基于核廢料搬運的數(shù)控起重機實現(xiàn)

莊炳春 譚俊亮 歐林銘 茹信濤

廣州起重機械有限公司 廣州 510405

0 引言

核廢料是核電站日常運行維修過程等活動伴生的一種廢物，廢物中含有放射性核素或被放射性核素所污染。少量核廢料（如乏燃料組件等）屬于高放射性廢物，除此之外的大量核廢料（如泥漿、樹脂、退役儀器、水過濾器、工藝廢液等）屬于低、中放射性廢物。對低、中放射性廢物的處理辦法是通過水泥固化、廢物壓縮、廢液濃縮固化后，裝入廢料容器（鋼桶或鋼箱）內(nèi)，放置于淺地表填埋場。根據(jù)我國核電發(fā)展規(guī)劃，未來核電將得到快速發(fā)展，至2050年，國內(nèi)運行的核電機組總臺數(shù)約達到128臺，每年將產(chǎn)生6 300 m3以上的固體核廢料需要填埋處置[1]，故核廢料處置過程需要利用起重機進行搬運。

搬運核廢料容器的環(huán)境、工況等較特殊，需要專門設(shè)計的起重機，以便能夠高安全、高可靠地完成核廢料容器的抓取卸車、堆垛碼放、有序填埋等工作。《特種設(shè)備安全法》第100條規(guī)定：核廢料起重機不屬于特種設(shè)備管理范疇，國內(nèi)目前尚無專門針對核廢料起重機的生產(chǎn)、使用、檢驗和管理等內(nèi)容而編制的標準。用戶招標要求不一致，在役的核廢料起重機類型和技術(shù)參差不齊，不利于安全起吊和生產(chǎn)作業(yè)。因此，本文參考相關(guān)資料，結(jié)合工程項目的實際設(shè)計經(jīng)驗，通過分析提出核廢料數(shù)控起重機關(guān)鍵技術(shù)的解決思路和實現(xiàn)方案，對低、中放射性核廢料搬運的數(shù)控起重機和類似起重機的設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)、使用以及技術(shù)標準規(guī)范的編制等有一定的參考作用。

1 核廢料數(shù)控起重機的關(guān)鍵技術(shù)

核廢料為危險載荷，為盡量降低人員近距離接觸風險，起重機應(yīng)實現(xiàn)遠程控制，滿足智能化、高可靠性、高安全性的要求，即使偶爾出現(xiàn)故障也應(yīng)遵循單一故障保護準則，即運用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的安全可靠性。

智能化體現(xiàn)在起重機應(yīng)具備自動獲取核廢料容器的三維位置、自動識別核廢料容器面字符代碼的能力、自動運行避障和故障診斷警告等功能。高可靠性要求起重機的主要承載鋼結(jié)構(gòu)（如主梁、端梁、小車架、平衡梁等）在強度和剛度上盡量采用保守設(shè)計，嚴格控制關(guān)鍵焊縫質(zhì)量；各機構(gòu)的電動機功率和減速器扭矩有足夠富余量；制動力矩、鋼絲繩具有較高的安全系數(shù)等。在使用中應(yīng)達到高度安全性，起重機應(yīng)能實現(xiàn)精確對位、輕取輕放，避免核廢料容器跌落或受到碰撞，導(dǎo)致放射性核素直接或間接外泄；起重機應(yīng)有防傾翻裝置和錨定裝置，以確保7級地震載荷工況時起重機橋架和小車不脫軌，零部件不跌落，車架不變形；各種位置檢測開關(guān)、保護開關(guān)等傳感器應(yīng)采用冗余設(shè)計，以確保不沖頂、不碰撞等。當起重機任何部位發(fā)生單一隨機故障時，或同時出現(xiàn)源自此隨機故障的各種繼發(fā)故障時，起重機仍具有保持載荷的能力。可靠性、安全性、冗余技術(shù)三者相輔相成、密不可分。本文結(jié)合工程項目實際情況，從機構(gòu)設(shè)計、冗余技術(shù)、精度實現(xiàn)、智能控制等角度進行分析，提出核廢料數(shù)控起重機的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方案。

2 起升機構(gòu)設(shè)計要點

起升機構(gòu)是起重機的核心關(guān)鍵部件，其零部件的失效或故障會直接導(dǎo)致高空墜物等重大事件的發(fā)生，故應(yīng)特別重視起升機構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計和制造質(zhì)量。另外，核廢料數(shù)控起重機起升機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵循單一故障保護準則。

2.1 起升機構(gòu)總體布局

核廢料數(shù)控起重機的起升機構(gòu)一般采用開放卷揚形式，便于個性化的開發(fā)設(shè)計和智能化的應(yīng)用。圖1為起升機構(gòu)示意圖，起升機構(gòu)分為常用機構(gòu)和備用機構(gòu)，常用機構(gòu)使用單電動機、單減速器、多制動器、雙聯(lián)卷筒、雙鋼絲繩、定滑輪組、平衡梁等結(jié)構(gòu)，小車架下連接防搖伸縮筒，伸縮筒底部安裝動滑輪組，備用機構(gòu)采用三合一減速電動機方式，與常用機構(gòu)通過嚙合裝置連接。常用機構(gòu)傳動鏈上配備3套制動器，即安裝于高速側(cè)的2個支持制動器和低速側(cè)的1個安全制動器。每個支持制動器分別按照高于1.25倍制動安全系數(shù)計算[2]，制動器配有剎車片磨損探測、開閉檢測和手動松閘裝置等。安全制動器能單獨制動住超速下墜狀態(tài)下的額定載荷，其安全系數(shù)不低于1.75倍。為避免卷筒上的鋼絲繩跳槽，引起鋼絲繩纏繞混亂相互擠壓造成鋼絲損傷，在卷筒側(cè)安裝了壓繩裝置和跳繩檢測開關(guān)，一旦鋼絲繩脫槽頂開壓桿，檢測開關(guān)動作驅(qū)動起升機構(gòu)停止上升，只允許下降。

圖1 起升機構(gòu)布置圖

2.2 鋼絲繩纏繞系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，鋼絲繩纏繞系統(tǒng)由雙聯(lián)卷筒、鋼絲繩、動滑輪組、定滑輪組、平衡梁等組成。平衡梁兩端設(shè)置有緩沖裝置，以減輕斷繩時的沖擊。另外，安裝有斷繩檢測開關(guān)，用于檢測平衡梁平衡度，以獲得2根鋼絲繩伸長量是否一致、鋼絲繩是否斷裂的信息，信號傳遞給中控系統(tǒng)以實現(xiàn)故障保護。鋼絲繩端頭固定于卷筒上，引出后纏繞過動滑輪組、定滑輪組，終點固定于平衡梁上，纏繞系統(tǒng)滿足一根鋼絲繩斷裂后另外一根鋼絲繩能夠平穩(wěn)地把持載荷[3]的單一故障準則要求。

圖2 鋼絲繩纏繞系統(tǒng)示意圖

依據(jù)GB8918—2006《重要用途鋼絲繩》[2]，2根鋼絲繩采用左右捻向相反。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范要求》[3]規(guī)定“吊運危險物品的起重用鋼絲繩一般應(yīng)比設(shè)計工作級別高一級的工作級別選擇…鋼絲繩最小安全系數(shù)n值”的原則進行選擇鋼絲繩，同時考慮出現(xiàn)單一故障（1根鋼絲繩斷裂）時，即全部載荷由另一根鋼絲繩承受，且載荷突然加載的沖擊情況，其安全系數(shù)（n1）仍大于3[4]，由此可推算出同時受載下的2根鋼絲繩的最低安全系數(shù)n值。以實際項目為例，起升機構(gòu)工作級別為M6，起升額定速度vq＝10 m/min，則起升動載系數(shù)可表示為

假設(shè)在載荷離地瞬間鋼絲繩收緊，起升機構(gòu)達到額定速度，且額定載荷全由單根鋼絲繩受載，此時鋼絲繩沖擊最大。起升狀態(tài)級別達到HC4，對應(yīng)的β2＝0.68，Ф2min＝1.2，則有

在同樣的破斷拉力下，即安全系數(shù)與最大工作靜拉力的乘積相同，則每一根鋼絲繩的最低安全系數(shù)為

按照比工作級別高一級選擇，當起升機構(gòu)工作級別為M6時，其安全系數(shù)為7.1。由此可見，核廢料數(shù)控起重機的鋼絲繩應(yīng)取按照工作級別與單繩受力且最大沖擊下求得的安全系數(shù)兩者的最大值。

2.3 傳動鏈完整性檢測方案

起升機構(gòu)傳動鏈的零件在超載、疲勞作用下會出現(xiàn)如軸扭斷、齒根折斷、卷筒座爆裂等損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致傳動鏈斷裂。為消除安全隱患，防范傳動鏈破壞引起貨物自由落體下墜的風險，可在圖3所示傳動鏈的頭尾兩端設(shè)置增量式編碼器作為傳動鏈檢測裝置。電動機側(cè)編碼器脈沖信號接入變頻器形成速度閉環(huán)，同時PLC通過變頻器讀取電動機輸出轉(zhuǎn)速；卷筒側(cè)編碼器接到PLC高速計數(shù)器獲得卷筒轉(zhuǎn)速，PLC計算電動機和卷筒轉(zhuǎn)速差比例與減速比進行比對，超出范圍時表明傳動鏈不正常，PLC輸出信號使安全制動器動作抱閘，避免重物失控下墜[5]。

圖3 傳動鏈檢測裝置示意圖

2.4 安全制動器設(shè)置和動作信號

安全制動器是安裝于卷筒組末端的1套盤式制動器，它是起升機構(gòu)的最后一道安全防線。在系統(tǒng)軟件編程上，必須充分考慮安全制動器迅速動作的所有信號，在線路上確保信號得到可靠傳輸和接收。觸發(fā)安全制動器動作的信號如圖4所示，除了關(guān)機、斷電、緊急停止指令外，還要考慮鋼絲繩斷裂、起升機構(gòu)超速、傳動部件損壞或傳動鏈脫離斷開、起升卷筒跌落或下沉等信號。

圖4 安全制動器動作觸發(fā)信號流程圖

1）鋼絲繩斷裂信號

2根鋼絲繩伸長量不一致或其中1根鋼絲繩斷裂，使平衡梁失去平衡而傾斜，觸發(fā)平衡梁檢測開關(guān)輸出信號驅(qū)動安全制動器動作。

2）起升機構(gòu)超速信號

當升降速度超過滿載最大穩(wěn)定速度的1.2時，超速開關(guān)輸出信號驅(qū)動安全制動器抱閘。當機構(gòu)有空載弱磁升速功能時，應(yīng)屏蔽超速開關(guān)信號以避免誤動作，或再增設(shè)一個高速區(qū)間專用的超速開關(guān)保護[6]。

3）傳動部件損壞或傳動鏈脫離斷開信號

起升機構(gòu)出現(xiàn)傳動鏈脫離斷開等狀況，PLC獲得電動機和卷筒不同步信號，使安全制動器動作。傳動鏈完整性檢測裝置比超速開關(guān)的反映更迅速，在傳動鏈故障出現(xiàn)初期就起作用，安全性更高。

4）起升卷筒跌落或下沉信號

卷筒軸斷裂、卷筒軸承損壞會使卷筒掉落或從制動系統(tǒng)中脫開，卷筒沉降跌落垂直距離過大，導(dǎo)致制動蝶脫離剎車片，使安全制動器失效。因此，在卷筒下方，以圖5所示方式設(shè)置支撐座和跌落檢測開關(guān)。支撐座限制卷筒的下沉空間，檢測開關(guān)及時向系統(tǒng)反饋卷筒的狀態(tài)，讓安全制動器抱閘，避免重物帶著卷筒旋轉(zhuǎn)下滑。

圖5 卷筒跌落支撐座及檢測開關(guān)示意圖

3 冗余技術(shù)規(guī)劃

無論是單一故障準則，還是安全性、可靠性的要求，都涉及到冗余技術(shù)問題。冗余設(shè)計可提高起重機的作業(yè)連續(xù)性和系統(tǒng)可靠性，保證起重機完成既定功能，提高了工作效率[7]；冗余設(shè)計也提高了系統(tǒng)安全性，使故障出現(xiàn)時危險載荷得到及時處置或轉(zhuǎn)移。核廢料數(shù)控起重機的冗余技術(shù)主要包括起升工作制動器采用雙推動器結(jié)構(gòu)、起升機構(gòu)配置應(yīng)急備用機構(gòu)、各機構(gòu)位置檢測有多重保護、平移機構(gòu)驅(qū)動裝置備份等。

3.1 起升工作制動器采用雙推動器結(jié)構(gòu)

圖6a為一種新型設(shè)計的雙推動器的制動器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)正常工作時用內(nèi)側(cè)推動器，外側(cè)推動器為備份。當內(nèi)側(cè)推動器失效時，外側(cè)推動器投入運行，直到作業(yè)空閑時再拆除維修，可提高作業(yè)連續(xù)性，減少停工損失。

3.2 起升機構(gòu)配置應(yīng)急備用機構(gòu)

圖6b為備用起升機構(gòu)采用三合一減速電動機形式，與常用機構(gòu)通過嚙合裝置進行切換。當起升電動機出現(xiàn)故障不能繼續(xù)工作時，借用外設(shè)的電動推力機構(gòu)切換到備用機構(gòu)，此時起升系統(tǒng)以低速下降，及時將危險載荷下放到安全位置，備用機構(gòu)作為應(yīng)急時冗余。

圖6 雙推桿制動器和備用起升機構(gòu)示意圖

3.3 各機構(gòu)位置檢測有多重保護

對于吊運危險物品的起重機，杜絕起升機構(gòu)沖頂和反繞尤為重要。為此，在起升機構(gòu)行程區(qū)間設(shè)置了多道機械式限位開關(guān)和軟開關(guān)。安裝于卷筒尾部的多級旋轉(zhuǎn)凸輪開關(guān)作為正常的上升減速、上升停止、下降減速、下降停止保護；在防搖伸縮筒終點，設(shè)置一道機械式終極限位，2個停止開關(guān)形式不同，觸發(fā)方式不同，分別切斷不同級別的控制線路。另外，利用起升機構(gòu)絕對值編碼器的高度位置信息，從軟件上控制機構(gòu)減速和停止。同樣，平移機構(gòu)利用十字開關(guān)實現(xiàn)先減速后停車，利用光電開關(guān)檢測運行終點，加上編碼尺的軟限位控制，也具有多級冗余。通過硬件和軟件的結(jié)合，使各機構(gòu)極限位置保護達到多層冗余，可靠性和安全性高[8]。

3.4 平移機構(gòu)驅(qū)動裝置備份

大車運行機構(gòu)驅(qū)動裝置為兩用兩備配置，小車運行機構(gòu)驅(qū)動裝置為一用一備配置，分別由2套變頻器控制。當1套變頻器或驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障時，借助圖7a所示小型電動推桿推動常用機構(gòu)的制動器打開，系統(tǒng)自動切換到備用機構(gòu)運行實現(xiàn)冷備份。常用機構(gòu)和備用機構(gòu)驅(qū)動裝置也可以設(shè)計為同時工作，在有限個驅(qū)動裝置故障時，該冗余系統(tǒng)仍能完成預(yù)定任務(wù)，形成熱備份。

圖7 制動器推力機構(gòu)和編碼帶閱讀器示意圖

除了以上技術(shù)外，大小車運行機構(gòu)的定位編碼帶配置雙閱讀器為一用一備（見7b）；壓繩裝置設(shè)置了雙重檢測開關(guān)；有2路供電系統(tǒng)確保供電延續(xù)性；電氣控制關(guān)鍵線路上運用觸頭串并聯(lián)技術(shù)提高線路切斷或連接能力；通訊網(wǎng)絡(luò)、電纜備有冗余線芯；服務(wù)器熱備份等冗余技術(shù)貫穿于機電設(shè)計的整個過程，是核廢料數(shù)控起重機的設(shè)計特點。

4 精度控制技術(shù)

起重機定位精度的要求出自于作業(yè)效率、碼垛對位、吊具與核廢料容器偏差、碰撞規(guī)避等的需要。核廢料數(shù)控起重機的定位精度最終表現(xiàn)為末端執(zhí)行器（即抓具）的三維重復(fù)位置精度。在通常情況下，起重機因受其跨度大、運行距離長、橋架變形等的影響，末端重復(fù)位置精度實現(xiàn)水平面±10 mm以內(nèi)、垂直方向±5 mm以內(nèi)是比較合適的。然而，要滿足該精度需從結(jié)構(gòu)、電氣甚至軟件上進行規(guī)劃。

1）運行軌道機械加工

對平移機構(gòu)導(dǎo)向軌的側(cè)面、頂面和非導(dǎo)向軌的頂面進行機械加工，施工中嚴格控制軌道的水平和垂直方向直線度、軌面傾斜度、2軌道的高低差。

2）設(shè)置水平導(dǎo)向輪

起重機在導(dǎo)向軌道側(cè)應(yīng)有水平輪，以減少橋架和小車架扭擺、側(cè)移產(chǎn)生的位置誤差。

3）提高結(jié)構(gòu)剛性

提高主梁垂直和水平剛性，降低負載下主梁的下?lián)?、旁彎變形對垂直位置和水平位置的測量偏差影響。

4）起升機構(gòu)剛性防搖

起升機構(gòu)全行程采用剛性伸縮筒防搖，可提高定位效率，固化上下運動偏差，減少風動影響。伸縮筒應(yīng)具備足夠的剛性，經(jīng)精密加工，配合緊密，自身全程偏擺量控制在±5 mm/10 m以內(nèi)。

5）選配合適的位置檢測傳感器

平移機構(gòu)采用WCS編碼帶或激光測距等絕對值定位方式，可杜絕用編碼器時因輪子空轉(zhuǎn)引起的位置偏差。起升機構(gòu)利用絕對值編碼器測量高度，必要時可結(jié)合主梁姿態(tài)變化和鋼絲繩變形量，通過軟件算法獲得實際高度位置。

5 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

圖8為核廢料數(shù)控起重機的智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)圖。系統(tǒng)從上到下分為監(jiān)控層、控制層、驅(qū)動層、執(zhí)行層、檢測層等5個層次。監(jiān)控層為上位機服務(wù)器，上載了智能化調(diào)度協(xié)同管理系統(tǒng)軟件，包括物料管理、庫區(qū)管理、視頻監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、字符識別、3D掃描，和作業(yè)管理等模塊；控制層以下位機PLC為核心，與檢測層通訊，獲得位置、安全、質(zhì)量等數(shù)字量和模擬量信息，發(fā)送指令給驅(qū)動層，對起重機和吊具進行運動控制。PLC將起重機位置、參數(shù)、狀態(tài)等信息發(fā)送給上位機，以便在監(jiān)視器界面上顯示；驅(qū)動層為變頻器和伺服控制器，控制執(zhí)行層的交流變頻電動機和伺服電動機，實現(xiàn)起重機三維機構(gòu)運動和吊具動作；檢測層包括三維位置檢測單元、安全聯(lián)鎖檢測單元、視頻監(jiān)控單元，以及3D掃描儀、OCR相機等。PLC與變頻器、編碼器、編碼帶閱讀器等之間，以現(xiàn)場總線形式通訊，遵循PROFINET通信協(xié)議，PLC與中控室服務(wù)器之間采用萬兆光纖通訊。

圖8 智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

核廢料數(shù)控起重機的基本任務(wù)是在暫存庫內(nèi)完成自動尋物、記錄編碼、卸車入庫、堆垛碼放、庫內(nèi)轉(zhuǎn)堆、出庫裝車；在填埋場內(nèi)完成自動尋物、記錄編碼、抓取卸車、搬運入坑、就位碼放等工作。廢料容器有多種規(guī)格，相應(yīng)匹配了多種類型吊具，出于安全等考慮，目前更換吊具工作只能在安全區(qū)域內(nèi)由人工實施。除此之外，后續(xù)的抓取、搬運、移動、堆垛等流程全部可實現(xiàn)智能化和自動化。管理人員在中控室內(nèi)通過圖形化顯示界面即可遠程監(jiān)視起重機的工作全過程，監(jiān)視器實時顯示作業(yè)場景視頻畫面和各機構(gòu)仿真運動畫面。以填埋場情景為例，數(shù)控起重機工作流程是：運輸車輛（如AGV）?？吭谝?guī)定區(qū)域內(nèi)后，首先數(shù)控起重機自動行駛到運輸車輛上方，起重機橋架的3D掃描儀對車廂區(qū)域進行初步掃描，通過點云數(shù)據(jù)深度分析處理，獲得廢物容器的規(guī)格、數(shù)量和三維位置；然后吊具下降到廢物容器上方，利用工業(yè)相機，對逐個廢物容器位置進行二次精確定位和確認，同時拍攝圖像，開啟OCR文字識別圖像處理功能，獲取廢物容器上的英文字符、阿拉伯數(shù)字代碼、條形碼或二維碼，數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機物料管理系統(tǒng)。最后啟動吊具，進行抓取卸車、碼放填埋等后續(xù)動作，直至全部任務(wù)完成。

6 結(jié)論

綜上所述，搬運低中放核廢料的起重機比較特殊，在設(shè)計中應(yīng)充分考慮作業(yè)的安全性、運行的可靠性、維修的便利性，實現(xiàn)智能化和高端半自動化。遵循單一故障設(shè)計原則，對核廢料搬運數(shù)控起重機的機構(gòu)、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)、冗余技術(shù)、精度控制、智能化控制等方面提出了具體的設(shè)計思路和實現(xiàn)方案。