一种核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具的制作方法

本发明涉及微动磨损领域，具体是一种核电燃料包壳管与格架刚凸体高温高压水中切向微动磨损试验夹具及其使用方法，用于压水堆核电燃料包壳管与格架刚凸体在高温高压一回路水中的切向微动磨损试验。

背景技术：

在压水反应堆中，燃料棒元件通过其包壳和格架间的摩擦力被夹持在燃料组件中。当反应堆工作时，冷却液流过燃料棒包壳管表面，造成燃料棒振动。这种流致振动是造成燃料棒包壳管与格架间产生微动磨损最主要的原因之一。位于一回路水中的包壳管是核安全的第一道重要防线，包壳管如果发生破裂.核电一回路侧介质的放射性会骤然增加，危及反应堆各回路安全，可能造成十分严重的后果。因此，深入理解锆合金包壳管的微动磨损行为，获得微动磨损速率和微动损伤模型，从而实现对包壳管的性能评价和寿命预估具有重要的工程意义，也有利于核电站的安全运行。在实验室模拟高温高压一回路水中，研究燃料包壳管的微动磨损是研究包壳管失效机理的一种有效手段，但是现有的夹具设计却无法满足试验要求。首先，刚凸体和燃料包壳管的尺寸小，常规的夹具难以夹持；其次，高温高压水(200～360℃，4～20mpa)环境苛刻，夹具的耐蚀性得不到保证。因此，研制能够用于高温高压一回路水环境中且能稳定可靠夹持刚凸体试样和包壳管试样的夹具是进行包壳管高温高压水微动磨损研究首先要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种核电燃料包壳管与格架刚凸体高温高压水中切向微动磨损试验夹具及其使用方法，能够用于高温高压一回路水环境中且能稳定可靠夹持刚凸体试样和包壳管试样，实现包壳管在高温高压水的微动磨损研究。

本发明的技术方案如下：

一种核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，包壳管试样的上下分别对应：刚凸体试样和包壳管固定底座，包壳管试样设置于包壳管固定底座上，包壳管固定底座与包壳管试样底部对应接触面为弧形适配设计；包壳管试样的内侧底部设置圆弧状夹块，圆弧状夹块与包壳管试样对应接触面为弧形适配设计，紧固螺钉ii依次穿过圆弧状夹块、包壳管试样固定在包壳管固定底座上；包壳管固定底座通过紧固螺母iv安装于纵轴传动杆上，包壳管试样及包壳管固定底座通过紧固螺母iv与纵轴传动杆相连接；刚凸体试样与包壳管试样顶部对应接触面为平面，包壳管试样安装于刚凸体试样固定块夹具上；

包壳管试样的左右两侧分别对应挡板ii和挡板i，挡板ii和挡板i分别通过紧固螺钉i安装于包壳管固定底座的两侧，通过紧固螺钉i与挡板ii和挡板i横向紧密结合；包壳管试样的左侧通过挡板ii与连接螺柱ii及各自的紧固螺母与横轴左侧传动杆相连接，包壳管试样的右侧通过挡板i与连接螺柱i及各自的紧固螺母与横轴右侧传动杆相连接，挡板ii通过紧固螺母iii固定在连接螺柱i上，挡板i通过紧固螺母固定在连接螺柱ii上，连接螺柱ii与横轴左侧传动杆通过螺柱紧固螺母紧密连接并固定，连接螺柱i与横轴右侧传动杆通过螺柱紧固螺母紧密连接并固定。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，刚凸体试样为中部向下凸出的片状结构，刚凸体试样嵌入到刚凸体试样固定块中，刚凸体试样固定块为底部开口的凹槽形结构，刚凸体试样向下凸出的部分位于刚凸体试样固定块的底部开口外侧，采用相对设置的刚凸体试样紧固螺柱i和刚凸体试样紧固螺柱ii进行紧固，形成一体；安装刚凸体试样的刚凸体试样固定块嵌入到刚凸体试样固定块夹具下部的t形凹槽中，t形凹槽的两侧开有孔，一侧为光孔，另一侧为螺纹孔；紧固螺钉iii穿过t形凹槽一侧的光孔，与t形凹槽另一侧的螺纹孔侧配合，紧固时通过t形凹槽两侧的变形来夹紧刚凸体试样固定块。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，刚凸体试样固定块夹具中部为横截面正方形的柱体，刚凸体试样固定块夹具上部为螺纹柱；紧固螺母通过顶部开孔套设于刚凸体试样固定块夹具的螺纹柱上，紧固螺母通过下凹槽罩扣于限位螺母、圆筒外侧，圆筒与紧固螺母通过螺纹连接；刚凸体试样固定块夹具穿过夹具固定板中部的方形孔，限位螺母悬到螺纹柱的某一位置，通过顶部开孔的下凹槽形紧固螺母与夹具固定板顶部的加工有外螺纹的圆筒进行配合紧固，通过压紧限位螺母的方式对刚凸体试样固定块夹具进行固定，通过改变限位螺母在螺纹柱中的位置，调节刚凸体试样的高度。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，夹具固定板的四周加工有个光孔，高压釜底部安装有4根夹具固定支架，夹具固定板通过其上的4个光孔安装于夹具固定支架上，夹具固定支架穿出夹具固定板的部分安装紧固螺母ii，夹具固定板与夹具固定支架用紧固螺母ii进行紧固，实现刚凸体试样的安装。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，高压釜的内底部四周开有螺纹孔，夹具固定支架的底端加工有螺纹，夹具固定支架与高压釜的内底部通过螺纹连接，实现固定支架的固定。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，横轴右侧传动杆的一端面、横轴左侧传动杆的一端面、挡板侧面均开有螺纹孔，通过连接螺柱ii和连接螺柱i连接，通过四个紧固螺母iii进行紧固；横轴右侧传动杆的另一端与激振器相连，通过横轴的振动实现包壳管试样与刚凸体试样的相对运动。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，包壳管试样放置于包壳管固定底座上部的凹圆弧形区，包壳管试样内部置入中部带有光孔的圆弧状夹块，包壳管固定底座上部凹圆弧面中部开有螺纹孔，将紧固螺钉ii穿过带有光孔的圆弧状夹块和带有光孔的包壳管试样与底座凹圆弧面中部的螺纹孔连接、锁紧，实现包壳管试样的紧固。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，包壳管固定底座侧面开有螺纹孔，挡板ii和挡板i与包壳管固定底座通过紧固螺钉i连接；包壳管固定底座底部的光孔对准纵轴传动杆的顶部，并放置到纵轴传动杆上，通过紧固螺母iv调节其高度；纵轴传动杆下部与电机连接，通过纵轴传动杆的移动施加法向载荷。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，包壳管固定底座与纵轴传动杆间为光孔连接，且两者之间存在间隙，以实现包壳管试样的左右振动。

所述的核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具，该试验夹具的使用方法如下：

(1)将刚凸体试样嵌入刚凸体试样固定块凹槽下侧的开口中，并用紧固螺柱i和紧固螺柱ii紧固，实现刚凸体试样的固定；

(2)将刚凸体试样固定块嵌入刚凸体试样固定块夹具下部的t形凹槽中，并用紧固螺钉iii夹紧固定，实现刚凸体试样固定块的固定；

(3)刚凸体试样固定块夹具穿过夹具固定板后，安装限位螺母，然后采用紧固螺母i实现刚凸体试样固定块夹具的固定；

(4)将刚凸体试样固定块夹具安装于夹具固定支架顶部中心的圆筒上，并用紧固螺母ii紧固，实现刚凸体试样的固定；

(5)将包壳管试样安放于包壳管固定底座上，包壳管试样内部置入中部带有竖向光孔的圆弧状夹块，包壳管固定底座的内侧圆弧面中部开有螺纹孔，将紧固螺钉ii穿过带有光孔的圆弧状夹块和带有光孔的包壳管试样与包壳管固定底座内侧圆弧面中部的螺纹孔连接、锁紧；

(6)包壳管固定底座侧面开有螺纹孔，通过紧固螺钉i将挡板i与包壳管固定底座进行连接；

(7)将包壳管固定底座底部的光孔对准纵轴传动杆的顶部，并放置到纵轴传动杆上，通过紧固螺母iv调节其高度；纵轴传动杆下部与电机连接，通过纵轴传动杆的移动施加法向载荷；

(8)横轴右侧传动杆端面、挡板i、横轴左侧传动杆端面、挡板ii的侧面均开有螺纹孔，横轴右侧传动杆端面、挡板i通过连接螺柱i连接，横轴左侧传动杆端面、挡板ii通过连接螺柱ii连接，通过紧固螺母iii紧固；横轴右侧传动杆另一端与激振器相连，通过横轴的振动实现包壳管试样与刚凸体试样的相对运动；

(9)关闭高压釜，接通循环水回路，调节温度、压力、水化学，各设定参数稳定后进行微动磨损试验。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明的高温高压水微动磨损夹具的各部分采用耐高温高压水腐蚀且高温强度较好的304或316l奥氏体不锈钢进行加工，耐高温高压水腐蚀，高温强度也较高，能够在高温高压水环境中长期可靠使用。

2、本发明通过使用刚凸体固定块，可实现对小尺寸刚凸体试样的紧固夹持，设计巧妙，操作简单方便。

3、本发明通过圆弧形底座、圆弧状夹块和紧固螺钉可实现对包壳管试样的固定，设计巧妙，操作简单方便。

4、本发明中无论是包壳管固定底座的高度还是刚凸体试样固定块夹具的高度均可以通过限位螺母进行调节。

附图说明

图1(a)-(b)为刚凸体试样形状图。其中，图1(a)主视图，图1(b)俯视图，试样整体长为13mm，宽度为5mm。

图2为刚凸体试样与刚凸体试样固定块的装配图。

图3-图4为本发明的整体装配结构图。其中，图3为主视图，图4为图3中的a-a剖视图。

图1-图4中，1刚凸体试样；2刚凸体试样固定块；3刚凸体试样紧固螺柱i；4刚凸体试样紧固螺柱ii；5刚凸体试样固定块夹具；6紧固螺母i；7限位螺母；8紧固螺母ii；9夹具固定板；10夹具固定支架；11横轴右侧传动杆；12连接螺柱i；13紧固螺母iii；14紧固螺钉i；15挡板i；16包壳管固定底座；17紧固螺母iv；18纵轴传动杆；19紧固螺钉ii；20挡板ii；21连接螺柱ii；22包壳管试样；23横轴左侧传动杆；24圆弧状夹块；25紧固螺钉iii；26圆筒；27高压釜底。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明核电燃料包壳管与格架刚凸体高温高压水中切向微动磨损试验夹具，主要包括：刚凸体试样固定块、刚凸体试样紧固螺柱、刚凸体试样固定块夹具、夹具固定板、夹具固定支架、包壳管固定底座、圆弧状夹块等。将刚凸体试样嵌入刚凸体试样固定块中，并用紧固螺柱将刚凸体试样锁紧，再将此固定块嵌入刚凸体试样固定块夹具凹槽的下部开口中并用紧固螺钉固定，后将刚凸体试样固定块夹具固定于夹具固定板上并将固定板安装于夹具固定支架，实现刚凸体试样的固定。将包壳管试样安放于包壳管固定底座上，通过紧固螺钉和圆弧状夹块实现包壳管的固定；底座通过固定螺母与纵轴传动杆连接，纵轴传动杆下部与电机连接，通过纵轴杆的移动施加法向载荷；底座通过挡板、连接螺柱、紧固螺钉和紧固螺母与横轴传动杆连接，横轴一端与激振器相连，通过横轴的振动实现包壳管与刚凸体试样间的相对运动。

如图1-图4所示，本发明核电燃料包壳管与格架刚凸体高温高压水中切向微动磨损试验夹具，主要包括：刚凸体试样1、刚凸体试样固定块2、刚凸体试样紧固螺柱i3、刚凸体试样紧固螺柱ii4、刚凸体试样固定块夹具5、紧固螺母i6、限位螺母7、紧固螺母ii8、夹具固定板9、夹具固定支架10、横轴右侧传动杆11、连接螺柱i12、紧固螺母iii13、紧固螺钉i14、挡板i15、包壳管固定底座16、紧固螺母iv17、纵轴传动杆18、紧固螺钉ii19、挡板ii20、连接螺柱ii21、包壳管试样22、横轴左侧传动杆23、圆弧状夹块24、紧固螺钉iii25等，具体结构如下：

刚凸体试样1为中部向下凸出的片状结构，刚凸体试样1嵌入到刚凸体试样固定块2中，刚凸体试样固定块2为底部开口的凹槽形结构，刚凸体试样1向下凸出的部分位于刚凸体试样固定块2的底部开口外侧，采用相对设置的刚凸体试样紧固螺柱i3和刚凸体试样紧固螺柱ii4进行紧固，刚凸体试样紧固螺柱i3的高度不得高于刚凸体试样1固定块的高度，形成一体。将安装好刚凸体试样1的刚凸体试样固定块2嵌入到刚凸体试样固定块夹具5下部的t形凹槽中。t形凹槽的两侧开有孔，一侧为光孔，另一侧为螺纹孔。紧固螺钉iii25穿过t形凹槽一侧的光孔，与t形凹槽另一侧的螺纹孔侧配合，紧固时通过t形凹槽两侧的变形来夹紧刚凸体试样固定块2。

刚凸体试样固定块夹具5中部为横截面正方形的柱体，刚凸体试样固定块夹具5上部为螺纹柱。紧固螺母6通过顶部开孔套设于刚凸体试样固定块夹具5的螺纹柱上，紧固螺母6通过下凹槽罩扣于限位螺母7、圆筒26外侧，圆筒26与紧固螺母6通过螺纹连接。刚凸体试样固定块夹具5穿过夹具固定板9中部的方形孔后，将限位螺母7悬到螺纹柱的某一位置，然后用顶部开孔的下凹槽形紧固螺母6与夹具固定板9顶部的加工有外螺纹的圆筒26进行配合紧固，通过压紧限位螺母7的方式对刚凸体试样固定块夹具5进行固定。通过改变限位螺母7在螺纹柱中的位置，可以调节刚凸体试样1的高度。

夹具固定板9的四周加工有4个光孔，高压釜底部安装有4根夹具固定支架10，夹具固定板9通过其上的4个光孔安装于夹具固定支架10上，夹具固定支架10穿出夹具固定板9的部分安装紧固螺母ii8，夹具固定板9与夹具固定支架10用紧固螺母ii8进行紧固，实现刚凸体试样1的安装。高压釜底27四周开有螺纹孔，夹具固定支架10的底端加工有螺纹，夹具固定支架10与高压釜底27通过螺纹连接，实现固定支架的固定。

包壳管试样22的上下分别对应：刚凸体试样1和包壳管固定底座16，包壳管试样22设置于包壳管固定底座16上，包壳管固定底座16与包壳管试样22底部对应接触面为弧形适配设计；包壳管试样22的内侧底部设置圆弧状夹块24，圆弧状夹块24与包壳管试样22对应接触面为弧形适配设计，紧固螺钉ii19依次穿过圆弧状夹块24、包壳管试样22固定在包壳管固定底座16上，可以达到紧固效果并保证水平度。包壳管固定底座16通过紧固螺母iv17安装于纵轴传动杆18上，包壳管试样22及包壳管固定底座16通过紧固螺母iv17与纵轴传动杆18相连接。刚凸体试样1与包壳管试样22顶部对应接触面为平面，包壳管试样22安装于刚凸体试样固定块夹具5上。包壳管固定底座16与纵轴传动杆18间为光孔连接，且两者之间存在一定的间隙，以实现包壳管试样22的左右振动，紧固螺母iv17主要起限位作用。

将包壳管试样22放置于包壳管固定底座16上部的凹圆弧形区，包壳管试样22内部置入中部带有光孔的圆弧状夹块24，包壳管固定底座16上部凹圆弧面中部开有螺纹孔，将紧固螺钉ii19穿过带有光孔的圆弧状夹块24和带有光孔的包壳管试样22与底座凹圆弧面中部的螺纹孔连接、锁紧，实现包壳管试样22的紧固。

包壳管试样22的左右两侧分别对应挡板ii20和挡板i15，挡板ii20和挡板i15分别通过紧固螺钉i14安装于包壳管固定底座16的两侧，通过紧固螺钉i14与挡板ii20和挡板i15横向紧密结合，从而保持其平衡性。包壳管试样22的左侧通过挡板ii20与连接螺柱ii21及各自的紧固螺母与横轴左侧传动杆23相连接，包壳管试样22的右侧通过挡板i15与连接螺柱i12及各自的紧固螺母与横轴右侧传动杆11相连接，挡板ii20通过紧固螺母iii13固定在连接螺柱i12上，挡板i15通过紧固螺母固定在连接螺柱ii21上，连接螺柱ii21与横轴左侧传动杆23通过螺柱紧固螺母紧密连接并固定，连接螺柱i12与横轴右侧传动杆11通过螺柱紧固螺母紧密连接并固定，可以保证整体横轴的水平度在同一条水平线上，以达到包壳管试样在整个实验过程中都处于完全水平状态。在安装包壳管固定底座16两侧的挡板时，紧固螺钉i14、紧固螺母iii13必须分次紧固，保证横轴传动杆处于水平状态。

包壳管固定底座16侧面开有螺纹孔，通过紧固螺钉i14将左右两个挡板(挡板ii20和挡板i15)与包壳管固定底座16进行连接；将包壳管固定底座16底部的光孔对准纵轴传动杆18的顶部，并放置到纵轴传动杆18上，通过紧固螺母iv17调节其高度；纵轴传动杆18下部与电机连接，通过纵轴传动杆18的移动施加法向载荷。

横轴右侧传动杆11的一端面、横轴左侧传动杆23的一端面、挡板15侧面均开有螺纹孔，通过左右两个连接螺柱(连接螺柱ii21和连接螺柱i12)连接，通过四个紧固螺母iii13进行紧固；横轴右侧传动杆11的另一端与激振器相连，通过横轴的振动实现包壳管试样22与刚凸体试样1的相对运动。

本发明中，刚凸体试样固定块2的尺寸由刚凸体试样1的具体尺寸而定，凹槽的长度方向尺寸为刚凸体试样1的长度，凹槽底部开口的高度尺寸为小于刚凸体试样1的厚度。例如，在实施例中，刚凸体试样1的长度为13mm，刚凸体试样1的厚度为0.5mm。

本发明中，包壳管固定底座16上部的凹圆弧形区的直径为包壳管试样22的外径，圆弧状夹块24的直径为包壳管试样22的内径，包壳管固定底座16上部的凹圆弧形区与圆弧状夹块24的间隙为包壳管试样的壁厚。例如，在实施例中，包壳管试样的外径为9.5mm，壁厚为0.6mm。

本发明核电燃料包壳管与格架刚凸体切向微动磨损试验夹具的使用方法如下：

(1)将刚凸体试样1嵌入刚凸体试样固定块2凹槽下侧的开口中，并用紧固螺柱i3和紧固螺柱ii4紧固，实现刚凸体试样1的固定；

(2)将刚凸体试样固定块2嵌入刚凸体试样固定块夹具5下部的t形凹槽中，并用紧固螺钉iii25夹紧固定，实现刚凸体试样固定块2的固定；

(3)刚凸体试样固定块夹具5穿过夹具固定板9后，安装限位螺母7，然后采用紧固螺母i6实现刚凸体试样固定块夹具5的固定；

(4)将刚凸体试样固定块夹具5安装于夹具固定支架10顶部中心的圆筒26上，并用紧固螺母ii8紧固，实现刚凸体试样1的固定；

(5)将包壳管试样22安放于包壳管固定底座16上，包壳管试样22内部置入中部带有竖向光孔的圆弧状夹块24，包壳管固定底座16的内侧圆弧面中部开有螺纹孔，将紧固螺钉ii19穿过带有光孔的圆弧状夹块24和带有光孔的包壳管试样22与包壳管固定底座16内侧圆弧面中部的螺纹孔连接、锁紧；

(6)包壳管固定底座16侧面开有螺纹孔，通过紧固螺钉i14将挡板i15与包壳管固定底16座进行连接；

(7)将包壳管固定底座16底部的光孔对准纵轴传动杆18的顶部，并放置到纵轴传动杆18上，通过紧固螺母iv17调节其高度；纵轴传动杆18下部与电机连接，通过纵轴传动杆18的移动施加法向载荷；

(8)横轴右侧传动杆11端面、挡板i15、横轴左侧传动杆23端面、挡板ii20的侧面均开有螺纹孔，横轴右侧传动杆11端面、挡板i15通过连接螺柱i12连接，横轴左侧传动杆23端面、挡板ii20通过连接螺柱ii21连接，通过紧固螺母iii13紧固；横轴右侧传动杆11另一端与激振器相连，通过横轴的振动实现包壳管试样22与刚凸体试样1的相对运动。

(9)关闭高压釜，接通循环水回路，调节温度、压力、水化学，各设定参数稳定后即可进行微动磨损试验。

实施例结果表明，本发明夹具主要用于高压釜内，进行高温高压水环境下的微动磨损试验，结构简单，操作方便，成本低廉。