起重機(jī)自動(dòng)抓具模擬體研究★

林鈺茗， 霍貴龍， 胡敦忠， 薛毅馨

（1.華能山東石島灣核電有限公司， 山東 威海 264200；2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030000；3.太原重工股份有限公司起重機(jī)分公司， 山西 太原 030000）

引言

某起重機(jī)是乏燃料貯存系統(tǒng)中的重要設(shè)備，用于反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)乏燃料的貯存和排空堆芯時(shí)燃料元件的暫存。其功能是按指令要求將乏燃料貯罐運(yùn)送和吊裝到指定位置；并在需要時(shí)，按指令將乏燃料貯罐從指定位置吊出，經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)孔裝入屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)罐內(nèi)外運(yùn)，或運(yùn)行至裝料位置通過抽吸的方式將暫存的燃料元件送回堆芯。自動(dòng)抓具結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)抓具結(jié)構(gòu)簡圖

用于該起重機(jī)的自動(dòng)抓具主要包括抓具本體、連桿機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)吊環(huán)組件、電動(dòng)推桿和限位開關(guān)等[1]。抓具上的電氣設(shè)備和電纜及儀控信號(hào)線進(jìn)行輻射屏蔽，或采用耐輻照的產(chǎn)品，抓具的鋼屏蔽厚度要求不少于150 mm，抓具上方的各類線纜和電氣設(shè)備被鋼屏蔽充分保護(hù)。自動(dòng)抓具遵循失電安全的設(shè)計(jì)原則。機(jī)構(gòu)布置如下：電動(dòng)推桿推動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的一點(diǎn)，四連桿機(jī)構(gòu)連接4 個(gè)卡爪。

參考工程主機(jī)用自動(dòng)抓具，設(shè)計(jì)制造一套模擬體，尺寸比例按照1∶1，主要模擬其外形、整體質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、手動(dòng)打開機(jī)構(gòu)等。研發(fā)完成的模擬體用于后續(xù)現(xiàn)場人員的技能培訓(xùn)，該模擬體是本文的研究對象。

1 機(jī)構(gòu)仿真研究

通過多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS[2]，對自動(dòng)抓具模擬體機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，模擬機(jī)構(gòu)在實(shí)際工況下的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算電動(dòng)推桿在工作過程中推壓力的變化曲線。機(jī)構(gòu)仿真模型示意圖如圖2 所示。

圖2 機(jī)構(gòu)仿真模型示意圖

將模型中各運(yùn)動(dòng)部件分別定義為不同的連桿，將電動(dòng)推桿本身設(shè)為滑動(dòng)副(E)，通過運(yùn)動(dòng)函數(shù)為其定義驅(qū)動(dòng)（Motion）。將電動(dòng)推桿與連桿裝置設(shè)為圓柱副（D），連桿裝置與吊鉤旋轉(zhuǎn)裝置間設(shè)為圓柱副（A3、A4、B3、B4）吊鉤旋轉(zhuǎn)裝置與吊具本體間設(shè)為圓柱副（A5、A6、B5、B6），且吊鉤旋轉(zhuǎn)裝置與吊具本體間設(shè)置體對體的接觸。兩種方案均考慮鉸接和接觸位置的摩擦力。各運(yùn)動(dòng)副位置示意圖如下頁圖3 所示。

圖3 各運(yùn)動(dòng)副位置示意圖

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)也分為3 種情況討論，以分析在不同速度曲線下電動(dòng)推桿推壓力的變化：

通過位移進(jìn)行驅(qū)動(dòng)：step（time，0，0，8，76.1）。

通過速度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)：step（time，0，0，1，step（time，7，10.86，8，0））。

通 過 速 度 進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng)：step（time，0，0，0.5，step（time，7.5，10.15，8，0））。

對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到以下結(jié)果：

1）以位移進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，推壓力變化如圖4-1 所示，此時(shí)推壓力的最大值為658 N；

2）以速度2 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，推壓力變化如圖4-2 所示，此時(shí)推壓力的最大值為662 N；

3）以速度3 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，推壓力變化如圖4-3 所示，此時(shí)推壓力的最大值為665 N。

圖4 電動(dòng)推桿速度和推壓力變化曲線

對上述仿真結(jié)果進(jìn)行簡單驗(yàn)證。此時(shí)，取消電動(dòng)推桿上的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Motion），對其施加大小為700 N的作用力，可以看到整個(gè)機(jī)構(gòu)可以完整的完成一個(gè)工作循環(huán)，可以驗(yàn)證上述所求的推壓力有效。

用不同的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行推桿驅(qū)動(dòng)，所得到的推壓力變化趨勢一致，最大值也非常接近?？梢哉J(rèn)為在正常的速度變化范圍內(nèi)，速度曲線對推桿的推壓力影響較小。推壓力的最大值均小于900 N，電動(dòng)推桿速度均在8～15 mm/s 的范圍之內(nèi)。

2 電動(dòng)推桿研究

2.1 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)及工作原理

電動(dòng)推桿由電動(dòng)機(jī)、二級(jí)減速器、絲桿、推桿組件等組成。電動(dòng)推桿利用電動(dòng)機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)二級(jí)減速器，從而推動(dòng)推桿的前后運(yùn)動(dòng)。本電動(dòng)推桿采用水平安裝方式，在減速器箱體蓋及推桿端部分別設(shè)有安裝孔，并將推桿端部設(shè)計(jì)為周向360°萬向節(jié)，可根據(jù)現(xiàn)場安裝條件調(diào)整角度，以便于安裝。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)二級(jí)減速器，使得絲杠在齒輪的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，絲桿通過梯形螺紋推動(dòng)推桿組件向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí)，推桿組件會(huì)壓動(dòng)行程限位開關(guān)，使得推桿停止。當(dāng)電動(dòng)機(jī)通反向電時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)二級(jí)減速器，使得絲杠在齒輪的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，絲桿通過梯形螺紋推動(dòng)推桿組件向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí)，推桿組件會(huì)壓動(dòng)行程限位開關(guān)，使得推桿停止。當(dāng)電動(dòng)推桿在工作過程中推力大于極限值時(shí)，電動(dòng)推桿會(huì)壓動(dòng)過載保護(hù)裝置使得推桿安全停止。

2.2 電動(dòng)推桿技術(shù)參數(shù)

某核電站起重機(jī)自動(dòng)抓具采用電動(dòng)推桿為動(dòng)力，滿足如下要求：

1）耐核輻射，控制設(shè)備劑量率為1.32×102rad/h，累積劑量為2×107rad；

2）耐腐蝕，主要外露材質(zhì)為不銹鋼；

3）采用耐輻照潤滑；

4）采用免維護(hù)軸承。

因以上要求的特殊性，原主機(jī)電動(dòng)推桿委托廠家專業(yè)定制。模擬體電動(dòng)推桿用于培訓(xùn)操作，無上述要求限制，因此可選用接近或滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿。兩種推桿的參數(shù)對比見下頁表1。

從表1 中對比可以看出，選用的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿滿足模擬體基本使用要求，質(zhì)量比原電動(dòng)推桿減輕31 kg，并且可大幅度降低成本。

表1 模擬體與原設(shè)備用電動(dòng)推桿參數(shù)對比

2.3 電動(dòng)推桿配重研究

模擬體用電動(dòng)推桿重量輕，會(huì)對自動(dòng)抓具的模擬可靠性產(chǎn)生影響，需要加入配重結(jié)構(gòu)，來保證模擬體重量和重心位置基本保持不變。電動(dòng)推桿配重結(jié)構(gòu)如下頁圖5 所示。

圖5 電動(dòng)推桿配重結(jié)構(gòu)圖

配重結(jié)構(gòu)主體由兩塊鋼板組成，放置于電動(dòng)推桿兩側(cè)，鋼板采用筋板加緊固件進(jìn)行連接，并設(shè)置有橡膠塊等保護(hù)電動(dòng)推桿。合理布置鋼板規(guī)格，整個(gè)配重結(jié)構(gòu)質(zhì)量為31 kg；合理布置緊固件相對鋼板的固定位置，保持現(xiàn)模擬體電動(dòng)推桿加配重后的重心位置和原主機(jī)電動(dòng)推桿重心位置保持一致。

2.4 電動(dòng)推桿與連桿機(jī)構(gòu)接頭研究

原電動(dòng)推桿與連桿機(jī)構(gòu)接口是模擬體用電動(dòng)推桿接口是圓柱體上開圓孔。另外，模擬體電動(dòng)推桿長度略小于原電動(dòng)推桿。兩種接口對比如圖6 所示。

圖6 電動(dòng)推桿與連桿機(jī)構(gòu)接口對比

為解決接口不一致的問題，增加連接件用以完成不同接口的轉(zhuǎn)換。連接件連接連桿機(jī)構(gòu)和模擬體電動(dòng)推桿，與連桿機(jī)構(gòu)連接部分采用和原電動(dòng)推桿相似的接口形式。連接件和模擬體電動(dòng)推桿連接在一起的兩端長度和原電動(dòng)推桿長度相同，因此保證了模擬體和原設(shè)備各部件之間連接的一致性。圖7 為電動(dòng)推桿增加連接件示意圖。

圖7 電動(dòng)推桿增加連接件示意圖

2.5 新舊電動(dòng)推桿對比

經(jīng)上述研究，通過增設(shè)連接件，合理設(shè)計(jì)配重結(jié)構(gòu)，將連接件、電動(dòng)推桿、配種結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，在接口型式、長度尺寸、質(zhì)量、重心位置等方面，實(shí)現(xiàn)了模擬體電動(dòng)推桿與原主機(jī)電動(dòng)推桿保持一致，具體為：與連桿機(jī)構(gòu)連接接口均為扁平狀接口；初始位置電動(dòng)推桿長度尺寸均為485 mm；質(zhì)量均為40 kg；重心均位于推桿套和電動(dòng)機(jī)中間位置。原電動(dòng)推桿和現(xiàn)電動(dòng)推桿外形如圖8 所示。

圖8 新舊電動(dòng)推桿外形

3 限位開關(guān)研究

主機(jī)自動(dòng)抓具采用行程限位開關(guān)，在電動(dòng)推桿初始行程位置和結(jié)束行程位置觸發(fā)。在模擬體自動(dòng)抓具設(shè)計(jì)過程中，為了進(jìn)一步節(jié)約成本及采購周期考慮，采用機(jī)械式限位擋塊替代電氣式行程限位開關(guān)。圖9是原限位開關(guān)和機(jī)械式限位擋塊對比圖形。

圖9 原限位開關(guān)和機(jī)械式限位擋塊

4 結(jié)語

本文針對某核電站起重機(jī)自動(dòng)抓具模擬體進(jìn)行研究，通過采用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿、設(shè)計(jì)連接件和配重結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)機(jī)械式限位擋塊的措施，滿足了模擬體1∶1尺寸比例的要求。本文的研究工作在滿足模擬體使用功能的基礎(chǔ)上，顯著降低了產(chǎn)品成本，縮短了生產(chǎn)周期。