遙控維護(hù)條件下管道夾取技術(shù)研究

陳海彬 孫振忠 郭建文 劉宇 謝奕彬 潘浩升

(1．東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808;2．中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100000)

遙控維護(hù)［1］是設(shè)備維護(hù)人員在遠(yuǎn)離維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的安全區(qū)域，通過(guò)采用機(jī)械手 (人)或?qū)ｉT(mén)的設(shè)備在核裝置的內(nèi)部開(kāi)展設(shè)備監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作，以降低工作人員受照劑量和勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，遙控維護(hù)技術(shù)已成為核裝置中放射性部件維護(hù)不可缺少的重要手段［2－3］。

核裝置一般都配有液體或氣體冷卻系統(tǒng)，以減少粒子反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量。冷卻管道作為輸送冷卻介質(zhì)通道，是核裝置的重要基礎(chǔ)設(shè)施［4］。管道由于老化和輻照損傷需要進(jìn)行定期的檢查和更換。通過(guò)剪切工具將廢舊管道剪斷并脫落，整個(gè)過(guò)程需要遙控維護(hù)技術(shù)來(lái)實(shí)施［5］。管道最后由遙控維護(hù)夾具取出并封裝。管道夾取技術(shù)是遙控維護(hù)重要的一環(huán)，如果剪切下來(lái)的管道無(wú)法取出并封裝在密封容器內(nèi)，則整個(gè)遙控維護(hù)沒(méi)有成功。

在管道夾取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了管道夾取工具和遙控維護(hù)平臺(tái)，以被液壓剪刀剪下的老化與堵塞管道為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出對(duì)管道夾取技術(shù)和結(jié)論，為遙控維護(hù)技術(shù)和輔助工裝開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)環(huán)境

如圖1所示，是試驗(yàn)對(duì)象管道的樣品 (多層管道，中間為冷卻管，里層是真空絕熱層，外圍是檢漏氣體層)。表1是管道剪切實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各類(lèi)型管道數(shù)據(jù)。

表1 各類(lèi)型管道數(shù)據(jù)

從表格數(shù)據(jù)可以看出目標(biāo)管道的長(zhǎng)短不一，而且有些管道呈現(xiàn)“L”字型。

俯視實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖2所示，屏蔽井內(nèi)部散落的管道分布凌亂，其他輔助工裝 (例如:攝像頭、氣動(dòng)扳手)無(wú)規(guī)則分布，給夾取較長(zhǎng)管道帶來(lái)空間束縛，并且在夾取過(guò)程中管道的可能掉落，也會(huì)給其他輔助工裝帶來(lái)?yè)p害。

圖1 待夾取的管道樣品

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2 夾具動(dòng)力來(lái)源的選擇

表2比較了可能選擇的動(dòng)力，并進(jìn)行分析與比較，獲得最適夾具動(dòng)力。

表2 各類(lèi)型的動(dòng)力

通過(guò)分析比較我們可以知道，上表三種不同的動(dòng)力來(lái)源都可以滿足作為夾具的動(dòng)力件，但是通過(guò)操作要求我們可以知道，為適應(yīng)深井操作的環(huán)境要求，夾具必須安裝在長(zhǎng)柄上，以達(dá)到夾取井下管道的目的。所以在長(zhǎng)柄的遙控下，盡量選擇波動(dòng)小、重量較輕的動(dòng)力件，而對(duì)管道的夾具也必須具備效率高、夾勁足的特點(diǎn)。

表3是對(duì)三種動(dòng)力件在屏蔽井條件下的優(yōu)缺點(diǎn)比較:

表3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

因此，通過(guò)分析比較，得出氣缸的適應(yīng)性較液壓缸與步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)，更能幫助操縱人員達(dá)到夾取管道的目的。故我們選擇氣缸作為我們的動(dòng)力件。

根據(jù)被夾取管道的外徑，我們選定行程為100 mm的氣缸作為我們的動(dòng)力件，初步確定參數(shù)如下:尺寸參數(shù)為150 mm×150 mm;活塞面積100 mm2，壓強(qiáng)取P=0.6 MPa。氣缸如圖3所示。

3 夾具爪的設(shè)計(jì)

為擴(kuò)大單一夾具的通用性，減少狹小空間內(nèi)的工裝數(shù)量，要求夾具必須能夠夾取不同外徑的管道。所以根據(jù)氣缸推桿的行程設(shè)計(jì)了帶有較大角度的夾具爪，如圖4所示:

圖3 氣缸

為能夠穩(wěn)定地夾緊較長(zhǎng)管道，將夾具設(shè)計(jì)成三爪結(jié)構(gòu)，其效果如圖5所示。

圖4 夾具爪

圖5 三爪結(jié)構(gòu)

取100 N的夾緊力，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，在solidworks上做應(yīng)力分析得結(jié)果如圖6－7所示:

圖6 單片夾刃的應(yīng)力分析

圖7 雙片夾刃的應(yīng)力分析

根據(jù)上面兩組應(yīng)力分析介紹可以發(fā)現(xiàn)，其范疇為:紅＜安全系數(shù)=1＜藍(lán)，而其紅色區(qū)域分布主要集中于弧面的轉(zhuǎn)彎處，而其變形位移不大，故在夾最大直徑的管道時(shí)，夾具能夠滿足最大夾緊力的要求，并達(dá)到穩(wěn)固夾取的目的。

4 對(duì)夾具的檢驗(yàn)

首先是對(duì)其夾刃角度的檢驗(yàn)，以驗(yàn)證其夾刃能夠滿足夾取不同管道外徑的功能。采用的試驗(yàn)對(duì)象是外徑25 mm和89 mm的斷管，其試驗(yàn)結(jié)果如8－9所示。

在屏蔽井內(nèi)通過(guò)遙控維護(hù)長(zhǎng)柄操縱夾取管道，如圖10所示，夾具將斷管夾起，并通過(guò)電動(dòng)葫蘆上升，可以發(fā)現(xiàn)管道被夾具穩(wěn)定夾緊。

圖8 成功夾取25 mm斷管

圖9 成功夾取89 mm的斷管

圖10 遙控維護(hù)長(zhǎng)柄夾管

5 橫向夾具的開(kāi)發(fā)

由于屏蔽井內(nèi)部的管道分布錯(cuò)亂毫無(wú)規(guī)律，有些縱向分布的管道難以被縱向夾具夾取。為適應(yīng)屏蔽井內(nèi)縱向分布的斷管，開(kāi)發(fā)了橫向夾具;縱向夾具與橫向夾具都能夠夾取的不同外徑的管道。如圖11所示。

圖11 橫向夾具

6 試驗(yàn)分析

1)不同管徑、不同長(zhǎng)度的斷管是夾管操作時(shí)要解決的主要問(wèn)題。操作時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特點(diǎn)，制定夾管工藝，包括夾具的動(dòng)力原件的選擇、夾具夾爪的設(shè)計(jì)、屏蔽井下的撿管試驗(yàn)及根據(jù)模擬試驗(yàn)進(jìn)而對(duì)夾具的功能改進(jìn)。

2)為適應(yīng)深井操作的環(huán)境要求，夾具必須安裝在長(zhǎng)柄上，以達(dá)到夾取井下管道的目的，并且為減輕操縱人員的工作負(fù)擔(dān)，提高撿管效率。通過(guò)列表比較，得出氣缸的適應(yīng)性較液壓缸與步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)，更能幫助操縱人員達(dá)到夾取管道的目的，故選擇氣缸。

3)根據(jù)管徑不一、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的特點(diǎn)專門(mén)設(shè)計(jì)出夾刃弧度較大的三爪夾刃結(jié)構(gòu)并給定最大夾緊力進(jìn)行應(yīng)力分析，得出在最大夾緊力下的應(yīng)力分析圖?？芍瑠A具能夠滿足最大夾緊力的要求。

4)通過(guò)夾取最大管徑和最小管徑來(lái)檢驗(yàn)夾具是否達(dá)到用同一夾具夾取的目的。其試驗(yàn)結(jié)果也表明該設(shè)計(jì)是可行的，能夠應(yīng)用于實(shí)地?fù)旃苤小?/p>

5)屏蔽井環(huán)境下的夾取試驗(yàn)證明了夾具設(shè)計(jì)的成功，但是夾具本身的重量不輕，故通過(guò)天車(chē)移動(dòng)夾具時(shí)速度要緩要穩(wěn)，以免因?yàn)閼T性對(duì)夾具造成損害。

6)為適應(yīng)屏蔽井內(nèi)縱向分布的斷管，開(kāi)發(fā)了橫向夾具，縱向夾具與橫向夾具都能夠夾取的不同外徑的管道。

［1］Bernhard H．Setting up and managing a remote maintenance operation for fusion［J］．Fusion Engineering and Design，2008，83(10 －12):1841－1844．

［2］Rolfe A C，Brown P，Carte P，et al．A report on the first remote handling operations at JET［J］．Fusion Engineering and Design，1999，46(2 –4):299－306．

［3］Bernhard H．The remote handling systems for ITER［J］．Fusion Engineering and Design，2011，86(6 －8):471 －477．

［4］Robin S，Simon M．A Study of Pipe Jointing Technology with Reference to ITER Requirements［J］．Fusion Engineering and Design，2009，84(7－11):1767－1769．

［5］陳海彬，郭建文，李榮泳，等．遙控維護(hù)條件下冷卻管道剪切試驗(yàn)［J］．東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，20(1):58－63．