水輪機(jī)自動化檢修設(shè)備的功能要求與技術(shù)分析

金洪偉

摘 要：我國有著十分豐富的水能資源，如今得到了大力開發(fā)和應(yīng)用；隨著時代的發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們?nèi)遮呏匾曀啓C(jī)自動化檢修設(shè)備，開始深入研究和應(yīng)用。但是通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在如今的水輪機(jī)自動化檢修設(shè)備應(yīng)用中，還存在著諸多的問題和不足，需要引起人們足夠的重視。文章簡要分析了水輪機(jī)自動化檢修設(shè)備的功能要求與技術(shù)分析，希望可以提供一些有價值的參考意見。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；自動化檢修；功能要求

前言

我國有著十分豐富的水能資源，作為一種重要的可再生資源，目前得到了較大規(guī)模的開發(fā)。我國很多河流都有著較大含量的泥沙，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多電站的發(fā)電設(shè)備，如水輪機(jī)、轉(zhuǎn)輪室等，都存在著嚴(yán)重的空蝕、磨損破壞問題。這些問題會降低機(jī)械設(shè)備的發(fā)電效率以及運(yùn)行可靠性，并且對于水電站的安全運(yùn)行也會造成較大的威脅，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，水輪機(jī)檢修的主要任務(wù)就是補(bǔ)焊和修磨那些受到空蝕和磨損破壞后的水利發(fā)電設(shè)備。

目前在維修水力發(fā)電設(shè)備時，往往將人工操作模式給應(yīng)用過來，如葛洲壩電廠，水輪機(jī)過流部件存在著嚴(yán)重的磨蝕問題，那么主要是在機(jī)組A/B修時進(jìn)行修復(fù)。在A修時，利用水輪機(jī)葉片備品來對水輪機(jī)葉片成套的更換，然后制造廠家修復(fù)這些更換下來的葉片，將其作為備品。通常情況下，機(jī)組A修周期在15年到20年之間。B修周期在4年到5年之間，補(bǔ)焊和磨光工序在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)現(xiàn)場進(jìn)行，將環(huán)氧金剛砂抗磨涂料施工應(yīng)用到葉片上。對靠右岸兩臺機(jī)組，中修頻率控制在每兩年一次，對水輪機(jī)磨蝕問題進(jìn)行處理，結(jié)合不同的磨蝕嚴(yán)重程度，通常需要消耗3噸左右的焊條，工期保持在35天左右。這種方法需要較長的維修周期，有著十分惡劣的工作環(huán)境和較大的勞動強(qiáng)度，需要將較大的人力和物力資源投入進(jìn)來，并且沒有較好的質(zhì)量和效率。針對這種情況，就需要對機(jī)器人大力研究，對人工作業(yè)模式進(jìn)行取代。

1 國內(nèi)水輪機(jī)自動化檢修設(shè)備研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國在上個世紀(jì)八十年代開始大力研制水輪機(jī)修復(fù)機(jī)器，在1993年，我國研制了一臺大型移動式隨形磨削機(jī)，可以在檢修車間內(nèi)來打磨從機(jī)坑內(nèi)吊出的葉輪。但是打磨機(jī)有著較大的體積，對于兩個相鄰葉片之間2米多深的部位，無法有效打磨葉片腐蝕表賣弄，在磨削時，需要利用較長的機(jī)械臂。磨削有著較大的切削力，機(jī)械臂沒有足夠的剛度，這樣修磨質(zhì)量無法得到保證。并且采用這種方法，需要運(yùn)輸幾十噸重量的葉輪，需要劃分較長的時間，相較于全手工操作修理方法，有著更低的勞動強(qiáng)度，但是檢修周期卻無法得到縮短。

蘭州理工大學(xué)近些年來，提出了采用軌道式移動機(jī)構(gòu)水輪機(jī)修復(fù)機(jī)器人設(shè)計方案，并且將樣機(jī)制造了出來，本機(jī)器人主要包括移動裝置和操作臂，將軟軌式移動機(jī)構(gòu)應(yīng)用到移動裝置中，機(jī)器人工作過程中，在葉片上焊接軟軌點(diǎn)，機(jī)器人將工作任務(wù)完成之后，切下軟軌，在新的工作位置上點(diǎn)焊，將6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)作為它的操作臂。本機(jī)器人在對葉片進(jìn)行修復(fù)時，可以結(jié)合修復(fù)位置，對軟軌位置不斷的更換。

2 存在的問題和發(fā)展方向

在研制開發(fā)水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人的過程中，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及到諸多的方面和內(nèi)容，需要將很多專業(yè)的技術(shù)給應(yīng)用過來，如機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、操作機(jī)軌跡規(guī)劃和控制、傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)等。如今，還有諸多的問題存在于目前的葉片修復(fù)機(jī)器人中：

一是無法將導(dǎo)軌的束縛給擺脫掉，只有較為狹小的工作空間：目前，可以將軌道式機(jī)器人應(yīng)用到機(jī)坑內(nèi)，在葉片表面，機(jī)器人卻無法自主移動，沒有較好的靈活性，只有較為狹小的工作空間，并且軌道有著十分昂貴的價格，在修復(fù)的過程中，需要對導(dǎo)軌位置進(jìn)行不斷更換，這樣工作量就得到了加大，生產(chǎn)率得到降低。

二是現(xiàn)場維修不能適用：目前研發(fā)出來的水輪機(jī)葉片修復(fù)機(jī)器人往往有著較為龐大的統(tǒng)計，那么就無法在基坑內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場維修。在維修的過程中，需要從機(jī)坑中將水輪機(jī)葉輪給吊出來，需要花費(fèi)較多的時間和精力，沒有較高的生產(chǎn)率。

三是不能夠直接應(yīng)用到國內(nèi)水輪機(jī)葉片的修復(fù)過程中：目前只有Scompi可以在基坑內(nèi)直接修復(fù)葉片，但是因為沒有較好的剛度，只有較小的覆蓋范圍，因此只能夠在清水電站中適用，我國水輪機(jī)修復(fù)工作的要求無法得到滿足。另外，本類型的修復(fù)機(jī)器人有著較為昂貴的價格，需要花費(fèi)較多的成本。

3 水輪機(jī)葉片坑內(nèi)關(guān)鍵修復(fù)技術(shù)研究

研究開發(fā)在機(jī)坑內(nèi)直接對水輪機(jī)葉片汽蝕磨蝕表面進(jìn)行全位置補(bǔ)焊與打磨的水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人，對于縮短停機(jī)檢修周期、提高修理質(zhì)量和形面精度、徹底改善檢修人員的工作環(huán)境具有重要的實(shí)際意義。因此，要深入了解基本功能，進(jìn)而提高基本功能的效果，進(jìn)而對作業(yè)臂和磨削工藝技術(shù)，以及相應(yīng)的補(bǔ)焊、清理工作，以及檢測工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囋囼灪蛢?yōu)化策略。

3.1 基本功能

機(jī)器人包括多自由度機(jī)械臂和機(jī)器人本體兩個組成部分，操作人員通過監(jiān)視器，來對吸附于作業(yè)面上的機(jī)器人進(jìn)行遙控，促使其能夠自由移動。首先利用測量裝置來測量、記錄和存儲葉輪飾面的情況，結(jié)合現(xiàn)場氣蝕狀況，對葉輪待修部位進(jìn)行確定，清理磨削裝置，然后對焊槍進(jìn)行更換，這樣就可以實(shí)施全位置補(bǔ)焊作業(yè)，然后對磨削裝置進(jìn)行更換，以便對補(bǔ)焊表面進(jìn)行修形，隨后對測量裝置和探傷裝置進(jìn)行更換，以便促使形面測量和探傷作業(yè)能夠開展下來，最后對噴槍進(jìn)行更換，以便開展噴涂處理工作。在基本功能的基礎(chǔ)上，還促使機(jī)器人自動定位功能得到是修按，自動規(guī)劃全位置焊接、修磨以及噴涂工藝參數(shù)，可以在線評價修復(fù)質(zhì)量。為進(jìn)一步提高基本功能，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動定位，達(dá)到葉輪三維形貌測量和信息良好重構(gòu)效果，進(jìn)而可自動規(guī)劃全位置焊接工藝、修磨工藝及噴涂工藝參數(shù)，提高質(zhì)量在線評價等諸多功能。

3.2 提高作業(yè)臂自由度及磨削工藝水平

根據(jù)理論計算數(shù)據(jù)及相應(yīng)的試驗測量結(jié)果，使用磨削工藝對焊后的修形進(jìn)行確定，以實(shí)現(xiàn)剛度好、作業(yè)范圍大的6自由度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂，進(jìn)而以此構(gòu)建三維模型。

3.3 補(bǔ)焊、清理及檢測工藝

補(bǔ)焊工藝技術(shù)的選擇必須以水輪機(jī)的葉片材質(zhì)為前提，如此再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人立焊和橫焊工藝試驗；通過空氣等離子弧氣刨工藝對選定焊前葉面進(jìn)行清理，然后進(jìn)行初步試驗；在通過作業(yè)過程監(jiān)控及蝕面檢測系統(tǒng)對方案進(jìn)行論證。

4 結(jié)束語

通過文章的敘述分析可以得知，在水輪機(jī)自動化檢修設(shè)備方面，還有很長的路要走，通過研究水輪機(jī)修復(fù)相關(guān)問題，可以促使停機(jī)檢修周期得到有效縮短，促使修理質(zhì)量得到顯著提升，檢修人員的工作環(huán)境也可以得到顯著改善。相關(guān)的工作人員需要不斷的努力，深入研究和設(shè)計，以便更好地開展水輪機(jī)自動化檢修工作。

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