一種氣動三維平臺設(shè)計

王萬金， 周治江， 羅文廣， 王亞軍

(中國核動力研究設(shè)計院， 四川成都 610041)

引言

在壓水堆乏燃料組件池邊檢查過程中，彩色CCD鏡頭和其他專用傳感器組件通常搭建在水下三維移動平臺上，對乏燃料組件進(jìn)行水下外觀檢查和尺寸測量等操作[1]。因此，水下三維平臺的可靠性直接關(guān)系到池邊檢查設(shè)備工作的穩(wěn)定性和效率。目前，這類水下三維移動平臺[2-5]主要采用伺服電機進(jìn)行驅(qū)動，然而用于水下作業(yè)的伺服電機成本高昂，且為保證其工作的可靠性，通常需要進(jìn)行輻射屏蔽設(shè)計，最終導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體形龐大，影響水下三維平臺的布置和使用。

考慮到三維移動平臺需長期工作在乏燃料水池水下10 m處，且水下輻射環(huán)境較為復(fù)雜，同時氣動元件內(nèi)部沒有電子元器件， 其環(huán)境適應(yīng)能力強且工作過程中安全無污染[6-7]。因此，本研究設(shè)計了一種氣動三維平臺，該平臺采用氣動馬達(dá)作為動力源，驅(qū)動三維平臺實現(xiàn)空間三個方向的直線運動，能夠準(zhǔn)確地將傳感器送至水下指定位置。

1 三維平臺結(jié)構(gòu)和氣動馬達(dá)性能

氣動三維平臺如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要由快速連接機構(gòu)、X向傳動機構(gòu)(行程400 mm)、Y向傳動機構(gòu)(行程300 mm)和Z向傳動機構(gòu)(行程150 mm)組成。其中X/Y向傳動機構(gòu)均由氣動馬達(dá)、大小鏈輪、鏈條、不銹鋼絲杠模組、滑動桿、直線軸承等部件組成，與之不同的是，Z向傳動機構(gòu)采用渦輪蝸桿機構(gòu)代替了鏈輪傳動。平臺運動時，X向傳動機構(gòu)和Y向傳動機構(gòu)通過氣動馬達(dá)帶動小鏈輪和鏈條轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動大鏈輪，驅(qū)動與大鏈輪連接的絲杠模組運動，從而實現(xiàn)氣動三維平臺的X/Y向運動；Z向傳動機構(gòu)通過氣動馬達(dá)帶動蝸桿，進(jìn)而帶動渦輪，最終驅(qū)動與渦輪連接的絲杠模組，從而實現(xiàn)氣動三維平臺Z向運動。

圖1 氣動三維平臺結(jié)構(gòu)示意圖

氣動馬達(dá)的性能指標(biāo)由以下公式計算得到。

1) 循環(huán)指示功Wi:

(1)

式中,p—— 缸體內(nèi)氣體瞬時壓力，Pa

V—— 缸體內(nèi)氣體瞬時體積，m3

φ—— 主軸轉(zhuǎn)角，rad

2) 平均指示壓力pi:

(2)

式中，Vh—— 單缸的工作容積，m3

s—— 活塞行程，m

D—— 缸體直徑，m

3) 平均有效壓力pe:

pe=ηm·pi

(3)

式中，ηm—— 馬達(dá)機械效率

在氣動馬達(dá)工作過程中，需要時刻保持馬達(dá)的進(jìn)氣口壓力不變，每一個恒定進(jìn)氣壓力值都對應(yīng)一條速度特性曲線，由最大額定進(jìn)氣壓力決定全負(fù)荷速度特性曲線[8]，依據(jù)上述公式，可以得到選定的氣動馬達(dá)性能曲線如圖2所示。

圖2 氣動馬達(dá)性能曲線圖

2 氣動三維平臺氣路系統(tǒng)設(shè)計

氣動三維平臺氣路系統(tǒng)包含氣動馬達(dá)正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)和氣動馬達(dá)防水倒灌系統(tǒng)兩部分。其中氣動馬達(dá)正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要用于氣動馬達(dá)正反轉(zhuǎn)控制和調(diào)節(jié)氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)速，氣動馬達(dá)防水倒灌系統(tǒng)主要用于保持系統(tǒng)工作在正壓狀態(tài)，防止系統(tǒng)的水下接頭部分出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，進(jìn)而阻止乏池水進(jìn)入氣路，破壞氣動設(shè)備。氣動三維平臺的氣路系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

1.氣源 2.過濾器減壓閥 3.比例壓力閥 4.消聲器 5.三位五通電磁換向閥 6、11、12.單向閥 7.壓力表 8.氣瓶 9.二位三通手動閥 10、13.二位二通氣控閥 14.氣動馬達(dá) 15.二位二通常斷電磁換向閥圖3 氣動三維平臺氣動系統(tǒng)原理圖

2.1 氣路系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計

在設(shè)計氣路系統(tǒng)時，將系統(tǒng)分為3個部分，分別為水下部分、轉(zhuǎn)接箱和機箱。在機箱氣管與轉(zhuǎn)接箱氣管相連的位置設(shè)計有單向閥，這樣即便發(fā)生水下部分的系統(tǒng)漏水，乏池水循環(huán)至岸上進(jìn)入轉(zhuǎn)接箱，但最終不能夠進(jìn)入機柜，造成電氣設(shè)備故障。同時，由于轉(zhuǎn)接箱的存在，系統(tǒng)能夠?qū)⒔佑|乏池水后被沾污的氣管與岸上未被沾污的氣管分開，避免發(fā)生交叉污染。

2.2 氣動馬達(dá)正反轉(zhuǎn)設(shè)計

圖3所示的氣動三維平臺氣動系統(tǒng)原理圖中，以氣動馬達(dá)X為例，低壓氣經(jīng)過濾器減壓閥2減壓后，經(jīng)電氣比例閥3調(diào)整輸入的氣壓后，輸入至三位五通閥5，通過控制三位五通閥5導(dǎo)通，進(jìn)而使低壓氣輸入至氣動馬達(dá)14。當(dāng)三位五通閥5左側(cè)通電時，此時氣體分為兩路，一路氣體將氣控單向閥13導(dǎo)通，另一路通過單向閥11進(jìn)入氣動馬達(dá)B口，氣體從A口和C口出來，其中C口氣體通過二位三通手動閥9進(jìn)入消聲器， A口出來的氣體，通過氣控單向閥13和二位三通手動閥9進(jìn)入消聲器，從而驅(qū)動氣動馬達(dá)X反轉(zhuǎn)。

當(dāng)三位五通閥5右側(cè)通電時，此時氣體分為兩路，一路氣體將氣控單向閥10導(dǎo)通，另一路通過單向閥12進(jìn)入氣動馬達(dá)A口，氣體從B口和C口出來，其中C口氣體通過二位三通手動閥9進(jìn)入消聲器， B口出來的氣體，通過氣控單向閥10和二位三通手動閥9進(jìn)入消聲器，從而驅(qū)動氣動馬達(dá)X正轉(zhuǎn)。

電氣比例閥用于接收PLC控制器輸出的控制信號，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸入三位五通閥的氣壓，從而控制通入氣動馬達(dá)的氣壓，最終調(diào)節(jié)氣動馬達(dá)的運行速度與輸出扭矩。節(jié)流消聲器一方面消除噪聲，另一方面通過調(diào)整節(jié)流口開度，進(jìn)而調(diào)整氣動馬達(dá)的運行速度與輸出扭矩。

2.3 氣動馬達(dá)防水倒灌功能設(shè)計

此外圖3所示的氣動三維平臺氣動系統(tǒng)中，3路氣動馬達(dá)均設(shè)有防水倒灌功能，當(dāng)系統(tǒng)停止使用時，能夠?qū)饴愤M(jìn)行充氣使系統(tǒng)內(nèi)部保持正壓力狀態(tài)，該壓力值大于水的壓力，防止水進(jìn)入氣路系統(tǒng)，同時還具備監(jiān)測回路中是否漏氣的功能。

同樣以氣動馬達(dá)X為例，對該子系統(tǒng)進(jìn)行闡述：當(dāng)系統(tǒng)停止使用時，將二位三通手動閥9調(diào)至另外一個工位，使氣動馬達(dá)的C口與氣瓶8相連，同時使二位二通常斷電磁換向閥15通電，對氣瓶8進(jìn)行充氣片刻后切斷充氣。此時壓力表7顯示系統(tǒng)壓力，若有壓降，則系統(tǒng)漏氣，需將氣動三維平臺升至水面進(jìn)行檢修；若無壓降，系統(tǒng)在正壓的作用下，乏池水則不會進(jìn)入系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠長時間暫存在乏燃料水池。

3 計算機測控系統(tǒng)

圖4為氣動三維平臺的電控原理圖，氣動三維平臺的控制主要包括就地控制和遠(yuǎn)程控制兩種類型。系統(tǒng)工作時，就地控制柜(包括按鈕與觸摸屏)或遠(yuǎn)程操作手柄發(fā)出X，Y，Z移動觸點信號輸入至PLC的數(shù)字量模塊，經(jīng)邏輯運算后，輸出數(shù)字量化信號，進(jìn)而驅(qū)動比例壓力閥和三位五通電磁閥工作在對應(yīng)位置，使壓縮空氣輸入至氣動馬達(dá)。氣動馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動絲杠移動，從而調(diào)整安裝于三維平臺上檢測設(shè)備的空間位置。

圖4 氣動三維平臺的控制原理圖

現(xiàn)場就地控制柜設(shè)有就地控制與遠(yuǎn)程控制切換按鈕，當(dāng)切換到遠(yuǎn)程控制時，此時遠(yuǎn)程操作手柄的信號有效。就地控制柜與遠(yuǎn)程控制均設(shè)置由X，Y，Z前進(jìn)后退按鈕，同時就地控制柜設(shè)有由X，Y軸鎖定按鈕，通過該按鈕實現(xiàn)X軸、Y軸鎖定。

此外，就地控制柜還設(shè)有速度調(diào)節(jié)選擇開關(guān)，該開關(guān)信號輸入至PLC后，經(jīng)邏輯運算處理，輸出信號至電氣比例閥，通過電氣比例閥調(diào)整輸入三位五通電磁閥的氣壓，進(jìn)而調(diào)整輸入至氣動馬達(dá)的低壓氣的壓力，最終調(diào)整氣動馬達(dá)運行速度。就地控制柜同時設(shè)有相關(guān)指示燈，燈光顯示的信號能夠向工作人員提示三維平臺的狀態(tài)，如極限位置提醒、前進(jìn)、后退指示等；在就地控制柜設(shè)置的觸摸屏系統(tǒng)中，包含能夠顯示出三維平臺的狀態(tài)功能，并顯示出系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)報警信號，警示操作人員進(jìn)行對應(yīng)的操作控制。

為防止三維平臺在收到停止信號時，出現(xiàn)平臺越過制動位置的情況，系統(tǒng)在收到制動信號并產(chǎn)生動作的同時，會自動給出一個反向同等開度信號，對氣動馬達(dá)供氣，該供氣的作用時間約500 ms，實現(xiàn)準(zhǔn)確制動氣動馬達(dá)的目的。

4 試驗測試

完成氣動三維平臺的理論設(shè)計后，對氣動三維平臺的各項性能進(jìn)行了試驗測試[9-12]，氣動三維平臺的實物結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 氣動三維平臺試驗測試

4.1 運動特性測試

運動特性測試是指在額定0.7 MPa壓縮空氣輸入時，通過PLC控制比例閥30%， 60%及100%開度對氣動三維平臺的三軸運動狀態(tài)進(jìn)行測試，這是一種能夠全面反映氣動三維平臺的設(shè)計、加工、裝配的測試方法，測試結(jié)果如表1所示。

表1 氣動三維平臺運動指標(biāo)

測試結(jié)果表明氣動三維平臺在額定負(fù)載下能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)運動，整個過程無頓挫現(xiàn)象，在給定停止指令后，能平穩(wěn)停止運動。

4.2 保壓測試

將氣動三維平臺浸沒在水中，當(dāng)三維平臺停止使用時，將3組二位三通手動閥調(diào)至氣動馬達(dá)的C口并與氣瓶相連接，同時對3組氣瓶進(jìn)行充氣片刻后切斷充氣，記錄此時氣壓為0.6 MPa，保壓4 h。保壓期間，系統(tǒng)所在的水中無氣泡產(chǎn)生，系統(tǒng)壓降小于0.01 MPa，證明系統(tǒng)無泄漏。

5 結(jié)論

在分析國內(nèi)外水下三維移動平臺研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套氣動三維平臺系統(tǒng)，采用氣動馬達(dá)代替水下伺服電機，不僅減少了成本，而且也增加了系統(tǒng)的安全性。最后，對氣動三維平臺系統(tǒng)進(jìn)行了全面的性能試驗以及長時間的運行考驗，所設(shè)計的氣動三維平臺依舊保持良好的運行狀態(tài)，滿足壓水堆乏燃料組件池邊檢查。

本設(shè)計創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 系統(tǒng)設(shè)有防水倒灌回路，系統(tǒng)停止工作時，整體回路能夠保持正壓狀態(tài)，阻止乏池水進(jìn)入系統(tǒng)，使其能夠長時間暫存在乏燃料水池；

(2) 氣路實行分區(qū)設(shè)置，確保了乏池水不會進(jìn)入電控柜，且將沾污與未沾污組件有效隔離；

(3) 氣動馬達(dá)停止運動時，系統(tǒng)設(shè)有主動制動方式，有效地減少了氣動平臺收到停止信號時越過制動點的距離。