatief laag liggen, namelijk 1 mm/min. Sommige metingen verlopen continu over de lengte van de staaf. Het is dus ook belangrijk dat de staaf met een constante snelheid kan bewegen. Als er geen meting aan de gang is, dan zijn hogere snelheden veroorloofd. De maximale snelheid voor de translatie is vastgelegd op 1500 mm/min. 2.4.2

De rotatie

Bij de metingen is er ook nood aan een rotatiebeweging rond de as van de staaf en relatief tussen de meetinstallatie en de brandstofstaaf, namelijk bij de diametermeting (spiraalmeting), de X-stralendoorlichting, de gamma-activiteitsmeting, de oxidediktemeting, de lengtemeting en het visueel onderzoek. Ook bij deze beweging ligt de nadruk op de nauwkeurigheid en zijn de minimale snelheden zeer laag: 0.015 toeren/min. De maximale snelheid is bepaald op 10 toeren/min.

2.5

Redenen voor het herontwerp

Er zijn een aantal belangrijke redenen voor het vernieuwen van de meetbanken. Ten eerste is er stralingsschade aanwezig op de meetbanken, door de langdurige blootstelling - de meetbanken doen al 15 `a 20 jaar dienst - aan hoge stralingsniveau’s. Daarenboven zijn de huidige meetbanken verouderd en is er nood aan modernisering en vernieuwing van de meettechnieken en meetinstallaties. Door deze verouderde structuur is ook het onderhoud moeilijker en intensiever. Tenslotte moeten de drie meetbanken vervangen worden door twee meetbanken met minstens dezelfde functionaliteit, om meer ruimte beschikbaar te hebben bij interventies.

2.6

Speciale aandachtspunten

Een zeer belangrijk aspect in dit ontwerp is de straling. De stralingsdosis wordt uitgedrukt in de eenheid gray (Gy) en geeft de energie per massa-eenheid aan die de straling uitzendt (Gy = J/kg). Tijdens een meting loopt de stralingsdosis op tot 10 `a 20 Gy/uur. Wanneer de staven opgeborgen liggen, blijft de straling in de hot-cell beperkt tot een 100 µGy/uur. De aanwezigheid van straling impliceert dat alle concepten stralingsresistent moeten zijn. In de literatuur is er niet zoveel informatie te vinden over het al dan niet standhouden van nieuwe systemen in een hoge stralingsomgeving. Een belangrijke consequentie van de straling is dat veel materialen sneller degraderen. Dit betekent dat deze materialen niet gebruikt kunnen worden ofwel op zeer regelmatige basis moeten vervangen worden. Kunststoffen houden bijvoorbeeld niet lang stand in de hoger genoemde stralingsniveau’s. Vooral zachte kunststoffen verbrossen veel sneller, zeker als ze regelmatig bewegingen ondergaan: ze brokkelen af en worden onbruikbaar. Het gebruik van 13

bijvoorbeeld een aandrijfriem in rubber is dus uit den boze. Elektronische systemen vormen ook een probleem in dit ontwerp. Onder andere het silicium dat de elektronische componenten bevatten, functioneert niet naar behoren in een stralingsomgeving. Het is dus onmogelijk om elektronica gebaseerd op halfgeleiders gewoon in de hot-cell te plaatsen. Als men genoodzaakt is om toch elektronische componenten te gebruiken, zijn er twee oplossingen. Als de elektronica zich niet noodzakelijk in de hot-cell moet bevinden, kan men deze buiten de hot-cell zetten. Een voorbeeld is een meetkop zonder elektronische componenten waarvan het meetsignaal rechtstreeks naar buiten wordt gestuurd, waar de verwerkende elektronica zich bevindt. Deze oplossing is echter niet altijd mogelijk, omdat dan de primaire signalen een hele weg moeten afleggen vooraleer ze buiten de hot-cell zijn. Een andere oplossing is de elektronica in de hot-cell af te schermen met een loden blok. Dit is moeilijker te verwezenlijken als de elektronische componenten bewegen. Alle handelingen in de hot-cell vinden plaats via manipulatoren. De hele installatie moet er dus op voorzien zijn dat de bediening, het onderhoud en eventuele kleine herstellingen met deze manipulatoren kan geschieden. Hiervoor is een eenvoudige (de)montage en een minimum aan onderhoud gewenst. Het werken met modules die eenvoudig in en uit de hot-cell kunnen gebracht worden via het La Calh`ene sas, biedt een uitstekende oplossing. Deze modules kunnen dan hersteld worden in een andere cel. De straling in de hot-cell zorgt ervoor dat alle componenten die in de hot-cell zijn geweest, radioactieve besmetting kunnen oplopen en afgevoerd dienen te worden als radioactief afval. Dit heeft als gevolg dat een vervanging van een component meteen meer kost, omwille van de kostprijs van de verwerking van het afval. Een vuistregel is dat de kost van een te vervangen component het dubbele is van de aankoopprijs. Een laatste punt is de hoge kostprijs van interventie. Dit impliceert dat de cel zo onderhoudsvrij mogelijk moet zijn, zodat er naast de routine-interventies zo weinig mogelijk interventies nodig zijn.

2.7

Problemen in huidige situatie

Aangezien dit een herontwerp is, is het nuttig om enkele problemen in de huidige installatie te bekijken. In de huidige opstelling draaien de brandstofstaven over wieltjes die enkel translatiebeweging toelaten. Hierdoor schuiven de staven tijdens de rotatie van de wieltjes af. Het materiaal van de wieltjes is RVS, omdat wieltjes uit teflon, die oorspronkelijk in het eerste ontwerp zaten, niet lang meegingen door de straling. Door het roteren over de wieltjes komen er afdrukken op de staven, hetgeen beter te vermijden valt. Bovendien gebeurt het soms dat de brandstofstaven door de wrijving bij het roteren rond hun as van de wieltjes afrollen. Bovendien zijn de wieltjes zeer onderhoudsintensief. Momenteel staan er pneumatische aandrijvingen in de hot-cell. Door de straling degradeert de bekabeling echter en zijn lekken een zeer groot probleem. De huidige positiebepaling gebeurt via de gegeven opdracht van de sturing naar de motor voor de translatie van de staaf, dit is een opgegeven aantal motorstappen. Als er echter slip optreedt of de stappenmotor hapert, is deze positiebepaling niet meer correct. Zo kunnen 14

er eventueel cumulatieve fouten ontstaan die niet onderschept kunnen worden.

2.8

Quality Function Deployment(QFD)-tabel

Tabel 1 geeft de QFD-tabel voor dit ontwerp. Deze tabel toont het belang van de verschillende klantvereisten voor de klant (hier SCK•CEN) aan.

Klantvereisten Onderhoud: - duurzaamheid - bereikbaarheid Nauwkeurigheid Eenvoud Betrouwbaarheid Moduleerbaarheid Investeringskost

Belang 14 12 18 14 14 12 10 94

Tabel 1: de QFD-tabel Het belang van het onderhoud krijgt veel punten. Dit is opgesplitst in duurzaamheid en bereikbaarheid. Als de componenten duurzaam zijn, dan is vervanging of een herstelling niet of niet vaak nodig. Als er dan toch een vervanging, herstelling of een noodzakelijk onderhoud vereist is, dan vergemakkelijkt een goede bereikbaarheid van de verschillende onderdelen deze handelingen. Alle onderhouds- en kleine herstellingswerkzaamheden gebeuren namelijk via de manipulatoren. Duurzaamheid en bereikbaarheid zijn dus twee belangrijke peilers voor het onderhoud. De nauwkeurigheid van de metingen krijgt nog een groter belang toegewezen. De metingen zijn eigenlijk het doel van deze hot-cell. Vandaar dat dit onderdeel de meeste punten krijgt toegewezen. Twee belangrijke onderdelen bepalen hoe goed de nauwkeurigheid is: het beperken van de non-lineariteiten en de herhaalbaarheid. Beiden moeten goed scoren om een goede nauwkeurigheid te hebben. De volgende klantvereiste is de eenvoud. Dit is vrij belangrijk. Als een systeem gebaseerd is op eenvoudige principes, dan is de kans op falen kleiner. Eens het systeem in werking is, kost het enorm veel moeite om eventuele fouten uit het systeem te halen omwille van de stralingsomgeving. Vandaar dat eenvoud voor dit ontwerp zeker een doel is. Het volgende punt leunt hierbij aan: betrouwbaarheid. Het systeem moet heel betrouwbaar zijn. Als het systeem met een brandstofstaaf bijvoorbeeld een onverwachte beweging doet, dan kan deze breken. Dit zou een moeilijke opkuis met zich meebrengen. Ook voor de metingen is het belangrijk dat de gewenste grootheden gemeten worden. Moduleerbaarheid betekent dat het systeem uit kleinere vervangbare componenten moet bestaan. Als er een component stuk is, dan is het mogelijk om via de doorgang in de zijkant een nieuwe component binnen te brengen en de falende component met behulp van de manipulatoren te vervangen. Op deze manier zijn herstellingswerken mogelijk. 15

De laatste klantvereiste is de investeringskost. Deze initi¨ele kost is van kleiner belang ten opzichte van bijvoorbeeld de betrouwbaarheid. Belangrijke factoren die meegerekend moeten worden in de totale kost zijn onderhouds- en herstellingskosten, onder andere voor interventie en verwerking van afval.

16

3 3.1

De verschillende functies Functionele decompositie

Een eerste functionele decompositie van de volledige installatie vertrekt van de indeling op basis van de verschillende metingen in de hot-cell. Deze globale functionele decompositie bevindt zich in bijlage A, maar schept weinig duidelijkheid. Omdat de metingen veel deelfuncties gemeenschappelijk hebben, ontstaat een veel overzichtelijker beeld, wanneer de functionele decompositie vereenvoudigd wordt tot de vorm in figuur 3.

Figuur 3: de vereenvoudigde functionele decompositie De eerste deelfunctie uit de functionele decompositie is de translatie. Deze functie is strikt nodig bij alle metingen, behalve bij de lengemeting. De translatiefunctie is op zijn beurt opgesplitst in een geleiding en een aandrijving. De geleiding moet de brandstofstaaf ondersteuning geven maar tegelijk ook de translatiebeweging mogelijk maken. De aandrijving zorgt dan voor de beweging zelf. De mogelijkheid bestaat dat een systeem deze twee functies tegelijk omvat, maar ook dit staat in de beginfase van het ontwerp nog niet vast. De tweede algemene deelfunctie van de meting is de rotatie. Deze meting is strikt noodzakelijk of gewenst bij de metingen. De rotatie is, zoals de translatie, opgesplitst in de geleiding en de aandrijving. Een volgende deelfunctie is de klemming. Tijdens elke meting is het noodzakelijk dat de brandstofstaaf op de gewenste plaats blijft liggen, vandaar de nood aan een systeem dat de klemming verzorgt. De meeste onderdelen hebben een sturing nodig. Eigenlijk is deze functie een deelfunctie van alle andere functies. Voor de eenvoud en de duidelijkheid staat de sturing bij elke meting maar ´e´en keer. De uitwerking van de sturing hoort niet tot dit ontwerp, vandaar dat het in het zwart staat in figuur 3. De functies in het blauw horen wel tot de uitwerking. De volgende deelfunctie is de meetfunctie. Deze omvat de signaalopvang, het doorsturen 17

van het signaal en het verwerken van het signaal. De eerste twee onderdelen behoren tot de uitwerking van dit ontwerp. Aangezien de brandstofstaven geen vaste diameter hebben, is het nodig om een systeem te voorzien dat ervoor zorgt de staaf op de juiste hoogt staat t.o.v. de meetprobe. Deze hoogteregeling is strikt nodig bij alle soorten metingen, behalve bij de lengtemeting. Net zoals de hoogteregeling dient de centrering voor een optimale plaatsing van de brandstofstaaf t.o.v. de meetprobes.

3.2

De mogelijke bewegingscombinaties

Er zijn 3 noodzakelijke relatieve bewegingen tussen de brandstofstaaf en de meetprobes: translatie, rotatie en hoogteregeling. In het algemeen kan ofwel de staaf de beweging maken, ofwel de meetprobe. Zo zijn er acht mogelijke combinaties. Enkele combinaties zijn echter praktisch onmogelijk door de beperkingen opgelegd door de bestaande hot-cell structuur. Translatie en rotatie van de meetinstallatie is niet voor elke meting mogelijk. De X-stralenbron en de collimatoren voor X-stralendoorlichting en gamma-activiteitsmeting staan namelijk vast. Het is dus onmogelijk om die een translatie- en/of een rotatiebeweging te laten uitvoeren. Voor deze metingen is dus een staaf nodig die kan transleren en roteren. Aangezien de staaf deze bewegingen kan maken, is het nutteloos dat de andere probes deze bewegingen nog zouden maken. De implementatie van de hoogteregeling staat wel nog open. Voor de gamma-activiteitsmeting speelt deze hoogteregeling een minder grote rol. Voor de X-stralendoorlichting moet de hoogte boven de collimator wel gekend zijn. Het is vooral bij de andere metingen dat deze regeling nodig is. Van de acht mogelijke bewegingscombinaties blijven er nu slechts twee over: • translatie en rotatie door de staaf, hoogteregeling door de staaf • translatie en rotatie door de staaf, hoogteregeling door de probes Uit deze twee mogelijkheden zal later de beste gekozen worden.

18

4

Bespreking van de deelconcepten

Na de bespreking van alle functies, geeft dit deel een invulling van deze functies met deelconcepten. Voor elke functie bestaat er ´e´en of meerdere mogelijke oplossingen. De volgende paragrafen geven een overzicht van deze mogelijkheden per functie. Een vergelijkende studie geeft dan telkens het beste concept. Er zijn ook een aantal aspecten van het ontwerp waarvoor wel concepten aanwezig zijn, maar waarvan een volledige uitwerking niet tot de kern van de meetbank behoren. Een overzicht van deze concepten is te vinden in bijlage B.

4.1

De geleiding in de translatierichting

Het geleidingssysteem moet de brandstofstaaf door de verschillende meetstations kunnen geleiden. Dit systeem moet samen met de aandrijving (zie 4.2) een constante snelheid kunnen voorzien. De metingen gebeuren namelijk terwijl de staaf in beweging is. Aangezien elke soort meting even lang duurt en er een vaste afstand is tussen de meetpunten, moet de snelheid dus goed bepaald en constant zijn. Daarnaast moet dit geleidingssysteem de staaf met een grote nauwkeurigheid naar bepaalde posities kunnen brengen. Een eerste mogelijk concept is dat van de trolley. Dit is een wagentje dat beweegt over een lineaire geleiding en dat de brandstofstaaf inklemt, om hem zo door de meetstations te geleiden. De staaf moet dan wel op verschillende punten ondersteund worden door een rollende oplegging (zie 4.4). Deze oplegging moet dan ook uit de weg kunnen gaan als de trolley voorbijkomt. Dit concept is weergegeven in figuur 4. Het grote voordeel van dit concept is dat de

Figuur 4: geleiding via een trolley staaf steeds ingeklemd is, waardoor via de positie van de trolley de positie van de staaf kan afgeleid worden. Doordat de staaf ingeklemd is, is er wel een klein gedeelte van de staaf dat niet gemeten kan worden. Dit euvel kan evenwel gedeeltelijk opgelost worden door een tussenstukje te plaatsen tussen de staaf en de trolley. Een variant van dit concept is een uitvoering met twee trolleys, zoals in figuur 5. De tweede

Figuur 5: geleiding via twee trolleys

19

trolley staat achter het meetstation en neemt de staaf over van de eerste trolley zodat ook het uiteinde van de brandstofstaaf volledig gemeten kan worden. Het voordeel dat de staaf is ingeklemd met daarbij de eenvoudige positiebepaling via de trolley blijft deels. Bij twee trolleys is het namelijk nodig om de positie van de beide trolleys bij te houden, dit maakt het concept iets complexer. Een andere reden dat het iets complexer wordt is dat de sturing moet voorzien dat de trolleys de staaf doorgeven zonder de meting stil te leggen. Hierbij mogen er geen spanningen optreden in de staaf door een eventueel snelheidsverschil tussen de twee trolleys. Dit zou kunnen leiden tot het beschadigen van de brandstofstaaf. Dit concept is ook duurder omdat de installatie van de trolley en de positiebepaling in tweevoud moet uitgevoerd worden. Een ander concept is dat van een transportband, zie figuur 6. Deze transportband is een

Figuur 6: geleiding via een transportband ketting van scharnierende schakels. Er is dan ´e´en transportband v´o´or en ´e´en na de meetcassettes. Op de transportband zijn op regelmatige afstand ondersteuningspunten voorzien. De staaf ligt dus op die steunpunten en beweegt mee met de band. Dit concept heeft weer als voordeel dat de hele lengte van de staaf meetbaar is. Bovendien is deze geleiding eventueel geschikt om de brandstofstaven verder in de tunnels te geleiden. Nadelen zijn de mogelijke slip tussen de brandstofstaaf en de transportband, de speling tussen de schakels, een moeilijkere positiebepaling en de verhoogde complexiteit. De mogelijke slip tussen de staaf en de transportband geeft een onzekerheid. Deze kan weggewerkt worden door de staaf op bepaalde plaatsen te klemmen op de schakels. Dit maakt het concept echter complexer omdat deze schakels op het gepaste moment weer moeten openspringen. Een andere manier om deze onzekerheid te lijf te gaan is een terugkoppeling op basis van een rechtstreekse positiebepaling op de staaf. Maar net deze positiebepaling is ook niet voor de hand liggend. Een mogelijkheid is om een positiebepaling uit te voeren via de transportband, maar dit brengt geen soelaas voor de slip. Een andere mogelijkheid is via een wieltje op de staaf. Ook hier kan er slip optreden, waardoor er een onzekerheid blijft. Een laatste mogelijkheid is om een vast referentiepunt te klemmen op de staaf en dan een positiebepaling te doen op dit referentiepunt.

20

De vierde mogelijkheid voor de geleiding van de staaf is om de rollende oplegpunten rechtstreeks aan te drijven. Dit kan ofwel door elk steunpunt individueel aan te drijven of door een gezamenlijke aandrijving met een overbrenging, zoals te zien is in figuur 7. Het grote voordeel van dit concept is de eenvoud. Daarnaast is er nog het feit dat een meting over de hele lengte van de staaf mogelijk is. Er zijn echter een aantal grote nadelen. Ten eerste is er de

Figuur 7: geleiding via aangedreven steunpunten introductie van niet-lineariteit door slip tussen de steunpunten en de brandstofstaaf. Bovendien is de rotatie van de staaf moeilijk te verwezenlijken. Verder heeft elk wieltje een aparte aandrijving en aansturing nodig, ofwel is er een overbrenging tussen alle wieltjes nodig. Tenslotte is er ook hier geen vast referentiepunt, wat de positiebepaling veel ingewikkelder maakt, zoals beschreven staat bij de transportband. De vergelijking van de verschillende concepten voor de geleiding in de translatierichting gebeurt hier met een waardetabel, zoals weergegeven in tabel 2. Hieruit blijkt dat het concept met ´e´en trolley het best aan de ontwerpspecificaties voldoet.

Vereiste Duurzaamheid - materiaal - mechanisme Bereikbaarheid Nauwkeurigheid Eenvoud Betrouwbaarheid Moduleerbaarheid Investeringskost Hele staaf meten Absolute positie

Belang

1 trolley

2 trolleys

14 7 7 12 18 14 14 12 10 8 16 118

4 3 4 4 3 4 3 3 2 5 429

4 3 4 4 2 4 3 2 5 4 413

Transport- Wieltjes band 4 2 2 2 3 3 2 3 5 1 296

3 3 4 2 3 4 4 3 5 1 358

Tabel 2: de waardetabel voor de geleiding in de translatierichting De doorslaggevende argumenten blijken de meting van de hele staaf te zijn en de absolute positiebepaling. Aangezien het bedrijf iets minder belang hecht aan de mogelijkheid om de staaf helemaal te meten, weegt het feit dat het concept van ´e´en trolley dit niet kan, minder door. Daartegenover staat het grote belang van de absolute positiebepaling, zodat de concepten met de transportband en de aangedreven wieltjes uit de boot vallen. Het concept met de twee trolleys moet het afleggen omdat de eenvoud en de kostprijs hier slechter scoren.

21

4.2

De aandrijving voor de translatiebeweging

Om de trolley te laten bewegen over de lineaire geleiding is een aandrijving nodig. Deze aandrijving moet een nauwkeurige positionering kunnen garanderen. Belangrijk is wel dat de positie van de trolley opgemeten wordt, waardoor men deze kan terugkoppelen naar de motorsturing. Ook voor deze aandrijving zijn er verschillende conceptuele mogelijkheden. Een eerste mogelijkheid is een aandrijving via een lineaire motor. Het belangrijkste voordeel hiervan is dat er geen overbrenging van een rotatie(-motor) naar translatie nodig is. Lineaire motoren laten ook een voldoende nauwkeurige positionering toe, wanneer er terugkoppeling van de positie mogelijk is. Een belangrijk nadeel is de kostprijs en de complexiteit: er moet namelijk een stator geplaatst worden over de hele lengte van de beweging (6 m). Een stator van zo’n lengte kost zeer veel en moet zeer nauwkeurig geplaatst worden. Een tweede concept bestaat erin om de trolley aan te drijven via een omloopspindel waarop een ring bevestigd is, vastgemaakt aan de trolley. Er zijn nu twee mogelijkheden voor de aandrijving: de spindel aandrijven of de ring aandrijven. Als de motor de spindel aandrijft, moet er geen motor op de trolley staan, hetgeen goed is voor de trillingen. Een nadeel is hier wel dat een zeer lange en zware spindel moet aangedreven worden, terwijl de nuttige verplaatste massa vrij klein is. Als de motor de ring aandrijft, dan volstaat een kleinere motor. Deze motor moet wel op de trolley geplaatst worden. Voor de ring zijn er ook nog 2 mogelijkheden: kogelomloop of rolomloop. De rolomloop is goedkoper, maar minder nauwkeurig. De nauwkeurigheid van de rolomloop, namelijk 150 µm, is echter goed genoeg. Eventuele voorspanning om speling bij het omkeren van de bewegingsrichting tegen te gaan, is mogelijk. Het belangrijkste nadeel is dat voor een overspanning van ongeveer 6 meter een zware en dure omloopspindel nodig is om de doorbuiging te beperken. Een omloopspindel uit RVS van 6 m, moet een diameter hebben van 65 tot 70 mm. De prijs voor de installatie van een omloopspindel komt op ongeveer ¤ 40 000. Een gelijkaardig concept is de aandrijving via een tandheugel. Een tandheugel heeft als voordeel dat er geen overspanning nodig is zoals bij de spindel: de tandheugel kan gewoon ondersteund worden. Bij dit concept moet de motor op de trolley staan en via een tandwiel gekoppeld zijn aan de tandheugel. De nauwkeurigheid van een systeem met een tandheugel is minder goed dan die van een omloopspindel, namelijk 350 µm over een bereik van 6 m. Met voorspanning kan de speling bij omkering van de bewegingsrichting ge¨elimineerd worden en de nauwkeurigheid verhoogd worden tot 210 µm. De lagere nauwkeurigheid van de tandheugel kan opgevangen worden door terugkoppeling van de positie van de trolley. Ook hier kan voorspanning eventuele speling bij omwisseling van bewegingsrichting tegengaan. De prijs van een tandheugel van 6 m ligt heel wat lager dan die van een spindel. Een laatste concept voor de aandrijving van de trolley maakt gebruik van een staalband of -kabel, vastgemaakt aan de trolley, die m.b.v. twee roterende trommelmotoren de trolley doet voortbewegen, zoals aangegeven in figuur 8. Dit is een zeer eenvoudige en goedkopere oplossing. Belangrijk hierbij is wel dat een goede regeling noodzakelijk is om een voldoende hoge herhaalbaarheid te behalen. Er moet bijvoorbeeld rekening gehouden worden met de verlenging van de staalband, die varieert met de lengte. Het grootste minpunt aan dit concept is het ontbreken van een referentie of een analoog werkend systeem over het gevraagde bereik van 6 m. Dit soort systeem wordt courant gebruikt over kortere afstanden. Een installatie van dit systeem houdt dus een zeker investeringsrisico in dat men bij het SCK•CEN niet kan nemen in een hot-cell. De vervanging van een falende component brengt zeer veel kosten met zich mee, waardoor de kostenbesparing direct teniet gedaan is.

22

Figuur 8: aandrijving van de trolley met een staalband en twee trommelmotoren Opnieuw kan een vergelijking via een waardetabel, zie tabel 3, uitsluitsel brengen over de keuze van het concept. Het concept met de tandheugel is het beste. De hoge kostprijs van een lineaire motor en van een omloopspindel wegen niet op tegen de betere nauwkeurigheid. In de tabel wordt de nauwkeurigheid zonder gebruik te maken van terugkoppeling vergeleken. Het concept van de staalband wordt niet toegepast, omwille van het gebrek aan een referentie. De tandheugel combineert een vrij goede eigen herhaalbaarheid (met gebruik van voorspanning) met een redelijke kostprijs. Vereiste

Belang

Duurzaamheid - Materiaal - Mechanisme Bereikbaarheid Nauwkeurigheid (zonder terugkoppeling) Eenvoud Betrouwbaarheid Moduleerbaarheid Investeringskost Aanwezige referentie

Lineaire motor

Omloopspindel

Tand- Staalband heugel

14 7 7 12 18

4 3 3 5

4 3 4 4

4 3 4 3

4 2 4 2

14 14 12 10 12 106

3 4 2 2 4 365

4 4 3 2 4 385

4 4 3 4 4 387

5 3 4 5 2 360

Tabel 3: de waardetabel voor de aandrijving van de trolley

4.3

De geleiding en de aandrijving voor de rotatiebeweging

Aangezien de brandstofstaven voor bepaalde metingen moeten kunnen roteren rond hun as, is er ook hier een ondersteuning, geleiding en aandrijving nodig. De geleiding en de ondersteuning van de staven gebeurt door dezelfde oplegging als voor de translatie. Deze oplegging wordt in detail besproken in paragraaf 4.4. De aandrijving van de staven bestaat uit een rotatieve stappenmotor die een klauwplaat, met daarin de vastgeklemde staaf, rechtstreeks aandrijft. Zowel de stappenmotor als de klauwplaat bevinden zich op de trolley, zodat de nodige bekabeling ook moet kunnen mee bewegen met de trolley.

23

4.4

De ondersteuning van de brandstofstaven

Om de brandstofstaaf voldoende stabiliteit te geven tijdens de meting en om te grote doorbuiging van de staaf te vermijden, moet de staaf regelmatig ondersteund worden. De ervaring leert dat ´e´en steunpunt per halve meter ervoor zorgt dat aan deze vereisten voldaan is. Omdat de brandstofstaven zowel transleren volgens de lengterichting en roteren rond hun as, moeten de opleggingen een zo klein mogelijke weerstand hebben tegen deze bewegingen. Vandaar de keuze voor een rollende oplegging. Bovendien moet de trolley, die de staaf inklemt, over de hele lengte van de hot-cell kunnen bewegen. De oplegging moet dus uit de weg kunnen gaan wanneer de trolley voorbijkomt. De verdere bespreking van dit concept werkt twee aspecten uit van de oplegging: de vorm en het wegklapmechanisme. 4.4.1

De vorm van de rollende oplegging

De vorm van de oplegging be¨ınvloedt de weerstand van de oplegging tegen de verschillende bewegingen van de staaf. Hieronder volgen enkele mogelijke uitwerkingen van deze vorm.

a) een hyperbolo¨ıde-vormig wieltje

b) twee cilindervormige wieltjes in V-vorm

Figuur 9: concepten voor een oplegging met wieltjes

Een eerste mogelijkheid is een hyperbolo¨ıde-vormig wieltje dat rolt volgens de translatierichting van de staaf, zoals aangegeven in figuur 9a. Hierdoor is er dus quasi geen weerstand in deze richting. Een belangrijk nadeel van dit concept is dat bij rotatie van de staaf er een sterke wrijving optreedt tussen staaf en wieltje, waardoor afdrukken kunnen ontstaan op de brandstofstaaf. Een alternatieve uitvoering van dit wieltje is twee cilindervormige wieltjes die in een V-vorm geplaatst worden, zoals in figuur 9b. Ook hier geldt weer het nadeel van de wrijving bij rotatie. Een eventueel voordeel aan deze configuratie is dat het wegklapmechanisme gebruik zou kunnen maken van een soort klapdeursysteem. Wegens de wrijving bij rotatie lijkt het gebruik van bolvormige opleggingen daarom aangewezen. Deze hebben bewegingsvrijheid in alle richtingen en zullen dus de staaf in al zijn bewegingsrichtingen kunnen geleiden, zonder een te grote wrijvingsweerstand. E´en manier om dit te verwezenlijken is met kogelpotten, namelijk door twee kogelpotten tegenover elkaar te plaatsen, zoals in figuur 10a. Een bijkomend voordeel is dat deze opstelling ook toelaat om gekromde platen te geleiden, wat sporadisch gebeurt in de hot-cell Een nadeel is wel dat bij een te grote verandering van de diameter de afstand tussen de kogelpotten moet 24

bijgeregeld worden. Bij de normale diameters (5 tot 15 mm), is dit echter niet nodig.

a) met twee kogelpotten

b) met bolgeleiders in een V-vorm

Figuur 10: concepten voor een oplegging met bolgeleiders

Ook hier is er weer een alternatief mogelijk, namelijk door het plaatsen van kogelgeleiders in een V-vorm, zoals in figuur 10b. Dit heeft als voordeel dat alle mogelijke diameters van de staven steeds passen in de oplegging. Belangrijke nadelen zijn de complexiteit en het feit dat deze geleiding niet als standaardproduct verkrijgbaar is, wat de prijs uiteraard de hoogte in jaagt. Het gekozen concept is dat van de kogelpotten. De belangrijkste redenen hiervoor zijn: de eenvoud, de mogelijkheid voor meting van verschillende geometrie¨en en de lage wrijvingsweerstand in alle bewegingsrichtingen van de brandstofstaaf. 4.4.2

Het wegklapmechanisme voor de rollende oplegging

Het wegklapmechanisme moet ervoor zorgen dat de oplegging uit de weg gaat wanneer de trolley aankomt. Er zijn 3 concepten zonder externe sturing en 2 met externe sturing. Een eerste concept zonder sturing omvat een verend opgestelde oplegging die gewoon door de trolley omvergeduwd wordt, wanneer deze voorbijkomt. Als de trolley weg is, veert de oplegging terug naar haar stabiele positie. Er zijn drie mogelijkheden, ingedeeld naar beweging: omver kantelen, naar beneden duwen en opzij duwen via klapdeuren. Figuur 11 geeft een voorbeeld van omver kantelen weer. Dit mechanisme is zuiver mechanisch en heeft geen aansturing nodig. Dit resulteert in een grotere betrouwbaarheid en eenvoud. Nadelig is dat de oplegging enkel naar beneden kan als de trolley ertegen duwt en men dus niet alle opleggingen handmatig kan neerleggen wanneer men dat wenst. Ook moet de rustpositie zeer stabiel zijn en mag de kracht die de trolley moet uitoefenen om de oplegging omver te duwen niet te hoog zijn. Dit zijn tegengestelde vereisten aan de vering die nodig is.

Figuur 11: wegklapmechanisme door omver duwen van de oplegging Een tweede optie is dat de trolley de oplegging ontgrendelt wanneer hij voorbijkomt en dat 25

de oplegging dan door haar eigen gewicht naar beneden valt, zoals op figuur 12. Als de trolley terugkeert, duwt hij de oplegging terug omhoog waardoor ze opnieuw vergrendeld wordt. Dit systeem heeft dezelfde voordelen als het voorgaande: betrouwbaarheid en eenvoud, maar heeft als bijkomende voordelen dat met de grendel de oplegging op elk moment kan losgemaakt worden en dat de rechtstaande positie stabiel is. Het enige nadeel is dat dit systeem maar in ´e´en richting werkt. Dit is echter niet erg, omdat de trolley de staaf altijd op het uiteinde klemt. Er zijn dus slechts aan ´e´en kant rechtstaande ondersteuningen nodig.

Figuur 12: wegklapmechanisme via ontgrendelen van de oplegging Een laatste systeem zonder externe aansturing maakt gebruik van roterende aanslagen, zoals in figuur 13. De trolley duwt tegen de aanslag waardoor de oplegging naar beneden kantelt. Als de trolley voorbij is, duwt hij tegen de andere aanslag en wordt via een overbrenging die de draaizin omkeert, de oplegging terug omhoog geduwd. Als de trolley uit de andere richting komt, duwt hij tegen de aanslag aan de andere kant, zodat hetzelfde gebeurt. Dit is opnieuw een betrouwbaar systeem, maar door de verschillende overbrengingen die nodig zijn (draaizin behoudend en draaizin omkerend) is het systeem onnodig complex.

Figuur 13: wegklapmechanisme met roterende aanslagen Een eerste concept met aansturing is een twee-ramensysteem, zoals aangegeven in figuur 14. Hierbij gaan de twee ramen afwisselend op en neer, zodat de trolley kan passeren. Het belangrijkste nadeel van dit systeem is de complexiteit: er is een aansturing nodig en de hele oplegging moet dubbel uitgevoerd worden. Er moet ook telkens een grote massa bewegen, hoewel dat bij de andere concepten niet het geval is.

Figuur 14: wegklapmechanisme via een aangestuurd tweeramensysteem 26

Een andere mogelijkheid met aandrijving is om via de positie van de trolley spoelen aan te sturen, zoals in figuur 15. Zij trekken de oplegging, verbonden met een ijzeren kern, naar beneden via een elektromagnetische kracht wanneer de trolley voorbijkomt. De belangrijkste nadelen zijn hier de complexiteit en de betrouwbaarheid. Een fout in de sturing geeft namelijk een botsing tussen de trolley en een ondersteuning.

Figuur 15: wegklapmechanisme via aangestuurde spoelen De ontwerptechniek van de QFD- en waardetabel laat toe om deze concepten met elkaar te vergelijken, zie tabel 4. Hieruit blijkt dat het concept van de mechanische ont- en vergrendeling het meest aangewezen is. Het is eenvoudig om de ondersteuningen te ontgrendelen als men zonder wil werken. Dit is niet mogelijk bij de concepten met de vering en de rotorend. Bij het grendelmechanisme zijn bovendien de ondersteuningspunten stabiel. Ook is er geen externe aansturing nodig, in tegenstelling tot het systeem met spoelen. Vereiste Duurzaamheid: - materiaal - mechanisme Bereikbaarheid Nauwkeurigheid Eenvoud Betrouwbaarheid Moduleerbaarheid Investeringskost Zonder trolley Belasting op trolley

Belang 14 7 7 12 18 14 14 12 10 12 10 130

Veer Grendel 4 3 4 2 4 4 3 4 2 3 375

Rotoren 2 ramen

4 3 4 4 4 4 3 4 5 3 447

4 2 3 4 3 4 2 3 4 3 380

4 3 3 4 3 3 2 2 5 5 395

Spoelen 4 4 4 4 3 3 3 3 5 5 436

Tabel 4: de waardetabel voor het neerklapmechanisme van de rollende oplegging

4.4.3

De ondersteuning van de staaf in de tunnel

Als de staaf de tunnel inschuift, moet er nog altijd een ondersteuning zijn, anders plooit de staaf te veel. Dit is niet goed voor de centrering voor de meting en er onstaat zo ook een kans op mechanische spanningen in de staaf. De ondersteuning in de tunnel heeft echter niet dezelfde vereisten als op de meetbank zelf. De ondersteuning moet namelijk niet kunnen wegklappen en er moet geen plaats tussen de ondersteuningen zijn. Het gekozen concept voor de ondersteuning in de tunnel is een buis waarin de staaf glijdt, zie figuur 16. In het begin van de tunnel heeft deze buis een grotere diameter, zodat platen 27

(max 1000 mm lang) nog een stuk de tunnel in kunnen gaan. Daarna versmalt de buis conisch tot een diameter van 20 mm. Doordat de staaf over een groot oppervlak glijdt, blijft de spanning door wrijving beperkt en is er zo ook geen gevaar voor afdrukken. Afdrukken komen enkel voor als de staaf wrijft over een kleine ondersteuning die een grotere lengte ondersteunt. De buis moet zo geconstrueerd zijn dat ze eenvoudig in en uit de tunnel kan geschoven worden. Er is dus nood aan steuntjes op regelmatige afstand.

Figuur 16: de ondersteuning in de tunnel

4.5

De hoogteregeling tussen staven en meetstations

Bij de metingen is het belangrijk dat de staaf steeds horizontaal ligt en dat het centrum van de staaf door het middelpunt van de meetstations gaat. Doordat verschillende staafdiameters voorkomen, is er een hoogteregeling nodig die garandeert dat de staaf steeds goed ondersteund is en vlot door de meetstations geleid wordt. Voor deze hoogteregeling zijn twee mogelijkheden: ofwel blijft de onderkant van de brandstofstaaf steeds op dezelfde hoogte ofwel de aslijn van de staaf. Bij de eerste optie, de onderzijde van de staaf steeds op dezelfde hoogte, blijven de steunpunten voor de staaf op dezelfde hoogte. Dit betekent ook dat enkel de hoogte van de meetstations, waar de staaf door moet glijden, en de klauwplaat op de trolley, die de staaf inklemt, in hoogte verstelbaar moeten zijn. Deze instelling van de hoogte kan geautomatiseerd zijn of handmatig gebeuren. De tweede optie, de aslijn van de staaf op dezelfde hoogte, houdt in dat de steunpunten van de staaf, dus de oplegging, in de hoogte regelbaar moeten zijn en dat de klauwplaat en de meetstations steeds op dezelfde hoogte blijven. Omdat elk steunpunt een hoogteregeling nodig heeft bij deze laatste optie, is dat heel wat complexer dan de eerste optie. Vandaar de keuze voor het eerste concept, waar slechts twee componenten in hoogte geregeld worden: klauwplaat en meetstation.

4.6

De lengtemeting en de positiebepaling op de staaf

E´en van de specificaties voor het systeem is een rechtstreekse positiebepaling van het meetpunt. Hierdoor is op elk ogenblik van de meting het meetpunt gekend en kan men de resultaten van de verschillende metingen beter interpreteren en met elkaar in verband brengen. Er is ook een lengtemeting van de brandstofstaven nodig. De eenvoudigste procedure voor deze lengtemeting is om de positie te bepalen van begin- en eindpunt van de staaf. Hieronder volgen 28

de concepten voor de positiebepaling op de staaf en de verdere uitwerking van de methode voor de lengtemeting. 4.6.1

De concepten voor de axiale positiebepaling

Een eerste concept voor de positiebepaling is via een wieltje dat over de staaf rolt en verbonden is met een rotatieve encoder. Dit is een zeer eenvoudige en goedkope oplossing, maar ze heeft een aantal belangrijke nadelen. Er kan namelijk slip optreden tussen het wieltje en de brandstofstaaf, wat niet-lineariteiten introduceert en dus een inherente onnauwkeurigheid. Men zou kunnen kiezen voor materialen die minder gemakkelijk schuiven zoals kunststoffen, maar in de stralingsomgeving zullen deze snel degraderen. Een wieltje biedt bovendien ook weerstand tegen de rotatie van de staaf, waardoor er zich krassen kunnen vormen op de staaf. Daarenboven moet de rotatieve encoder afgeschermd worden tegen de straling, om de inwendige elektronica te beschermen. Een tweede mogelijk concept bestaat erin om een afrolkabel met bijhorende rotatieve encoder te gebruiken. Door het uiteinde van de afrolkabel te verbinden met de trolley, kan de positie van de trolley bepaald worden uit de rotatie van de encoder, zie figuur 17. Het voordeel van deze techniek t.o.v. de vorige is dat er geen contact is met de brandstofstaaf, waardoor geen beschadigingen kunnen optreden. Ook hier is er echter een inherente onnauwkeurigheid, door de rek en de doorbuiging van de kabel, en moet een afscherming voor de encoder voorzien worden.

Figuur 17: positiebepaling via een afrolkabel met rotatieve encoder Een derde optie is een optische lineaire encoder. Hierbij kan de positie bepaald worden zonder omzetting van rotatie naar translatie. Deze encoder is wel duurder, zeker door de grote lengte. Een zeer groot nadeel is dat er zich elektronica in de bewegende leeskop bevindt. Deze elektronica is moeilijk af te schermen. Bovendien is het optische materiaal niet goed bestand tegen de straling. Het gebruik van een optische lineaire encoder is daarom uitgesloten. Een variant op de vorige techniek is de magnetische lineaire encoder. Er zijn drie types: een R R encoder gebaseerd op het Magnescale -principe, een encoder gebaseerd op het Digiruler principe en een encoder gebaseerd op het magnetostrictief effect. Bij het Magnescale-principe, type MSS-101 van Sony, glijdt een leeskop, in dit geval verbonden met de trolley, over een sinuso¨ıdaal gemagnetiseerde liniaal, zoals geschetst in figuur 18. Uit de waarde van de magnetisatie kan dan de positie relatief afgeleid worden. De nauwkeurigheid van deze Magnescale op 6 m is minder dan 20 µm (17.5 µm voor L = 6 m). Het grootste voordeel van deze encoder is dat hij volledig bestand is tegen straling en dat de benodigde elektronica eenvoudig buiten de hot-cell kan geplaatst worden. Het belangrijke nadeel is de hoge kostprijs van ongeveer ¤ 10 000.

29

Figuur 18: positiebepaling met een Magnescale-encoder Het Digiruler-principe maakt ook gebruik van een periodisch gemagnetiseerde meetlat, zoals afgebeeld in figuur . De opbouw van de meetlat is echter veel eenvoudiger, hetgeen resulteert in

Figuur 19: positiebepaling met een Digiruler-systeem een iets lagere nauwkeurigheid, namelijk 45 µm op 6 m, maar nog steeds voldoende ten opzichte van de gevraagde 0.1 mm (100µm). Een belangrijk voordeel is de veel lagere kostprijs, namelijk ¤ 3 000. Ook hier bevat de leeskop geen actieve elektronische componenten. Een bijkomend voordeel is echter dat de leeskop geen contact maakt met de liniaal, waardoor geen slijtage optreedt. De afstand tussen de leeskop en de liniaal moet ook niet zo nauwkeurig geregeld zijn, wat uiteraard ook een voordeel is.

Figuur 20: positiebepaling met een magnetostrictieve encoder Bij het magnetostrictief principe beweegt een gemagnetiseerde ring, verbonden met de trolley, over een buis, zie figuur 20. Op het einde van de buis staat een zender/ontvanger die stroompulsen uitstuurt. Deze pulsen worden weerkaatst door het magneetveld van de ring en bovendien wordt een torsiegolf opgewekt t.g.v. het magnetostrictief effect. Uit de propagatietijden kan de ontvanger dan de positie bepalen. Dit betekent dat de positiebepaling absoluut is. Bovendien kunnnen meerdere magneetringen op dezelfde liniaal geplaatst worden. Ook hier ligt de kostprijs rond ¤ 3000. Het belangrijkste nadeel van deze encoder is dat de zender/ontvanger elektronica bevat die niet of moeilijk naar buiten kan gebracht worden. Daarom moet dit gedeelte afgeschermd worden tegen straling. Een laatste concept voor de positiebepaling is een laserinterferometer. Via een spiegel op 30

de trolley kan door interferentie tussen uitgezonden en teruggekaatste straal de positie van de trolley bepaald worden. Ook hier bevat de zender elektronica, maar deze kan buiten de hotcell geplaatst worden en m.b.v. spiegels kan de straal binnengeleid worden. Dit binnenleiden van de straal vraagt echter een aanpassing van de betonstructuur van de hot-cell. Bovendien zijn er een aantal onzekerheden, zoals de duurzaamheid van de reflectoren en deviatie van de laserstraal, die de betrouwbaarheid van het systeem beperken. Ook de kostprijs is zeer hoog, namelijk ¤ 10 000. De vergelijking van deze verschillende concepten gebeurt opnieuw met een waardetabel, zie tabel 5. In deze tabel is de optische lineaire encoder niet meer opgenomen, omdat hij de nodige levensduur niet kan garanderen. Het gekozen concept is dat van de digiruler. Het concept met het wieltje en met de afrolkabel zijn niet gekozen omwille van de niet-lineariteiten die optreden en omdat afscherming noodzakelijk is. Deze afscherming bestaat uit een grote blok lood. Deze constructie brengt vrij hoge kosten met zich mee, vandaar dat het belang van deze vereiste behoorlijk is. De laserinterferometer valt af omdat de installatie zeer ingewikkeld zou zijn. Daarbij komt ook dat het een zeer dure oplossing is. Deze prijs weegt niet op tegen de zeer goede herhaalbaarheid. Het concept op basis van het magnetostrictieve effect scoort overal hetzelfde als de digiruler, enkel wat betreft de afscherming moet deze onder doen. De laatste afvaller is de Magnescale. Ook hier weegt de hoge kost niet op tegen de zeer goede herhaalbaarheid. Vereiste Duurzaamheid Bereikbaarheid Nauwkeurigheid Eenvoud Betrouwbaarheid Moduleerbaarheid Investeringskost Aanpassing nodig

Belang

Wieltje

14 12 18 14 14 12 10 12 106

2 3 3 3 3 4 4 2 314

Afrol- Magnekabel scale 3 5 2 3 2 5 2 3 3 5 3 3 4 2 2 5 272 424

Digiruler 4 3 4 5 5 3 3 5 430

Magnetostrictief 4 3 4 4 5 3 3 2 380

laser 4 3 5 3 4 2 2 3 360

Tabel 5: de waardetabel voor de positiebepaling

4.6.2

De rotatieve positiebepaling op de staaf

De rotatie van de staaf moet ook gekend zijn voor de metingen. Deze positie van de staaf moet gekend zijn met een nauwkeurigheid van 1 graad. Hiervoor zijn twee mogelijkheden. Een eerste concept is het plaatsen van een (optische) rotatieve encoder op de stappenmotor. Een belangrijk nadeel is dat deze encoder volledig moet afgeschermd worden van de straling door een loden structuur. Een tweede mogelijkheid is het schatten van de positie uit het stuursignaal, dit is een aantal stappen dat de motor moet draaien. Nadeel hierbij is dat haperingen van de motor en slip aan leiding kunnen geven tot een verkeerde schatting van de positie.

31

4.6.3

De meetprocedure voor de lengtemeting

De meetprocedure voor de lengtemeting is gebaseerd op het verschil tussen de positie van het begin en de positie van het einde van de staaf. De meetprocedure gaat als volgt (zie figuur 21): de operator legt een staaf op de rollende ondersteuningen en klemt de staaf vast in de klauwplaat. Er is een vaste aanslag in de klauwplaat aangebracht zodat een staaf telkens even ver in de klauwplaat wordt geschoven. Nadat de staaf vast zit beweegt de trolley samen met de staaf naar de meetcassettes. Daar staat een meetcassette die detecteert wanneer het einde van de staaf een bepaald punt bereikt. Dan stopt de beweging van de trolley. Als de plaats van het detectiepunt gekend is, is enkel nog de positie van de trolley nodig voor de berekening van de lengte.

Figuur 21: de procedure voor de lengtemeting Het detectiepunt in de meetcassette moet in principe enkel een puls doorgeven als de staaf er is. Het is echter ook mogelijk om meer te doen met dit detectiepunt. Zo kan deze detector ook een afstandsmeter zijn tot de staaf. Als de staaf dicht genoeg is, moet men enkel nog de beide afstanden optellen. Op deze manier hangt de nauwkeurigheid van de lengtemeting niet af van de nauwkeurigheid van de translatiebeweging. Nu hangt ze enkel af van de positiebepaling via de Digiruler en de afstandsmeting via de detector. Het is dus best dat de afstandsmeting in de meetcassette minstens zo nauwkeurig is als de positiebepaling. Er zijn verschillende mogelijkheden voor deze afstandssensor. Een eerste mogelijkheid is een capacitieve of inductieve contactloze verplaatsingssensor. Nadeel van deze techniek is dat deze sensoren een dwarse verplaatsing - loodrecht op de te meten lengte - waarnemen, waardoor het zeer moeilijk is om de gewenste axiale nauwkeurigheid te halen. Een tweede optie is een contactsensor, zoals een LVDT. Er zijn LVDT’s beschikbaar met een voldoende hoge nauwkeurigheid (bijvoorbeeld 1 µm). Het bedrijf gebruikt momenteel met succes LVDT’s voor de diametermeting. Daarom is het aangewezen om deze sensor te gebruiken in het detectiepunt.

4.7

De centrering v´ o´ or en na de meetstations

Om de brandstofstaaf op een stabiele manier door de verschillende meetstations te leiden, is naast de ondersteuning, ook een centrering nodig v´o´or en na het meetstation. Omdat de diameters van de brandstofstaven kunnen vari¨eren, moet het centreermechanisme ofwel met eenvoudige modules voor verschillende diameters werken ofwel een voldoende groot diameterbereik hebben. Een eerste mogelijkheid voor centrering is m.b.v. een klemmende kunststofring, zoals in figuur 22a. Bij dit principe moet voor de verschillende diameters telkens een andere ring geplaatst 32

a) een klemmende kunststofring

b) een driepuntscentrering

Figuur 22: concepten voor de centrering van de brandstofstaaf worden. Doordat de ring weerstand biedt tegen de beweging van de staaf, zou er slijtage kunnen optreden op de staaf. Deze zal echter niet groot zijn omwille van de zachtheid van de kunststof. De kunststof op zich zal wel verbrossen door de straling, waardoor regelmatige vervanging nodig zal zijn. Een ander concept bestaat uit een driepuntscentrering, zoals aangegeven in figuur 22b. Dit concept lijkt zeer goed op een klauwplaat. Het enige verschil is dat in plaats van de klempinnen van een klauwplaat er nu kogelpotten met inwendige vering komen. Door het systeem van een klauwplaat is de doorvoerdiameter variabel en moet de centrering niet verwisseld worden voor een andere diameter van een staaf. De inwendige vering van de kogelpotten zorgt er voor dat de staaf niet klem komt te zitten door eventuele plaatselijke verdikkingen. Dankzij de kogels is er ook minder weerstand tegen de translatie- en rotatiebeweging van de staaf. Het gekozen concept is dat van de driepuntscentrering. Dit mechanisme is complexer, maar is duurzamer en moet niet voor elke verschillende staafdiameter verwisseld worden.

33

5 5.1

Detailuitwerking van het gekozen ontwerp Het uitgewerkt totaalconcept

In figuur 23 staat het uitgewerkt totaalconcept. Er zijn drie belangrijke modules. Als eerste zijn er de klikmechanismes. Deze staan over de hele lengte van de tafel opgesteld. Op de figuur staat een rechtop staand en een neerliggend klikmechanisme. Een tweede belangrijke module is de trolley, die over de lengte van de tafel rijdt en zo de staaf voortbeweegt. De derde module is het meetplateau. Hierop gebeuren de metingen.

Figuur 23: het uitgewerkt totaalconcept De volgende paragrafen geven een overzicht van de verschillende componenten van deze modules. Deze paragrafen gaan dieper in op de berekeningen en selectie van de belangrijkste componenten. Een overzicht van de plannen met de samenstellings- en detailtekeningen is terug te vinden in bijlage C. Een berekening van een boutverbinding en de resultaten van alle boutverbindingen bevinden zich in bijlage D.

5.2

Het klikmechanisme

Het klikmechanisme heeft twee functies: ondersteuning van de staven en wegklikken als de trolley aankomt. Figuur 24 toont de uiteindelijke vorm van het klikmechanisme. Het klikmechanisme staat vast op een basisplaat. Deze wordt via stelpinnen op de tafel gepositioneerd en met bouten bevestigd. Op deze manier is het mogelijk om het klikmechanisme als ´e´en module weg te nemen, te vervangen en eventueel uit de hot-cell te brengen.

34

Figuur 24: het klikmechanisme De volgende puntjes leggen de werking van het klikken en de werking van de kogelpotten uit. Daarna volgen de sterkte- en stijfheidsberekeningen op de arm van het klikmechanisme en de selectie van de overige componenten. 5.2.1

De werking van het klikmechanisme

Het klikmechanisme blijft niet spontaan rechtstaan. Door de zwaartekracht zou het naar beneden klikken. Als het recht staat, houdt een grendel daarom de arm van het klikmechanisme tegen. Een veer drukt deze grendel in de uiterste positie. Aangezien het klikmechanisme in de baan van de trolley staat moet deze op het juiste moment wegklikken. Het vergrendelen en ontgrendelen gebeurt door de stootbalk en de ontgrendelaar, die aan de plaat van de trolley hangen (zie figuur 29). Het ontgrendelen (zie figuur 25a) gebeurt als de trolley van rechts naar links gaat. Dan duwt de ontgrendelaar het grendeltje opzij, dankzij de schuine kant aan het rechtopstaande beentje (zie nummertje 1 op figuur 27). Hierdoor valt het klikmechanisme naar beneden en is er plaats voor de trolley om te passeren. Het grendeltje veert automatisch terug en het klikmechanisme blijft plat liggen totdat de trolley terugkomt. Figuur 25b toont hoe de trolley het klikmechanisme weer recht duwt en vergrendelt. Dit gebeurt als de trolley van links naar rechts aankomt. De ontgrendelaar van de trolley duwt eerst de grendel opzij. Aangezien het klikmechanisme nog neer ligt, heeft dit geen gevolg. Als de trolley nog wat meer naar rechts rijdt, dan komt de stootbalk, die aan de trolley vast hangt, tegen het stootgedeelte van de arm van het klikmechanisme. Hierbij duwt de trolley het klikmechanisme 35

a) ontgrendelen

b) vergrendelen

Figuur 25: de werking van het klikmechanisme recht. Aangezien de stootbalk helemaal vooraan de trolley hangt, staat de trolley niet meer in de weg voor het recht komende klikmechanisme. Als het klikmechanisme bijna helemaal recht staat duwt het klikmechanisme de grendel opzij dankzij de schuine kant aan de bovenzijde van de grendel (zie nummertje 2 op figuur 27). Als het klikmechanisme helemaal recht staat veert de grendel terug en vergrendelt zo het klikmechanisme. Stel dat de stamper het klikmechanisme juist niet recht genoeg zou geduwd hebben, dan zou de grendel er net niet over schuiven, waardoor het klikmechanisme daarna opnieuw zou vallen. Daarom heeft de grendel aan de onderzijde ook een stukje met een schuine zijde (zie nummertje 3 op figuur 27), zodat de grendel steeds over de arm van het klikmechanisme schuift. De onderlinge positie van de grendel en het stootgedeelte van de arm ten opzichte van de stootbalk en de ontgrendelaar is belangrijk. De huidige configuratie zorgt er voor dat er geen fouten optreden. Als de trolley bijvoorbeeld van rechts komt, de grendel ontgrendelt en dan direct terugkeert, zal de stamper het klikmechanisme nog altijd rechtduwen. Als de trolley nu van links komt (het klikmechanisme ligt dan neer), de grendel opzij duwt (zonder gevolg) en daarna terug naar links gaat, geeft dit ook geen problemen: het klikmechanisme blijft liggen. De trolley kan bijgevolg op elke plaats van richting veranderen zonder dat er gevaar is voor blokkering. Om de bereikbaarheid van de onderdelen te vergroten, staat de grendel aan de zijde van de operator. Zo kan hij met behulp van een manipulator de grendel opzij duwen in het geval men dit zou wensen. Soms is het nodig om te werken zonder de ondersteuningen. Hiervoor bestaat de optie om de stamper, die vast hangt aan de trolley met een boutverbinding, weg te nemen. Op deze manier zal de trolley nergens een klikmechanisme rechtduwen. De trolley zal wel telkens de grendels opzij duwen. Dit vormt echter geen probleem voor een goede werking. Het klikmechanisme heeft een redelijk ingewikkelde configuratie. Maar alles is goed op elkaar afgestemd, zodat dit niet leidt tot een onbetrouwbaar mechanisme. Integendeel, door deze 36

configuratie zal de trolley nooit vastlopen op het klikmechanisme. 5.2.2

De arm van het klikmechanisme

De arm van het klikmechanisme is het element waarop alle andere componenten inwerken. Deze component moet voldoen aan zowel sterkte- als stijfheidsvereisten. De dimensionering gebeurt aan de hand van een eindige-elementenmodel in Femap. Dit model wordt getest op een aantal belasingsgevallen: • geval 1: het klikmechanisme staat vergrendeld rechtop en er ligt een staaf op, • geval 2: de stootbalk begint het klikmechanisme recht te duwen, • geval 3: het klikmechanisme is bijna rechtgeduwd en de arm van het klikmechanisme duwt de grendel opzij, • geval 4: het klikmechanisme valt op de tafel. Bij geval 1 is de doorbuiging van belang, die mag niet te groot zijn voor de nauwkeurigheid van de metingen. Bij de andere gevallen zijn de spanningen de bepalende factor. Het blijkt dat de stijfheid voor belastingsgeval 1 bepalend is voor de dimensionering. In wat volgt staat geval 1 verder toegelicht, de andere gevallen bevinden zich in bijlage E.

Figuur 26: de vervorming van het klikmechanisme in rust Figuur 26 geeft een beeld van de vervorming van het klikmechanisme in rust. Alle krachten in dit belastingsgeval zijn gewichten. De massa’s van de componenten die op de arm worden geplaatst staan in tabel 6. Bij de massa van het stuk brandstofstaaf dat steunt op het klikmechanisme staat een maximale waarde.

37

Component kogelpot kogelpothouder wormas en glijlagers stuk branstofstaaf dat er op steunt

Massa [kg] 0.1 0.15 0.2 3

Tabel 6: de massa’s van de componenten op het klikmechanisme Bij belastingsgeval 1 zijn er 3 plaatsen met randvoorwaarden. De twee plaatsen waar een kogellager staat, kunnen niet radiaal bewegen en de plaats waar de grendel is, kan niet omhoog bewegen. Figuur 26 geeft aan dat de maximale verplaatsing 80 µm is. Hierbij is de verticale verplaatsing van de kogelpotten kleiner dan 45 µm. Dit heeft als gevolg dat de invloed van de verticale verplaatsing van de steunpunten op de positiebepaling klein genoeg is (dit is een 2de -orde invloed) en ook de invloed op de metingen in de meetcassettes. De dimensies van de arm van het klikmechanisme staan op plan 30. Als productietechniek voor de arm van het klikmechanisme is frezen aangewezen voor de onderste plaat en de schuine balk. Daarop kan dan een plaat gelast worden. Het gekozen materiaal is X8CrNiS18-9, dit is austenitisch roestvast staal. De delen van de arm die contact maken met de grendel en de stootbalk worden oppervlaktegehard. 5.2.3

De overige componenten

Tabel 7 geeft de specificaties van enkele elementen van het klikmechanisme. De dimensies van de andere componenten zijn te vinden op de respectievelijke detailtekeningen. component veer

type cilindrische drukveer

glijlagers

Spyraflo PB - 6M - B

specificaties nominale diameter = 25 mm draaddiameter = 2.5 mm aantal windingen = 4.5 materiaal = X7CrNiAl177 K + A diameter kogel = 12.7 materiaal = RVS diameter = 6 mm modulus = 1 mm materiaal = G-CuSn12 80HB diameter = 6 mm

kogelpot

Omnitrack SP 4077

kogellagers

SKF 635

d = 5 mm

wormas

catalogus

www.omnitrack.co.uk zie bijlage K.1

www.spyraflo.com zie bijlage K.2 SKF-catalogus zie bijlage K.3

Tabel 7: de specificaties van de geselecteerde componenten van het klikmechanisme

Een belangrijke component bij het klikmechanisme is de grendel (figuur 27). De aanwezigheid van schuine vlakken is nodig voor de werking, zoals beschreven hierboven. Het schuine vlakje met nummer 1 op figuur 27 is nodig voor de ontgrendelaar. Het schuine vlakje 2 is nodig als de arm van het klikmechanisme de grendel opzij duwt. Tenslotte is het schuine vlak 3 noodzakelijk opdat de grendel zeker over de arm van het klikmechanisme zou schuiven, zoals hoger beschreven. Aangezien de grendel veel gaat schuiven over andere delen, bestaat de grendel uit 38

een oppervlaktegehard martensitisch roestvast staal: X39CrMo17-4.

Figuur 27: de grendel van het klikmechanisme Er zijn 4 afrondingen aangebracht. Deze afrondingen moeten getest worden op oppervlaktedrukken. De berekeningen van de oppervlaktedrukken steunen op de formule van Hertz. Als voorbeeld staat de berekening van de afrondingsstraal van het rechtopstaande beentje en de afronding op de ontgrendelaar op de plaat van de trolley. De afrondingsstralen zijn allebei ρ1 = ρ2 = 3 mm. Hieruit volgt de gereduceerde krommingsstraal: ρ1 · ρ2 = 1.5 mm (1) ρ= ρ1 + ρ2 De gereduceerde elasticiteitsmodulus is: E=

2 · E1 · E2 = 207692 N/mm2 E1 + E2

(2)

met E1 = 200 000 N/mm2 , materiaal van de trolley is X8CrNiS18-9 E2 = 216 000 N/mm2 , materiaal van de grendel is X39CrMo17-4 De contactspanning is dan volgens Roloff/Matek s F ·E σHertz = 0.175 · = 309.97 N/mm2 b·ρ

(3)

met b = 15 mm, de breedte van het contactoppervlak, F = 59.48 N, de contactkracht. Deze waarde ligt onder de vloeigrens van 500 N/mm2 , dus de afrondingen zijn goed gedimensioneerd. Een volledige dimensionering van de grendel is terug te vinden in bijlage F. De grendel glijdt in een grendelhouder. Om deze glijding goed te laten verlopen zijn de nodige passingen en ruwheden op de detailtekeningen van de respectievelijke componenten aangeduid. Het materiaal van de grendelhouder is lamellair gietijzer EN-GJL-200 en de grendel wordt oppervlaktegehard. Zo krijgt dit mechanisme goede glijdingseigenschappen en voldoende slijtvastheid. 39

Een cilindrische drukveer houdt de grendel in de juiste positie. De dimensionering van de veer steunt op de voorwaarde dat de veer de grendel over de arm van het klikmechanisme moet kunnen duwen als de arm net niet recht genoeg geduwd wordt door de stootbalk, zoals hierboven beschreven staat. De dimensionering van de veer staat in bijlage G.

Figuur 28: kogelpothouders met afrolbeveiliging en leidvlakje De kogelpotten zitten met schroefdraad vast in kogelpothouders. Op deze kogelpothouders staat bovenaan nog een afrolbeveiliging (zie figuur 28). Deze zorgen ervoor dat de brandstofstaaf niet ongewenst van de kogelpotten zou afrollen. Een ander probleem dat zich kan voordoen is dat de brandstofstaaf te veel buigt en dat de kop van de brandstofstaaf onder de kogels terecht komt. Dit zou voor blokkering en eventueel schade aan de brandstofstaaf kunnen leiden. Daarom staan er op de kogelpothouders twee leidvlakjes. Deze vlakjes geleiden de staaf naar de kogelpotten indien nodig. Deze twee leidvlakjes, ´e´en op elke kogelpothouder, kunnen over elkaar schuiven, zodat de geleiding van de brandstofstaaf goed blijft functioneren als de kogelpotten wat verder uit elkaar staan. De kogelpothouders zijn met behulp van een zwaluwstaartgeleiding vastgemaakt aan de arm van het klikmechanisme. Om de kogelpothouders goed te doen glijden over deze zwaluwstaart, zijn ze vervaardigd uit lamellair gietijzer EN-GJL-200. Het oppervlak op de arm van het klikmechanisme wordt gehard op de plaats van de zwaluwstaart. De nodige passingen en ruwheden zijn aangeduid op de respectievelijke detailtekeningen. Door deze ingrepen is een goede glijding en een lage slijtage verzekerd. Het systeem met de wormas dient voor de regeling van de positie van de kogelpotten. Bij normale staven (diameter 5 tot 15 mm) staan de kogelpothouders best tegen elkaar. Als er echter andere objecten gemeten worden zoals platen, is het handig als de kogelpotten uit elkaar kunnen geschoven worden. De wormas heeft een links- en een rechtsdraaiend deel. Deze grijpen in op een stukje tandheugel op de kogelpothouders. Door aan de wormas te draaien met behulp van een manipulator kan de positie van de kogelpotten geregeld worden. De sterkte- en stijfheidsberekening van de wormas staat in bijlage H. Bij de val van het klikmechanisme, treden de grootste krachten en spanningen op. Het zou best zijn als deze val enigszins gebroken kan worden. Een optie is om valkussentjes uit kunststof te plaatsen op de tafel. Deze moeten dan wel regelmatig vervangen worden.

5.3

De trolley

De trolley is het wagentje op lineaire geleidingen, zie figuur 29, dat de brandstofstaaf inklemt. Door de aansturing van de motoren kan de staaf dan op de gewenste manier door de meetstations 40

geleid worden. Hieronder worden de verschillende componenten van de trolley en de bijhorende selectie- en dimensioneringscriteria besproken.

Figuur 29: overzicht van de trolley

5.3.1

De basisplaat van de trolley

De basisstructuur van de trolley is een plaat die op 4 punten voorzien is van geleidingspunten. Op deze horizontale plaat zijn een aantal verticale platen bevestigd die nodig zijn voor het vastzetten van een aantal componenten op deze basisplaat. Bovendien zijn onderaan de trolley ook nog balkprofielen voorzien voor de werking van het klikmechanisme: een wegneembare stootbalk en een ontgrendelbalk. Tenslotte is er ook een bevestiging nodig voor de Digirulerleeskop die gebruikt wordt voor de bepaling van de positie. Voor de nauwkeurigheid en de betrouwbaarheid van het meetsysteem is het noodzakelijk dat deze basisplaat gedimensioneerd wordt op zowel sterkte als stijfheid. Er zijn een aantal belastingsgevallen die relevant zijn voor deze dimensionering: • geval 1: het omhoogduwen van het klikmechanisme wanneer de trolley een brandstofstaaf heeft ingeklemd, • geval 2: het ontgrendelen van het klikmechanisme wanneer de trolley een brandstofstaaf heeft ingeklemd, • geval 3: rust, de trolley staat stil en heeft een brandstofstaaf ingeklemd, • geval 4: de trolley versnelt en heeft een brandstofstaaf ingeklemd. Geval 1 blijkt voor zowel de sterkte als de stijfheid het kritische belastingsgeval te zijn. Een meer gedetailleerde beschrijving van de krachtwerking tijdens dit belastingsgeval is terug te vinden in figuur 30 en tabel 8. Naast de aangeduide krachten werken ook nog het eigengewicht en de gewichten van de verschillende componenten in op de plaat. De dimensionering van de plaat gebeurt aan de hand van een eindige-elementenmodel in Femap. Het resultaat van deze dimensionering is weergegeven in figuur 31.

41

Figuur 30: de kritische belasting op de trolley Symbool Fta Ftz Tt Tr Fbw Fbg Fsv Fsa Fgw

Betekenis axiale kracht ten gevolge van de translatie zijwaartse kracht ten gevolge van de translatie (wegens schuine vertanding van het tandwiel) koppel geleverd door de motor voor de translatie koppel geleverd door de motor voor de rotatie wrijvingskracht tussen brandstofstaaf en steunpunten gewicht van de brandstofstaaf en de klauwplaat verticale kracht op de stootbalk axiale kracht op de stootbalk wrijvingskracht op de geleiding

Waarde 323 N 114 N 0.5 Nm 0.2 Nm 3.53 N 71.0 N 228 N 317 N 0.60 N

Tabel 8: de krachten op de trolley bij omhoogduwen van het klikmechanisme Het model is opgebouwd uit plaat-elementen, balk-elementen en massa-elementen. Om de belasting op een meer realistische manier te laten inwerken, zijn een aantal krachten en massa’s verdeeld over verschillende knopen. Bovendien bevinden er zich ook stijve balk-elementen loodrecht op de verschillende verticale platen om momentwerking van krachten buiten het vlak van de plaat te modelleren. De randvoorwaarden zijn aangebracht op de 4 geleidingspunten, figuur 31 (A), en de knopen waar de tandheugel ingrijpt op het tandwiel verbonden met de trolley, figuur 31 (B). De geleidingen blokkeren de horizontale en verticale translatierichtingen (X- en Y-richting). De axiale translatie (Z-richting) ligt vast via het contact met de tandheugel. De dimensionering van de onderdelen van de plaat vereist de volgende controles: de optredende mechanische spanningen en de vervormingen moeten toelaatbaar zijn. Bovendien zijn er ook constructieve beperkingen. Voor zowel de plaat-elementen als de balk-elementen is de maximale vergelijkingsspanning van belang. Deze spanning moet kleiner zijn dan σmax =

σbW N , K

(4)

waarin K = 4 de dynamische veiligheidsco¨effici¨ent en σbW N = 230 N/mm2 de toelaatbare buigwisselspanning van het materiaal X8CrNiS18-9 (Roloff/Matek tabel 1-1). Dit levert een toelaatbare spanning van 57.5 N/mm2 . Tabel 9 geeft voor elke onderdeel van de basisplaat de dimensies aan en de bepalende factor voor de dimensionering. De grenswaarde van 45 µm voor de vervorming is bepaald door de nauwkeurigheid van de positiebepaling. De maximale vervorming moet onder deze waarde liggen. Figuur 32 toont de vervorming in de basisplaat van de trolley voor het kritische belastingsgeval. Meer informatie over de andere belastingsgevallen is te vinden in bijlage I.

42

Figuur 31: het 3D-model van de basisplaat van de trolley

Figuur 32: de vervorming van de basisplaat bij de kritische belasting Als productietechniek voor de plaat is frezen aangewezen voor het vervaardigen van de onderzijde van de plaat en het grootste deel van de bovenzijde. De geleidingen bovenop de plaat moeten wel geslepen worden om een goede glijpassing te realiseren. Ook oppervlakteharding is aangewezen voor de slijtvastheid. De verticale platen voor de bevestiging van componenten kunnen via lassen met de plaat verbonden worden. Het gekozen materiaal is X8CrNiS18-9, dit is austenitisch roestvast staal. 5.3.2

De componenten voor de translatiebeweging

De aandrijflijn voor de translatiebeweging bestaat uit de volgende onderdelen: een servomotor, een wormoverbrenging, een dubbel tandwiel en een tandheugel. De geleiding van deze beweging gebeurt door lineaire profielgeleidingen. Tabel 10 geeft een overzicht van de geselecteerde componenten met hun belangrijkste specificaties. De specificaties van de andere componenten zijn terug te vinden op de respectievelijke detailtekeningen. Belangrijk in het ontwerp van

43

Nummer (figuur 31) (1) (2) (3) (4) (5) (6)

Type

Dimensies

plaat plaat plaat balk balk balk

14 mm 10 mm 10 mm 20x12 mm 15x20 mm 57.3x44 mm

Bepalende factor

Waarde

vervorming inklempunt 44 µm inschroeflengte bout 6 mm inschroeflengte bout 10 mm spanning 6.79 N/mm2 spanning 14.7 N/mm2 bevestiging geleiding -

Grenswaarde 45 µm 6 mm 9.6 mm 57.5 N/mm2 57.5 N/mm2 -

Tabel 9: de dimensies en bepalende factoren voor de dimensionering van de trolley Component Dubbel tandwiel

Tandheugels (3)

Wormoverbrenging Servomotor

Profielgeleiding

Type Atlanta 74 93 320

Specificaties steekcirkel D = 63.66 mm modulus m = 3 mm vertandingshoek β = 19o 31’42” Atlanta 47 31 200 bereik L = 2000 mm modulus m = 3 mm vertandingshoek β = 19o 31’42” HPC Slimfit P70-30 koppel T = 40 Nm antibacklash overbrengingsverhouding 30:1 Vickers M2 030 nominaal koppel Tnom = 0.5 Nm nominaal vermogen Pnom = 0.15 kW nominaal toerental nnom = 3000 rpm SKF LLRHS 20 SU bereik L = 6000 mm

catalogus www.andantex.com zie bijlage K.4 www.andantex.com zie bijlage K.5 HPC-catalogus Vickers-catalogus

SKF linear motion zie bijlage K.6

Tabel 10: de specificaties van de geselecteerde componenten voor translatie deze aandrijflijn is het garanderen van de nodige nauwkeurigheid. Door de zeer nauwkeurige positiemeting (nauwkeurigheid 45 µm) kan via terugkoppeling van dit meetsignaal de motor aangestuurd worden, zodat de positionering en de beweging van de staaf mogelijk is tot op de gewenste nauwkeurigheid van 0.1 mm (100µm). Het is echter nog steeds belangrijk dat de herhaalbaarheid en de lineariteit van de aandrijving voldoende goed zijn om bij een continue meting (bijvoorbeeld een spiraalmeting) een geldige scan van de brandstofstaaf te maken. Daarom moeten effecten zoals speling, omkeerfouten en slip zoveel mogelijk vermeden worden. Voor de selectie van de tandheugel-tandwiel combinatie is vooral het effect van de speling bij het omkeren van de beweging van belang. Hiervoor zijn 3 courante oplossingen aanwezig: • mechanische voorspanning via twee tandwielen en een torsiekoppeling • mechanische voorspanning via een dubbel tandwiel • elektrische voorspanning via twee tandwielen en twee motoren De keuze voor een dubbel tandwiel is vrij vanzelfsprekend. De andere twee systemen zijn complexer en duurder en eerder geschikt voor hoge koppels, terwijl het nodige koppel hier slechts T = 10.3 Nm bedraagt. Dit volgt uit: T = Ttw = waarin: 44

Fta · D 2

(5)

Ttw het koppel op de tandwielas, Fta = 323 N, de kritische axiale reactiekracht van de tandheugel op de trolley, D = 63.66 mm, de steekcirkeldiameter van het tandwiel. Het principe van een dubbel tandwiel is dat door de geschraagde vertanding van de tandwielen steeds ´e´en van beiden ingrijpt op de tandheugel, waardoor de speling grotendeels ge¨elimineerd wordt. Een schuine vertanding resulteert bovendien in een zachtere loop van het tandwiel. Een ander belangrijk aspect voor de tandheugel is dat een bereik van 6 m nodig is. Vermits tandheugels van die lengte niet beschikbaar zijn, moeten verschillende stukken achter elkaar geplaatst worden. Dit is mogelijk via het aaneenschakelen van speciale tandheugelmodules. De wormoverbrenging zorgt voor een snelheidsreductie van de motor naar het ingrijpend tandwiel. Een wormoverbrenging laat toe om een vrij grote overbrengingsverhouding te realiseren in ´e´en stap. De keuze van deze verhouding bepaalt de resolutie van de motor naar de afgelegde afstand. Bij een reductie van 30 op 1 wordt de verplaatsing x van de trolley bij 1 toer van de motor: π·D = 6.7 mm (6) x= i waarin: D = 63.66 mm, de steekcirkeldiameter van het dubbel tandwiel i = 30, de reductie. Een ander aspect is opnieuw het vermijden van speling en hysteresis. Daarom is het aangewezen een spelingsvrije wormkast te nemen. Dit resulteert wel in een grotere wormkast voor een zelfde over te brengen koppel. De bevestiging van de tandwielas in de wormkast gebeurt met een spieverbinding en een borgring. De gebruikte motor is een servomotor, omdat die eenvoudig aanstuurbaar is. Het nodige motorkoppel kan bepaald worden uit het aandrijfkoppel T =10.3 Nm en de reductie i = 30. Hieruit volgt: Tmotor = Ti = 0.34 N m. Op basis hiervan kan men de motor selecteren. De koppeling van de motoras en de as van de wormkast is een starre koppeling via een klemkoppelbus. Voor de geleiding van de trolley zijn er drie klasses van mogelijkheden: lineaire kogelgeleidingen, profielgeleidingen en precisiegeleidingen. Deze laatste vereisen een volledig geslepen meetbank, zijn moeilijk te aligneren over een grote lengte en hebben bovendien een nauwkeurigheid die eigenlijk te groot is voor deze toepassing. Profielgeleidingen hebben als voordeel tegenover kogelgeleidingen dat ze ook een moment rond de as van de geleiding (bewegingsrichting) kunnen opnemen. De keuze voor een profielgeleiding is in deze toepassing noodzakelijk omdat de geleidingen asymmetrisch belast worden bij het vergrendelen en ontgrendelen van het klikmechanisme. Een tweede belangrijk selectiecriterium voor de geleiding is het bereik van 6 m. De controle op de belasting van de geleiding gebeurt aan de hand van een vergelijkingskracht P: P = Cx · Fx + Cy · Fy waarin Fx de kracht volgens de as van de geleiding, Fy de opwaartse kracht op de geleiding, Cx , Cy wegingsco¨effici¨enten.

45

(7)

Voor het kritische belastingsgeval (omhoogduwen van het klikmechanisme) levert dit P = 378 N. Vermits deze waarde van P kleiner is dan de kritische waarde C = 12400 N, voldoet de geleiding. De sterke overdimensionering is onder andere een gevolg van de keuze voor een geleiding met een bereik van 6 m. 5.3.3

De componenten voor de rotatiebeweging

De module voor de rotatiebeweging bevat een hoogteregeling en een aandrijflijn, zoals aangegeven in figuur 33. Ook hier is de nauwkeurigheid van belang, maar ze is minder kritisch dan bij de translatie: een hoeknauwkeurigheid van 1o moet gegarandeerd zijn. Tabel 11 geeft een overzicht van de geselecteerde componenten met hun belangrijkste specificaties. De specificaties van de andere componenten zijn terug te vinden op de respectievelijke detailtekeningen.

Component Klauwplaat

Type Forkardt 3AT+4

WormHPC Slimfit P40-20 overbrenging antibacklash Stappenmotor Zebotronics SM 56.1.18 J3

glijlager

Spyraflo PB-10-B

Specificaties binnendiameter d = 25.96 mm koppel T = 11 Nm overbrengingsverhouding 20:1 houdkoppel Th = 0.45 Nm werkingskoppel bij 200 rpm Tw = 0.4 Nm voeding 4.2 A per faze en 30 VDC binnendiameter d = 10 mm

catalogus www.forkardt.com zie bijlage K.7 HPC-catalogus Zebotronics-catalogus

www.spyraflo.com zie bijlage K.2

Tabel 11: de specificaties van de geselecteerde componenten voor rotatie

Figuur 33: overzicht van de geselecteerde componenten van het rotatiemechanisme De hele aandrijflijn voor rotatie is op een wigvormig plateau geplaatst, waardoor een hoogteregeling mogelijk is. Deze regeling is nodig omdat er staven met verschillende diameters moeten opgemeten kunnen worden. De hoogte van het inklempunt moet dan aangepast worden, zodat een 46

goede ondersteuning van de staaf gegarandeerd blijft. Het diameterbereik van de staven ligt tussen 5 en 15 mm. Er is dus theoretisch een maximale hoogte-aanpassing nodig van ∆R = ∆D = 5 mm nodig. 2 Het principe van de regeling is als volgt: door met de manipulator aan de wormas te draaien, grijpt de wormas in op een schuine tandheugel op de ondersteuningsblokken. Daardoor schuiven deze blokken naar elkaar toe of van elkaar weg, waardoor het wigvormig plateau naar omhoog respectievelijk omlaag beweegt. Om deze symmetrische beweging van de wormas te realiseren, is een wormas met een links- en een rechtsdraaiend deel nodig. De resultaten van de dimensionering van de wormas bevindt zich in bijlage H. De constructie is zo opgebouwd dat de resolutie voor de hoogte voldoende is. Het hoogteverschil h per toer van de wormas wordt gegeven door: h = z1 · m · π · tan(ζ) ≈ 1 mm, (8) waarin: z1 = 1, het aantal tanden op de wormas, m = 1.6 mm, de modulus van de wormoverbrenging, ζ = 15o , de hellingshoek van de wig (met de horizontale). Omdat de diameters toch een discreet aantal waarden hebben, kan de operator het mechanisme blokkeren in de gewenste stand met behulp van stelpinnen. De geleidingen in de verschillende onderdelen zorgen dat het geheel enkel kan bewegen in de gewenste richtingen. Om blokkeren te vermijden, worden de ondersteuningsblokken uitgevoerd in lamellair gietijzer EN-GJL-200. Dit zorgt voor een goede glijding bij minimale smering. Oppervlakteharding van de RVS-delen die onderhevig zijn aan sleet is wel aangewezen. De glijcombinatie gehard staal-gietijzer levert namelijk een goede slijtvastheid. De aandrijflijn is opgebouwd uit een stappenmotor, een wormoverbrenging en een klauwplaat. De klauwplaat is geselecteerd zodat ze de verschillende diameters kan klemmen. Ze is sterk overgedimensioneerd omdat klauwplaten gebruikt worden voor grote klemkrachten en -koppels en hoge draaisnelheden. De wormoverbrenging is opnieuw geselecteerd aan de hand van gevraagde resolutie voor de beweging en het over te brengen koppel T. Dit koppel is bepaald door de inertie en de wrijving van de staaf: T = Jeq · α + Mw = 3.3 N m, (9) waarin: Jeq = 8 10−3 kgm2 , de traagheid van staaf en motor teruggebracht op de staaf, α = 20 rad/s2 , de hoekversnelling van de staaf, Mw ≈ 0.1 Nm, het geschatte wrijvingskoppel. Bij een overbrengingsverhouding van 20:1 doet de klauwplaat 1 toer per 20 toeren van de motor. Op die manier haalt men zeker de nauwkeurigheid van 1o . De resolutie r van de beweging is namelijk: s r = = 0.1o (10) i waarin: s = 1.8o , de grootte van een motorstap, i = 20, de reductie.

47

Ook hier is de keuze voor een spelingsvrije wormkast aangewezen. De verbinding tussen klauwplaat en wormkast gebeurt met een klemmende flens op de as, die via een spieverbinding en een borgring vastgemaakt is in de wormkast. De berekening van deze klempassing is terug te vinden in bijlage J. Het kleine nodige koppel voor de motor laat toe om een stappenmotor te nemen: Tmotor = Ti = 0.17 N m met T = 3.3 Nm en i = 20. Bovendien is de aansturing van een stappenmotor vrij eenvoudig en kan men uit het stuursignaal naar de motor de positie schatten. De verbinding van de motoras met de overbrenging gebeurt met een klempassing, zoals berekend in bijlage J. 5.3.4

De positiebepaling van het meetpunt

Voor de positiebepaling van het meetpunt in de langsrichting wordt een Digiruler-systeem gebruikt. Deze magnetische meetlat heeft een meetnauwkeurigheid van: ±(15 + 5 · L) = 45 µm over een bereik van 6 m (L=6). Een overzicht van de nodige componenten en belangrijkste specificaties is terug te vinden in tabel 12. Deze componenten komen uit de catalogus ’Meetinstrumenten en -systemen’ van Schut. De leeskop van het systeem is bevestigd achteraan de trolley: hij is zo kort mogelijk tegen Component Type Leeskop, kabel en connector PL 60 Liniaal SL 331 Verlengkabel Detector en adapter

Specificaties Prijs (¤) lengte kabel: 3 m 292 meetbereik: 6000 mm 1 936 nauwkeurigheid: 45 µm CE08-15 lengte: 15 m 160 MJ 110 open collector 496

Tabel 12: de componenten van het Digiruler-meetsysteem de aslijn van de staaf geplaatst, om eventuele effecten van de belasting op de trolley zo goed mogelijk weer te geven. Aan de hand van kalibratie van de afstand tussen de meetcassette en de trolley met ingeklemde brandstofstaaf, kan de positie van het meetpunt op de staaf bepaald worden. De detector bevat actieve elektronische componenten en moet daarom buiten de hotcell geplaatst worden. Vandaar de nood voor een verlengkabel om het meetsignaal buiten de cel te brengen. De totale kost voor een meetsysteem op 1 meetbank is dan ¤ 2884. Voor de positiebepaling in de rotatierichting kan een schatting gebeuren aan de hand van het stuursignaal naar de stappenmotor of kan een rotatieve encoder, afgeschermd met een loodstructuur, op de stappenmotor geplaatst worden.

5.4

Het meetplateau

Het meetplateau bevat alle componenten die nodig zijn om de meting zelf uit te voeren: een meetcassette die de meetprobes bevat, een centrering voor en na de meetcassette en een hoogteregeling om meting van verschillende diameters toe te laten. Dit plateau is uitgevoerd als ´e´en module, zoals aangegeven op figuur 34. Dit laat toe om op een vrij eenvoudige manier het plateau te vervangen of aan te passen. 5.4.1

De hoogteregeling van het meetplateau

Het werkingsprincipe van de hoogteregeling is volledig analoog aan die van de aandrijflijn voor rotatie: via een vleugelmoer bedient de operator het wormwiel zodat door het uiteen of naar 48

Figuur 34: de verschillende onderdelen van het meetplateau elkaar schuiven van de steunblokken de wigvormige plaat naar beneden respectievelijk naar boven beweegt. Het mechanisme is zo gedimensioneerd dat het bereik van de hoogteregeling ongeveer 30 mm is. Het hoogteverschil h per toer van de wormas wordt gegeven door: h = z1 · m · π · tan(ζ) = 1.7 mm,

(11)

waarin: z1 = 1, het aantal tanden op de wormas, m = 3.15 mm, de modulus van de wormoverbrenging ζ = 15o , de hellingshoek van de wig (met de horizontale). De resultaten van de dimensionering van het wormwiel zijn terug te vinden in bijlage H. Net als bij de hoogteregeling van de aandrijving voor rotatie worden de steunblokken best uitgevoerd in lamellair gietijzer om een goede glijding te garanderen. De delen van de basisplaat en het wigvormig plateau die contact maken met de steunblokken worden oppervlaktegehard. 5.4.2

De meetcassette

De meetcassette bevat de meetprobes die gefixeerd zijn in hars. Er zijn verschillende soorten probes: probes voor kringstroommetingen, probes voor oxidediktemetingen en LVDT’s voor bijvoorbeeld diametermetingen. De meetvlakken van deze probes zijn gericht naar het centrum van de meetcassette: de staaf beweegt zich door de centrale opening in de cassette. De connectoren voor de probes kunnen ofwel in de wigvormige plaat verwerkt zitten of kunnen naast het hele plateau op de meetbank geplaatst worden, verbonden met de cassette via een kabel. Vanuit deze connectoren kan het meetsignaal buiten de cel geleid worden, waar de verwerking ervan plaatsvindt. De connectoren moeten toelaten om de verschillende types van meetprobes en -cassettes te gebruiken.

49

Figuur 35: de vergrendeling van de meetcassette Belangrijk is dat de meetcassette zich steeds op een vaste en stabiele positie bevindt. Daarom is het nodig om de cassette te vergrendelen. Figuur 35 verduidelijkt het principe van deze vergrendeling. Eerst plaatst de operator de meetcassette op het wigvormig plateau. De stelpinnen zorgen voor een correcte positionering. Dan schuift de operator de grendel over de zwaluwstaartgeleiding en over de lipjes van de meetcassette. De grendel drukt nu langs beide kanten op de meetcassettes, waardoor de cassette volledig vastgezet is. Ook hier is de grendel uitgevoerd in lamellair gietijzer. 5.4.3

De centrering van de brandstofstaaf

Om secundaire effecten zoals doorbuiging en excentriciteit van de brandstofstaaf zoveel mogelijk weg te werken is een centrering van de staaf nodig voor en na de meetcassette. Het is namelijk belangrijk dat de staaf symmetrisch door de opening in de cassette beweegt. Het principe van de centrering is als volgt: een klauwplaat met drie aangepaste klemmen waarop kogelpotten bevestigd zijn, zorgt voor een driepuntscentrering, zie figuur 36. De gebruikte klauwplaat is dezelfde als voor de klemming van de staaf: Forkardt 3AT+4 (catalogus op www.forkardt.com). De kogelpotten, Alwayse Hevi-Load φ12.7, zijn geveerd. Dit is zo gekozen opdat een kleine verdikking of een andere afwijking van de brandstofstaaf geen blokkering tot gevolg zou hebben (de maximale uitwijking van de veer is 2 mm en dit bij een belasting van 30 kg). De kogelpot staat in detail in bijlage K.8. De aangepaste klauwplaatklem is voorzien van een boutgat, zodat de kogelpot in de klem kan geschroefd worden.

5.5

Een kostprijsraming

Als besluit van de detailuitwerking komt er nog een raming van de totale kostprijs. Deze raming zal zeer ruw zijn. Het is namelijk zeer moeilijk om aan prijzen van componenten te geraken. Daarbij treden de volgende moeilijkheden op: • De productie van sommige componenten is zeer specifiek. Niet ieder bedrijf kan namelijk 50

Figuur 36: de centrering voor de brandstofstaaf stukken maken tot 6 m lang. Er bestaan dus bijgevolg ook geen eenvoudige prijslijsten van. • Er zijn vele componenten die moeten aangepast worden aan de stralingsomgeving, bijvoorbeeld plastic onderdelen vervangen door RVS onderdelen. Dit zorgt ervoor dat er geen standaard prijzen bestaan van deze aangepaste onderdelen. • De bedrijven zijn zeer karig met informatie over hun prijzen. Ze zijn niet geneigd om zelf prijsschattingen te maken. • De enige mogelijkheid die overblijft is om prijsoffertes te laten maken. Dit moet echter in samenspraak met het bedrijf gebeuren en daarbij moeten alle details gekend zijn. Als gevolg zijn er maar enkele componenten met een gekende prijs. Voor de andere componenten zijn ruwe schattingen de best mogelijke oplossing. De bedoeling van deze schattingen is een idee te geven van de grootte-orde van de totale kostprijs. Tabel 13 geeft de (schatting van de) kostprijs van de belangrijkste componenten. Aangezien het de bedoeling is om 2 meetbanken te plaatsen, moet men de totale prijs van de componenten vermenigvuldigen met 2. Component Prijs (¤) alle componenten van ´e´en digiruler 3000 de profielgeleiding 10 000 tandheugel en dubbel tandwiel 5000 servo-motor 1000 wormoverbrenging translatiebeweging 500 stappenmotor 500 wormoverbrenging rotatiebeweging 300 de overige componenten van de trolley 2000 een klikmechanisme 1000 een meetplateau 2000 tafel 15 000 totaal componenten van 1 meetbank ± 55 000 Tabel 13: de prijzen van de belangrijkste componenten

51

Bij de prijzen van de componenten moet nu nog de prijs van de installatie bijgeteld worden. Doordat deze installatie in een stralingsomgeving moet geplaatst worden, zijn de installatiekosten hier heel wat hoger dan anders. De prijs van de hele installatie zal vrij hoog zijn, ongeveer ¤200 000 tot 500 000. Het is daarom belangrijk dat de installatie 20 jaar kan verder werken, zonder grote (en in een hot-cell zeer dure) aanpassingen.

52

Besluit De ontworpen installatie bestaat uit een trolley die beweegt over lineaire profielgeleidingen en aangedreven wordt door een tandheugel via een servomotor op de trolley. Op de trolley is ook een klauwplaat voorzien om de brandstofstaaf in te klemmen en door de meetcassette te leiden. De klauwplaat is aandrijfbaar via een stappenmotor, zodat ook een rotatiebeweging rond de as mogelijk is. Om te grote doorbuiging van de brandstofstaaf te vermijden, is er op regelmatige afstanden een ondersteuning voorzien met kogelpotten. Deze zijn geplaatst op een klikmechanisme dat door de trolley ontgrendeld wordt als hij voorbijkomt. Hierdoor kan de trolley over de hele lengte van de cel heen en weer bewegen. Bij het terugkeren, duwt de trolley het klikmechanisme weer op zijn plaats, zodat de staaf weer ondersteund wordt. Bijkomende centreringen voor en na de meetcassette voorkomen te grote afwijkingen rond het meetpunt. Zowel de klauwplaat en haar aandrijving als het volledige meetplateau met meetcassette en centreringen zijn regelbaar in de hoogte. Hierdoor kunnen alle staven binnen het gewenste diameterbereik opgemeten worden. De rechtstreekse positiebepaling op de trolley met behulp van een Digiruler-meetlat, laat toe om de gewenste positienauwkeurigheid te halen, een lengtemeting uit te voeren en eventueel de positie van de trolley terug te koppelen naar de servomotor. Een aantal aspecten van het ontwerp kunnen nog verder uitgediept worden, zoals bijvoorbeeld de selectie en de plaatsing van de connectoren en de exacte opbouw van de verschillende meetcassettes.

53

Referenties boeken 1. Dieter Muhs, Herbert Wittel, Manfred Becker, Dieter Jannasch, Roloff/Matek machineonderdelen, Academic Service, Schoonhoven, theorieboek en tabellenboek, 2002 • hoofdstuk 1: Algemene grondbeginselen • hoofdstuk 2: Toleranties, passingen en oppervlaktegesteldheid • hoofdstuk 3: Sterkte en toelaatbare spanning • hoofdstuk 8: Schroefverbindingen • hoofdstuk 9: Penverbindingen, spanbussen en borgelementen • hoofdstuk 10: Elastische veren • hoofdstuk 12: Onderdelen voor het verbinden van assen en naven • hoofdstuk 13: Koppelingen en remmen • hoofdstuk 14: Wentellagers en -lageringen • hoofdstuk 23: Schroefwiel- en wormoverbrengingen 2. Budinski, Materiaalkunde voor technici, Academic Service, Schoonhoven, 2003, p 574 tot 595 3. John P. Bentley, Principles of Measurement Systems, Pearson Education Limited, Harlow, 1995

catalogi 1. Meetinstrumenten en -systemen, Schut 2. Guiding Systems, Linear Motion SKF 3. Roller screws, Linear Motion SKF 4. Ball screws, Linear Motion SKF 5. Stock Gears, KHK 6. Ball Transfer Units, Alwayse 7. Energief¨ uhrungsketten aus stahl, KabelSchlepp

internetadressen 1. www.stegmann.com: lineaire encoders 2. www.renishaw.com: lasers 3. www.skf.com: lagers 4. www.linearmotion.skf.com: lineaire geleidingen, omloopspindels 5. www.baldor.com: lineaire motoren

54

6. www.andantex.com: tandheugels, dubbel tandwielen 7. www.rockwellautomation.com: lineaire motoren 8. www.alwayse.co.uk: verende kogelpotten 9. www.forkardt.com: klauwplaten 10. www.spyraflo.com: glijlagers

persoonlijke communicatie 1. Bernard Brootcorne, SKF Linear Motion 2. Ren´e van der Slot, Renishaw 3. C. Swaans, Schut 4. Freddy Demerre, ABB

55

A

De functionele decompositie van de volledige hot-cell

Figuur 37 geeft een globale functionele decompositie. Het hoofddoel van deze hot-cell is meten. Daarom zijn de meetfuncties in deze functionele decompositie de hoofdfuncties. Elke meetfunctie heeft op zich een aantal deelfuncties nodig. Deze deelfuncties zijn niet bij alle metingen dezelfde.

Figuur 37: de globale functionele decompositie

56

B B.1

De concepten voor de collimator en de tafels tussen de meetbanken De collimator voor de γ-activiteitsmeting

Het doel van de collimator bij de γ-activiteitsmeting is de gamma-stralen afkomstig van de te meten staaf door te laten en de andere, interfererende straling weg te filteren. De collimatoren zijn in feite loden blokken van ongeveer 0.5 m lang waarin een sleuf is voorzien die de straling doorlaat. Afhankelijk van de meting heeft deze sleuf een andere afmeting. Er is dus een systeem nodig om de verschillende collimatormodules op het juiste moment boven de detector te plaatsen. Hiervoor zijn er drie concepten.

Figuur 38: verplaatsing van de collimatoren met een revolverkop Een eerste systeem is via een aangedreven revolverkop, zoals aangegeven in figuur 38. De voordelen hiervan zijn dat een nauwkeurige positionering mogelijk is en dat de nodige ruimte beperkt blijft. Een nadeel is dat de beweging moet aangestuurd worden door een motor en dat zo de automatisering de complexiteit verhoogt.

Figuur 39: verplaatsing van de collimatoren door verschuiving Een tweede mogelijkheid is een automatisch collimatorsysteem waarbij de verschillende modules verschuiven, zoals in figuur 39. Ook hierbij is nauwkeurige positionering mogelijk, maar er is een grotere hoeveelheid ruimte nodig.

Figuur 40: een collimatorsysteem met uitneembare modules Tenslotte is ook een systeem met uitneembare modules mogelijk, zoals in figuur 40. Het voordeel van dit systeem is dat het veel eenvoudiger is. Het belangrijkste nadeel is de moeilijkheid om voldoende nauwkeurigheid te garanderen zonder dat de modules onhandelbaar worden voor de operator. Bovendien is de plaats van de collimator moeilijk bereikbaar voor de manipulatoren. 57

De keuze voor de revolverkop is evident: er is een voldoende nauwkeurigheid haalbaar en beperkte hoeveelheid ruimte nodig. Een mogelijke uitwerking hiervan is weergegeven in figuur 41.

Figuur 41: de uitwerking van het revolverkop-concept voor de collimator

B.2

De tafels tussen de meetbanken

Doordat de operator van buiten de hot-cell allerhande gereedschappen moet bedienen met manipulatoren, gebeurt het dat er voorwerpen vallen tussen de meetbanken. Omdat de zichtbaarheid van buitenaf beperkt is, is het vaak niet mogelijk om die gereedschappen terug te vinden. Vandaar de nood om tussen de meetbanken een soort uitklapbare tafels te plaatsen: deze kunnen vallende voorwerpen opvangen, maar kunnen uit de weg geschoven worden voor bijvoorbeeld onderhoud. Hieronder volgen een aantal mogelijke concepten voor deze tafels.

Figuur 42: een scharnierende tafel met steun

58

Een eerste concept bestaat uit een eenvoudig scharnierend tafelblad, al dan niet met steun, zoals aangegeven in figuur 42 . De tussentafel scharniert rond de rand van de meettafel. De steun scharniert rond een punt op de tafelpoot en schuift in een rail die aan de onderkant van de tussentafel hangt. De positionering kan zowel met de manipulator als automatisch gebeuren. Er moet wel een blokkeringssysteem voorzien worden om de tafel in de horizontale stand te houden.

Figuur 43: garagepoort-concept Een tweede mogelijkheid is gelijkaardig aan het concept van een garagepoort: twee scharnierpunten schuiven in twee onderling loodrechte rails, zoals te zien is in figuur 43. Ook hier kan de aandrijving weer automatisch of handmatig gebeuren.

Figuur 44: omhoog en omlaag schuivende tafel Een laatste concept is een omhoog en omlaag schuivende tafel, zoals in figuur 44. Nadelen hiervan zijn de noodzaak voor een automatische aandrijving en de nodige overdimensionering van de tafel (men moet er kunnen op lopen voor bijvoorbeeld onderhoud). Het gekozen concept is het tweede, het garagepoort-concept. Bij dit concept is de positionering van de tafel immers zeer eenvoudig met de manipulator realiseerbaar en loopt de beweging van de tussentafel het meest vloeiend.

59

C C.1

De technische tekeningen Een overzicht van de plannen

Tabel 14 geeft een overzicht van alle plannen, zowel de samenstellings- als detailtekeningen. Van symmetrische componenten is telkens maar ´e´en detailtekening gemaakt. Plan nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Titel Samenstelling totaal Samenstelling trolley Samenstelling mechanisme voor motor rotatie Samenstelling meetpleau Samenstelling klikmechanisme Onderzijde koppeling translatie Bovenzijde koppeling translatie Stootbalk Plaat trolley Klemkoppeling Verbindingsas klauwplaat Vleugelmoer mechanisme motor rotatie Wormas mechanisme motor voor rotatie Ondersteuningsblok motor rotatie Stelpin motor rotatie Plaat motor rotatie Basisplaat meetplateau Flensplaat centrering Wormas meetplateau Vleugelmoer meetplateau Klauw Vergrendeling meetplateau Basisplaat klikmechanisme Grendelhouder Cilindrische drukveer Wormas klikmechanisme Afrolbeveiliging Kogelpothouder Vleugelmoer klikmechanisme Arm klikmechanisme Grendel klikmechanisme Steunblok meetplateau Meetcassette Meetplateau

Tabel 14: Overzicht van de technische tekeningen

60

C.2

De passingen op de detailtekeningen

Tabel 15 geeft van alle nodige passingen in dit ontwerp de soort passing, de nominale maat en de onderdelen waartussen de passing van toepassing is. component 1 (as) spie stappenmotor n4 wormoverbrenging rotatie n4 verbindingsas klauwplaat p5 verbindingsas klauwplaat k6 wormas motor rotatie h6 wormas motor rotatie h6 plaat motor rotatie h6 plaat trolley h6 stelpin motor rotatie e8 basisplaat meetplateau h6 meetplateau h6 wormas meetplateau h6 wormas meetplateau h6 meetplateau h6 grendel klikmechanisme h9 grendelhouder e8 wormas klikmechanisme h6 wormas klikmechanisme h6 arm van klikmechanisme h6

component 2 (naaf) maat passing bovenzijde koppeling translatie P9 5 vaste klemkoppeling H5 6.35 vaste klemkoppeling H5 8 vaste flensplaat H6 15 vaste wormoverbrenging H6 10 overgang vleugelmoer motor rotatie J7 5 overgang glijlager 10 glijdend ondersteuningsblok motor rotatie G7 10;20;5.18 glijdend ondersteuningsblok motor rotatie G7 10;5;5;5;15 glijdend ondersteuningsblok motor rotatie H8 10;20;5.18 overgang steunblok meetplateau G7 10;20;25;8.66;15 glijdend steunblok meetplateau G7 30;40;8.97 glijdend glijlager 25 glijdend vleugelmoer meetplateau J7 12 overgang vergrendeling meetplateau G7 15;8.3;12.5 klemmend grendelhouder F8 20;10 glijdend grendel klikmechanisme H8 2 glijdend glijlager 6 glijdend vleugelmoer klikmechanisme J7 4 overgang kogelpothouder G7 5;5;10 glijdend

Tabel 15: de passingen tussen de verschillende componenten

61

D

Berekening van de boutverbindingen

Als voorbeeld wordt de berekening van de boutverbinding tussen de wormoverbrenging van de motor voor rotatie van de staaf en de plaat van de trolley uitgewerkt. De bron voor deze berekeningen is Roloff/Matek.

D.1

Nominale boutmaten

De gekozen bouten zijn : 4 cilinderkopschroeven ISO 4762 M5x40 8.8. Hierbij is de diameter (d = 5 mm) bepaald door de grootte van de boutgaten in de wormoverbrenging. De nominale lengte volgt uit: L = L e + L k + L1 , (12) waarin Le = 1.2·d = 6 mm de ingeschroefde lengte, Lk = 32 mm de dikte van de geklemde delen, L1 = 0 mm de lengte vrij van schroefdraad. Hieruit volgt L = 38 mm en neemt men de lengte gelijk aan de eerstvolgende standaardlengte (Roloff/Matek tabel 8-9), dus L = 40 mm.

D.2

Vervormbaarheid

De vervormbaarheid van de totale schroef is: δS =

L2 0.5d 1 0.4d L1 ( + + + ), Es AN A 1 A2 A3

(13)

waarin: ET = 210 000 N/mm2 , de elasticiteitsmodulus van het schroefmateriaal, 2 AN = πd4 = 19.64 mm2 , de nominale doorsnede van de schroefdraad, A1 = AN , de doorsnede van het ingeschroefde deel, L2 = Lk - L1 = 32 mm, de lengte van de niet-ingeschroefde draad, A2 = A3 , de doorsnede van de niet-ingeschroefde draad, A3 = 12.69 mm2 , de kerndoorsnede (Roloff/Matek tabel 8-1). Dit levert δ S = 1.34 10−5 mm. De vervormbaarheid van de geklemde delen vindt men via de vergelijking: δT =

Lk , Averv · ET

waarin: ET = 210 000 N/mm2 , de elasticiteitsmodulus van het geklemde materiaal, Averv = π4 (d2w − d2h ) + π8 dw (DA − dw )[(x + 1)2 + 1]= 180.0 mm2 , de vervangingsdoorsnede, met:

62

(14)

DA = 40.5 mm, de uitwendige diameter van de geklemde bus, dw = 8.5 mm, de diameter van het draagvlak van de schroefkop (Roloff/Matek tabel 8-1), dh =q5.8 mm, de diameter van het doorvoergat, k ·dw = 0.55. x = 3 LD 2 A

Dit levert δ T = 8.47 10−7 mm.

D.3

Zetgedrag

Het voorspankrachtverlies ten gevolge van het zetten is: FZ =

fZ , δS + δT

(15)

waarin: fZ = 3.29( Ldk )0.34 10−3 = 6.18 10−6 mm, het zetverlies

D.4

Nodige montage-voorspankracht en bepaling van de sterkteklasse

De vereiste voorspankracht FV M hangt af van de belasting op de schroef en het zetverlies: FV M = FV M B + FV M D ,

(16)

waarin: FV M B = kA · (FB · (1 − Φ) + FZ ), met: FB = 0.96 N, de belasting volgens de as van de bout, T = 0.030, Φ = 0.5 · δSδ+δ T kA = 4, de dynamische aanhaalfactor, FV M D = kA · ( FµDD + FZ ), met: FD = 20.78 N, de belasting dwars op de as van de bout, µD = 0.12, de wrijvingsco¨effici¨ent in het contactvlak. Hieruit volgt de nodige voorspankracht FV M = 2983 N. Dit laat toe om de sterkteklasse van de bout te bepalen. Voor een bout M5, µ = 0.12 en sterkteklasse 8.8 geldt een spankracht Fsp = 6360 N (Roloff/Matek, tabel 8-14). Vermits Fsp > FV M is er aan de sterkte-eisen voldaan. Uit de montage-voorspankracht kan ook het nodige aanhaalmoment MA bepaald worden: MA = 0.17 · FV M · d = 2.53 N m.

63

(17)

D.5

Controle van de vlaktedruk

Een laatste controle is die van de vlaktedruk p. Dit is de druk op de geklemde delen. Er geldt: p=

(Fsp + Φ · FB ) , Ap

(18)

waarin: Ap = 26.9 mm2 , het draagvlak van de boutkop (Roloff/Matek, tabel 8-9). Dit levert p = 236 N/mm2 . De maximaal toelaatbare waarde voor p ligt hoger: pG = 351 N/mm2 voor X8CrNiS18-9 (Roloff/Matek tabel 1-1). Dit betekent dat aan de eis van de vlaktedruk voldaan is.

D.6

Overzicht van de verschillende boutverbindingen

Uit gelijkaardige berekeningen voor de andere boutverbindingen kunnen alle bouten gedimensioneerd worden. De belangrijkste resultaten bevinden zich in tabel 16. Locatie

Norm

geleiding - trolley grendelhouder - klikmechanisme huis kogellager - klikmechanisme klauwplaat - flens klikmechanisme - meetbank meetpleau - centrering motor rotatie - trolley motor translatie - overbrenging motor translatie - trolley overbrenging rotatie - trolley overbrenging translatie - trolley stootbalk - trolley worm kogelpotten - klikmechanisme worm meetplateau - basisplaat worm motor rotatie - trolley

Nominale maten ISO 4762 M5x55 ISO 4762 M5x12 ISO 4762 M5x16 ISO 4762 M5x12 ISO 4762 M10x25 ISO 4762 M8x20 ISO 4762 M5x12 ISO 4762 M5x16 ISO 4762 M5x16 ISO 4762 M5x40 DIN 6912 M8x70 ISO 4762 M5x25 ISO 4762 M6x16 ISO 4762 M12x30 ISO 4762 M6x16

Sterkteklasse 8.8 8.8 10.9 10.9 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 10.9 8.8 6.8 8.8

Tabel 16: Overzicht van de verschillende boutverbindingen

64

Aanhaalmoment MA [Nm] 1.90 4.64 7.83 5.88 35.04 5.98 3.90 3.74 3.72 2.53 5.32 5.98 5.71 23.94 5.84

E

Het eindige-elementenmodel van de klikarm

De dimensionering van de klikarm gebeurt aan de hand van een eindige-elementenmodel in Femap. Dit model is opgebouwd uit een aaneenschakeling van plaat-elementen en wordt getest op de volgende belasingsgevallen: • geval 1: het klikmechanisme staat vergrendeld rechtop en er ligt een staaf op, • geval 2: de stootbalk begint het klikmechanisme recht te duwen, • geval 3: het klikmechanisme is bijna recht geduwd en de arm van het klikmechanisme duwt de grendel opzij, • geval 4: het klikmechanisme valt op de tafel.

E.1

Belastingsgeval 1: rust

Dit belastingsgeval is al besproken in paragraaf 5.2.2. De kracht die de grendel dan uitoefent op de klikarm, Fg , volgt uit het momentenevenwicht: P Gi · hi , (19) Fg = hg waarin: Gi het gewicht van component i van het klikmechanisme, hi de hefboom van Gi ten opzichte van het scharnierpunt van de klikarm, hg de hefboom van de grendel ten opzichte van het scharnierpunt van de klikarm. Figuur 45 toont het spanningsverloop in dit geval.

Figuur 45: de vergelijkingsspanning in de klikarm in rust

E.2

Belastingsgevallen 2 en 3: omhoogduwen en contact met de grendel

De berekening van de inwerkende krachten gebeurt aan de hand van het momentenevenwicht van de klikarm. De contactkracht tussen de stootbalk van de trolley en het klikmechanisme bij 65

het rechtduwen, Fs , volgt uit:

P Fs (β) =

Gi · hi (β) , hs (β)

(20)

waarin: Gi het gewicht van component i van het klikmechanisme, hi (β) de hoekafhankelijke hefboom van Gi ten opzichte van het scharnierpunt van de klikarm, hs (β) de hoekafhankelijke hefboom van de stootbalk ten opzichte van het scharnierpunt van de klikarm , β de ogenblikkelijke hoek van het horizontale deel van de klikarm met de verticale (tijdens het recht duwen, positief in wijzerzin). Uit de geometrie van de klikarm en de stootbalk kan de hoek bepaald worden waarop de trolley en de klikarm contact maken, dit is het begin van het rechtduwen: βstart = -23.4o . Op een zeker moment zal de arm contact maken met de grendel, de hoek waarop dit gebeurt is βcontact = 0.7o . Vanaf dat moment treedt er een bijkomende kracht op van de grendel op de klikarm, bepaald door de kracht van de veer. Het verloop van de kracht Fs in functie van β (loopt van βstart tot βstop = -90o is te zien in figuur 46.

Figuur 46: de kracht Fs in functie van de hoek β Belastingsgeval 2 is nu het geval waarbij de kracht van de stootbalk op het klikmechanisme (Fs ) maximaal is. De randvoorwaarden zijn dan bepaald door de scharnierpunten en het contactpunt met de stootbalk van de trolley. Belastingsgeval 3 is het geval waarbij zowel de grendel als de stootbalk een kracht uitoefenen op de klikarm (het knikpunt in figuur 46). Hier zijn de randvoorwaarden bepaald door de scharnierpunten, de stootbalk en het contactpunt met de grendel. De spanningsverdelingen in de gevallen 2 en 3 zijn terug te vinden in respectievelijk figuren 47 en 48.

66

Figuur 47: de vergelijkingsspanning in de klikarm voor belastingsgeval 2

Figuur 48: de vergelijkingsspanning in de klikarm voor belastingsgeval 3

E.3

Belastingsgeval 4: contact met meetbank bij vallen

In dit geval is het hele mechanisme onderhevig aan een hoekversnelling α ten gevolge van het momenten-onevenwicht op de klikarm: α(β) =

Mres (β) Gi · hi (β) = , J J

(21)

waarin Mres het resulterend moment op de klikarm ten gevolge van de gewichten van de verschillende componenten, hi (β) de hoekafhankelijke hefboom van Gi ten opzichte van het scharnierpunt van de klikarm, J de traagheid van de klikarm rond het scharnierpunt. Het verloop van deze hoekversnelling tijdens het vallen, is te zien in figuur 49. Om de impact van de arm te bepalen met de meetbank, wordt gesteld dat de klikarm onderhevig is aan een hoekversnelling die een factor 5 groter is dan de berekende maximale hoekversnelling. 67

Figuur 49: de hoekversnelling van de klikarm tijdens het vallen (α in functie van β) De randvoorwaarden worden in dit geval bepaald door de contactpunten van de klikarm met de meetbank. Figuur 50 toont de spanningsverdeling in dit geval.

Figuur 50: de vergelijkingsspanning in de klikarm voor belastingsgeval 4

68

F

De dimensionering van de grendel voor het klikmechanisme

F.1

Krachtwerking op de grendel

De basisgeometrie van de grendel en de bijhorende krachtwerking zijn te zien in figuur 51 en tabel 17. Uit de kracht die de grendel moet uitoefenen om de klikarm recht te houden, Fevenwicht ,

Figuur 51: de geometrie van en de krachtwerking op de grendel van het klikmechanisme volgt de reactiekracht op de onderzijde van de grendel: Fg1,onder = Fveer = K1 · Fevenwicht · tan(α1,o ),

(22)

waarin K1 = 2 een factor voor overdimensionering van de veer. Fveer is de veerkracht bij minimale indrukking. De factor K1 is nodig om te garanderen dat de veer de grendel zeker op zijn plaats kan drukken bij het vergrendelen. Bij het omhoogduwen zal op een bepaald moment de grendel contact maken met de klikarm 1 op figuur 51). Opnieuw zal de grendel de veerkracht moeten tegenwerken: ( Fg1,zijw = K2 · Fveer ,

(23)

waarbij K2 =1.2 uitdrukt dat deze kracht een percentage groter moet zijn door de grotere indrukking van de veer. 69

Symbool Fevenwicht Fg1,onder Fg1,zijw Fg1,vert Fg2,ax Fg2,zijw α1,o α1,b α2

Betekenis opwaartse kracht van klikarm op de grendel horizontale reactie op de onderkant van deel 1 tgv Fevenwicht zijwaartse kracht tgv omhoogduwen klikarm verticale kracht tgv omhoogduwen klikarm axiale kracht tgv ontgrendelen zijwaartse kracht tgv ontgrendelen de hoek van deel 1 onderaan met de horizontale de hoek van deel 1 bovenaan met de horizontale de halve tophoek van deel 2

Waarde 92.5 N 317 N 59.5 N 59.5 N 59.5 N 59.5 N 15o 45o 45o

Tabel 17: de krachten op de grendel en de bijhorende geometrie

2 op figuur 51, moet opnieuw de veerkracht overwonnen worden Bij het ontgrendelen, geval door de grendel: Fg2,zijw = K2 · Fveer . (24) Hieruit volgt ook de axiale kracht Fg2,ax die nodig is: Fg2,ax = Fg2,zijw · tan(90o − α2 ).

F.2

(25)

Dimensionering op buiging van de grendel

1 en De grendel kan beschouwd worden als een samengestelde balk met een horizontaal deel 2 een verticaal deel . Vermits beide delen steeds afzonderlijk belast worden, kan de dimensionering voor beide delen onafhankelijk van elkaar gebeuren. Het eerste deel ondergaat een axiale belasting Fg1,zijw en een buigbelasting Fg1,vert . Met de formules voor elastische druk- en buigspanningen wordt de totale normaalspanning dan: Fg1,zijw M1 · h21 + , σ1 = A1 I1

(26)

waarin A1 = 200 mm2 , de sectie van deel 1, I1 = 1667 mm4 , het oppervlaktetraagheidsmoment van deel 1, h1 = 10 mm, de hoogte van deel 1 M1 = Fg1,vert · L1 met L1 = 30 mm, de lengte van deel 1. N Hieruit volgt σ1 = 5.65 N/mm2 . Vermits σ1 < σbW = 93.7 N/mm2 met σbW N de buigwisK selspanning van het materiaal (Roloff/Matek, tabel 1-1) en K = 4 de dynamische veiligheidsco¨effici¨ent..

Voor deel 2 geldt op een gelijkaardige manier σ2 = 26.6 N/mm2 , zodat ook hier aan de sterkte voldaan is.

F.3

Controle van de contactspanningen

Op dezelfde manier als in 5.2.3 kunnen de Hertziaanse contactspanningen bepaald worden. Hieruit volgen de nodige afrondingsstralen voor de grendel. Deze zijn samengevat in tabel 18. 70

Locatie grendeltip verticaal deel vlak onderaan

Afrondingsstraal [mm] Contactspanning [N/mm2 ] 1 365 3 310 1.5 Tabel 18: de contactspanningen op de grendel

71

Grenswaarde [N/mm2 ] 500 500 500

G

De dimensionering van de cilindrische drukveer

Om de veer te dimensioneren zijn er een aantal vereisten nodig waaraan de veer moet voldoen. De berekening is gebaseerd op hoofdstuk 10 uit Roloff/Matek. Deze berekening stelt 2 krachten vast op 2 bepaalde uitwijkingen van de veer: • De minimale indrukking van de veer is als de grendel door de grendelhouder tegengehouden wordt om verder te schuiven. Hier moet de veer de grendel nog altijd over het klikmechanisme kunnen duwen. Deze vereiste kracht is Fmin = 49.5735 N. • De maximale indrukking van de veer is als de ontgrendelaar de grendel opzij duwt, dit is 10 mm verder. Om de dimensies van de veer niet te groot te maken, mag de kracht ondertussen verdubbelen naar Fmax = 99.1470 N. Aangezien de veerconstante een vaste waarde is, zal de maximale indrukking van de veer smax = 20 mm zijn en de minimale indrukking smin = 10 mm. De veer met volgende eigenschappen voldoet aan de vereisten: • nominale diameter D = 25 mm • de draaddiameter d = 2.5 mm • aantal actieve wikkelingen n = 2.5 en het totaal aantal wikkelingen nt = 4.5 • materiaal: draadsoort D, maatnauwkeurigheid B en koudgevormd staal niet-roestend X7CrNiAl177 K + A De veerconstante bekomt men als volgt: G · d4 = 5.0694 N/mm (27) 8 · D3 · n Deze veerconstante zorgt ervoor dat de krachten bij minimale en maximale indrukking gehaald worden. Nu is het nog nodig om de veer aan enkele sterkteberekeningen te onderwerpen. De eerste berekening geeft de schuifspanning bij maximale indrukking: w + 0.5 D k= met w = (28) w − 0.75 d Dit geeft voor de schuifspanning: k · Fmax · D τschuif = = 458 N/mm2 (29) 2 · π·d2 3 R=

Aangezien de grensspanning τschuif,grens = 500 N/mm2 is, voldoet de veer aan deze voorwaarde. Nu moet nog nagekeken worden of de veer aan de blokspanning kan weerstaan. Dit is de spanning in de veer als de veer helemaal ingedrukt wordt. Deze indrukking is veer deze veer sblok = 24 mm. Hieruit volgt de kracht van de veer en de spanning: Fblok = R · sblok = 122.8 N τblok =

Fblok · D π 16·d3 2

= 1000 N/mm2

(30)

Aangezien de grensspanning τblok,grens = 1060 N/mm is, voldoet de veer ook aan deze voorwaarde. De eigenfrequentie van deze veer is f = 322.7 Hz. Aangezien de bewegingen traag gebeuren vormt dit ook geen probleem. 72

H

Sterkte- en stijfheidsberekening van de wormoverbrengingen

Als voorbeeld voor deze berekening dient de wormoverbrenging voor de regeling van de kogelpotten. De berekening is gebaseerd op hoofdstuk 23 uit Roloff/Matek.

H.1

Bepaling van de geometrie van de wormas en de tandheugel

Er zijn een aantal parameters voorhanden om de geometrie van een wormoverbrenging vast te leggen. In dit geval zijn de te kiezen parameters de modulus m, het aantal tanden op de wormas z1 en de diameter van de wormas dsh . Er moet wel aan een aantal voorwaarden voldaan zijn. Voor de diameterverhouding q geldt: q=

dm1 met 6 ≤ q < 17 m

(31)

waarin: dm1 = 1.4 · dsh + 2.5 · m, de referentiecirkeldiameter van de wormas. Voor de vertandingshoek γm moet gelden: 15 < γm ≤ 25

(32)

Na enige iteratie volgen hieruit de parameters: m = 1 mm, z1 = 2en dsh = 8 mm. Hiervoor geldt: γm ≈ 16o . √ Voor een goede ingrijping is de nodige lengte van de worm: L1,min = 2 · m · z2 + 1 = 4 mm voor z2 = 3, het aantal tanden van het wormwiel (in dit geval een tandheugel). De vereiste breedte van de tandheugel is b2 = 0.45 · ( da1 + 4 · m ) met da1 = dm1 + 2 · m, de topcirkeldiameter.

H.2

De belasting op de wormas

De axiale kracht op de wormas volgt uit: Fa1 = Ft2 = Fw = 4.12 N

(33)

met Ft2 de omtrekskracht op de tandheugel gelijk aan de wrijvingskracht Fw nodig om het gewicht van de kogelpotten te verplaatsen. De omtrekskracht op de wormas Ft1 is dan: Ft1 = Fa1 · tan(γm + ρacc ) = Fa2 = 1.66 N

(34)

met ρacc = 6o , de inwendige wrijvingshoek. De radiale kracht op de worm Fr1 is dan gelijk aan: Fr1 =

Ft1 · cos(ρacc ) · tan(αn ) = Fr2 = 1.61 N sin(γm + ρacc )

met αn = 20o , de drukhoek. 73

(35)

H.3

De sterkteberekeningen voor de wormoverbrenging

Een eerste controle is de flanksterkte. De voorwaarde hiervoor is: σHlim · Zh · ZN q ≥ SHmin = 1 SH = KA ZE · Zp · 1000 · T2 · a3

(36)

met σHlim = 265 N/mm2 , de vermoeiingscontactspanning (Roloff/Matek tabel 20-4 voor G-CuSn12 80HB) Zh , ZN , ZE , Zp correctiefactoren respectievelijk uit Roloff/Matek tabellen 23-5, 236, 20-4 en 23-7, T2 = 0.01 Nm, het over te dragen koppel, KA = 1, de bedrijfsfactor volgens Roloff/Matek tabel 3-5, = 6.9 mm, de asafstand. a = dm1 2 Hieruit volgt SH = 3.1, waardoor voldaan is aan de flanksterkte. Een tweede sterktecontrole is de tandvoetsterkte. Hiervoor geldt de volgende voorwaarde: SF =

Ulim · m · b2 ≥ SF min = 1 Ft2 · KA

(37)

met Ulim = 115 N/mm2 , de belastingsgrenswaarde (Roloff/Matek tabel 20-4 voor GCuSn12 80HB) b2 = 8.9 mm, de breedte van de tandheugel. Nu is SF  1, waardoor de overbrenging voldoet.

H.4

De stijfheidsberekening van de wormas

De doorbuiging van de wormas moet beperkt blijven. De voorwaarde hiervoor is SD =

fgrens ≥ SDmin = 0.5 . . . 1, fmax

(38)

waarin fgrens = 0.004 · m, de toelaatbare doorbuiging F1 ·l13 fmax = 48·E·I , de maximale doorbuiging met: p 2 F1 = Fr1 + Ft12 , E = 95000 N/mm2 , de stijfheid van G-CuSn12 80HB (Roloff/Matek tabel 1-3) l1 = 130 mm, π·d2 I = 4sh = 201 mm4 . Hieruit volgt SD = 0.72 > 0.5, waardoor aan de stijfheidsvoorwaarde voldaan is. Het is duidelijk dat deze laatste voorwaarde kritisch is.

H.5

Een overzicht van de wormoverbrengingen

Tabel 19 geeft een overzicht van de specificaties en de resultaten van de sterkte- en stijfheidsberekening. 74

Locatie kogelpotten rotatiemechanisme meetplateau

m [mm] 1 1.6 3.15

dsh [mm] z1 8 2 10 1 20 1

γm [o ] 15.9 15.6 15.4

SH [−] SF [−] 3.1 247 4.6 210 13 312

SD [−] 0.72 1.4 1

Tabel 19: de specificaties en de controleresultaten van de verschillende wormoverbrengingen

75

I

Het eindige-elementenmodel van de trolley

Het kritische belastingsgeval voor de basisplaat van de trolley is besproken in paragraaf 5.3.1. Tabel 20 geeft nog een overzicht van de krachtwerking voor de verschillende belastingsgevallen. De figuren 52, 53, 54 en 55 tonen de spanningsverdelingen in de verschillende belastingsgevallen. Belasting Fta [N ] Ftz [N ] Tt [N m] Tr [N m] Fbw [N ] Fbg [N ] Fsv [N ] Fsa [N ] Foz [N ] Foa [N ] Fgw [N ] a [m/s2 ]

Geval 1 Geval 2 omhoog duwen vergrendelen 323 71.4 114 25.4 0.5 0.5 0.2 0.2 3.53 3.53 71.0 71.0 228 157 317 248 66.3 66.3 0.61 0.61 -

Geval 3 Geval 4 rust versnellen 7.13 2.6 0.5 0.2 3.53 71.0 0.61 0.025

Tabel 20: de verschillende belastingsgevallen voor de basisplaat van de trolley

76

Figuur 52: het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij omhoogduwen van het klikmechanisme

Figuur 53: het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij vergrendelen van het klikmechanisme

77

Figuur 54: het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij rust

Figuur 55: het verloop van de vergelijkingsspanningen in de trolley bij een lineaire versnelling

78

J

De dimensionering van een klempassing

In dit ontwerp zijn er 2 plaatsen waar er een klempassing gebruikt wordt: de flensplaat van de klauwplaat voor de rotatiebeweging en de koppeling tussen de stappenmotor en de wormoverbrenging van die stappenmotor. Deze bijlage geeft de berekening en het resultaat van de passing van de flensplaat en de resultaten van de klemkoppeling. De berekening is gebaseerd op hoofdstuk 12 uit Roloff/Matek. De flensplaat is geklemd op een tussenas die in de wormoverbrenging steekt. De flensplaat heeft volgende afmetingen: • binnendiameter d = 0.01 m • buitendiameter D = 0.030 m T = 0.45/20 • lengte van contactoppervlak tussen flensplaat en de tussenas L = 0.020 m • het over te dragen koppel T = 0.0225 Nm Eerst wordt de minimale radiale druk berekend, die nodig is om het koppel over te dragen: pf =

KA · Ss · Ft 1 = 5.3715 · 104 P a d·π·L·µ

(39)

met de parameters KA = 1.0, Ss = 1.5 en de kracht Ft = 2 ·

T = 1.5 N d

(40)

Hieruit kan dan uiteindelijk het minimale verschil in maten tussen de naaf en de as berekend worden: sn,min = 4µm. Men kan dan ook een maximale radiale spanning berekenen. Die is hier pf,max = 1.97 108 Pa. Uit deze waarde verkrijgt men dan het maximale verschil in maten tussen de naaf en de as sn,max = 22µm. Tabel 21 geeft de resultaten voor de passing van de flensplaat en van de klemkoppeling. klemming klauwplaat klemkoppeling aan de zijde van de overbrenging klemkoppeling aan de zijde van de motor voor rotatie

Component flensplaat tussenas naaf as overbrenging naaf as motor

maat grenzen van de maat 10 H6 van 0 tot 11 µm 10 p5 van 18 tot 26 µm 8 H5 van 0 tot 5 µm 8 n4 van 10 tot 14 µm 6.35 H5 van 0 tot 5 µm 6.35 n4 van 10 tot 14 µm

Tabel 21: de resultaten van de klempassingen

Deze passingen staan aangeduid op de detailtekeningen van de respectievelijke componenten.

79

K K.1

Overzicht van catalogusuitreksels van de componenten Omnitrack kogelpotten

Figuur 56 toont de website http://www.omnitrack.co.uk/english site/1150 5018m.htm

Figuur 56: kogelpotten van Omnitrack

80

K.2

Glijlagers van Spyraflo

Figuur 57 toont de website http://www.spyraflo.com/specifications/bronze/index.html

Figuur 57: glijlagers van Spyraflo

81

K.3

Kogellagers van SKF

Figuur 58 toont de specificaties van de gekozen kogellager.

Figuur 58: kogellagers van SKF

82

K.4

Dubbel tandwiel van Atlanta

Figuren 59 en 60 tonen een uitreksel uit de catalogus van Atlanta die op internet te vinden is onder http://www.andantex.com/pdf/atlanta/atlanta.pdf

Figuur 59: dubbel tandwiel van Atlanta (deel 1)

Figuur 60: dubbel tandwiel van Atlanta (deel 2)

83

K.5

Tandheugel van Atlanta

Figuur 61 toont een uitreksel uit de catalogus van Atlanta die op internet te vinden is onder http://www.andantex.com/pdf/atlanta/atlanta.pdf

Figuur 61: kogellagers van SKF

84

K.6

Profielgeleiding van SKF

Figuur 62 toont een uitreksel uit de catalogus van SKF die op internet te vinden is onder http://www.linearmotion.skf.com/main/skfkey/url/hp sl skfkey sl action sl news

Figuur 62: profielgeleidingen van SKF

85

K.7

Klauwplaat van Forkardt

Figuren 63 en 64 tonen een uitreksel uit de catalogus van Forkardt die op internet te vinden is onder http://www.forkardt.com

Figuur 63: klauwplaat van Forkardt (deel 1)

Figuur 64: klauwplaat van Forkardt (deel 2)

86

K.8

Verende kogelpot van Alwayse

Figuur 65 toont een uitreksel uit de catalogus van Alwayse die op internet te vinden is onder http://www.alwayse.co.uk/en/products/range9.html

Figuur 65: verende kogelpot van Alwayse

87