機(jī)械手在核化工項(xiàng)目中的應(yīng)用

引言

國(guó)際上對(duì)核化工項(xiàng)目的操作水平和安全性要求越來越高,如直接進(jìn)行檢維修操作之前需對(duì)放射性設(shè)備和熱室進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的去污,影響開工時(shí)間,同時(shí)操作人員受輻照劑量較高,也會(huì)帶來較多的去污廢液:而采用遠(yuǎn)距離操作方式,待維修設(shè)備不必清洗到人員直接操作的去污限值,操作人員無須進(jìn)入熱室內(nèi),所受輻照劑量低。因此,核化工項(xiàng)目的維修原則多傾向于遠(yuǎn)距離維修,機(jī)械手的性能和可靠性的提高、遠(yuǎn)距離操作技術(shù)的進(jìn)步可為遠(yuǎn)距離維修操作提供更多的方案選擇。

1機(jī)械手類型介紹

機(jī)械手類型眾多,按照驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行分類,主要可分為主從機(jī)械手、電隨動(dòng)主從機(jī)械手、動(dòng)力手和劍式機(jī)械手。

1.1主從機(jī)械手

主從機(jī)械手(圖1)可以完成較為靈活、復(fù)雜和精細(xì)的操作,能夠模仿操作人員的動(dòng)作,具有較好的密封性,可保證工作人員操作環(huán)境的安全。其一般成對(duì)安裝于混凝土、鉛或鋼制屏蔽墻體的各種尺寸熱室中,每個(gè)熱室屏蔽窗上部安裝有兩個(gè)主從機(jī)械手。主從機(jī)械手主要有兩個(gè)機(jī)械臂,一個(gè)安裝在操作前區(qū)的冷端(主動(dòng)臂),另一個(gè)安裝在熱室內(nèi)的熱端(從動(dòng)臂),它們通過穿墻件連接在一起。操作人員在冷端通過屏蔽窗操作主動(dòng)臂的每個(gè)動(dòng)作都直接傳輸至熱端的從動(dòng)臂上,從動(dòng)臂在熱室內(nèi)進(jìn)行相同的動(dòng)作。

圖1主從機(jī)械手

機(jī)械式主從機(jī)械手還包括伸縮臂主從機(jī)械手和較鏈臂主從機(jī)械手兩類。伸縮臂機(jī)械手可以傳遞操作人員無輔助手動(dòng)操作所用的最大作用力,一般尺寸較大,適用于較大的工作空間。較鏈臂機(jī)械手允許傳遞的力達(dá)中等水平,操作員可以較容易地在無輔助手動(dòng)操作時(shí)重復(fù)動(dòng)作,一般尺寸較小,可用于較小的工作空間。

1.2電隨動(dòng)主從機(jī)械手

電隨動(dòng)主從機(jī)械手(圖2)有6~7個(gè)自由度,構(gòu)成部件能夠提供電助力。從動(dòng)臂的移動(dòng)有電機(jī)提供的傳輸力幫助(從動(dòng)臂的樞軸作用),并通過配重平衡減輕操作員的操作負(fù)擔(dān),操作工作產(chǎn)生的力傳輸至主動(dòng)臂上。

圖2電隨動(dòng)主從機(jī)械手

電隨動(dòng)主從機(jī)械手的主動(dòng)臂在操作前區(qū)(冷端)安裝在穿墻件上。主動(dòng)臂是一個(gè)樞軸伸縮套筒,可以手動(dòng)移動(dòng),也可電力移動(dòng),具有能夠執(zhí)行熱室工作的必要自由度。主動(dòng)臂包括一個(gè)操作夾鉗工作的手柄,它可用于啟動(dòng)電機(jī)助力,操作員可通過左手和右手操作此手柄,可固定伸縮套筒和手柄以避免移動(dòng),主動(dòng)臂頂部安裝有配重和電驅(qū)動(dòng)裝置。

電隨動(dòng)主從機(jī)械手的從動(dòng)臂在熱室內(nèi)(熱端)安裝在穿墻件上。從動(dòng)臂與主動(dòng)臂配對(duì),并直接反映主動(dòng)臂的所有動(dòng)作,從動(dòng)臂可由操作員通過主動(dòng)臂直接驅(qū)動(dòng),也可以通過電助力驅(qū)動(dòng)。從動(dòng)臂配有一個(gè)夾鉗以執(zhí)行所有所需操作,夾鉗可抓住熱室內(nèi)的部件,夾鉗還可夾持操作工具如螺栓鉆頭來維護(hù)或修理部件,可以通過主動(dòng)臂的動(dòng)作將從動(dòng)臂卸下。

1.3動(dòng)力手

動(dòng)力手(圖3)是一個(gè)在工藝廠房熱室中移動(dòng)的操作系統(tǒng),用于在工廠熱運(yùn)行階段,對(duì)熱室/設(shè)備室中的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或修理,此外,在核設(shè)施退役階段,動(dòng)力手將承擔(dān)拆卸任務(wù)。在廠房日常運(yùn)行時(shí),不使用動(dòng)力手。動(dòng)力手的機(jī)械手操作、抓取能力很強(qiáng),由控制裝置操作控制,可以完成工程所需的重載操作、起重運(yùn)輸和維修等任務(wù)。

圖3動(dòng)力手

動(dòng)力手的結(jié)構(gòu)與雙梁橋式吊車相似,具有用來水平移動(dòng)的雙梁橋架和起重小車。與吊車相比,動(dòng)力手有一個(gè)位于小車下部的伸縮式機(jī)械手臂。通過伸縮功能,機(jī)械手臂可以垂直移動(dòng)。通過機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn),動(dòng)力手可以在熱室內(nèi)的所有位置進(jìn)行移動(dòng)。在機(jī)械手臂的末端有一個(gè)夾鉗,夾鉗可以實(shí)現(xiàn)多種操作,包括使用其他工具。此外,動(dòng)力手還配備了一個(gè)吊鉤,用來轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。日常運(yùn)行時(shí),動(dòng)力手停放在固定的熱室內(nèi),這一停車位置可以對(duì)周圍熱室進(jìn)行快速干預(yù),而不需要耽擱過長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

1.4劍式機(jī)械手

在核化工項(xiàng)目放化實(shí)驗(yàn)室、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域防護(hù)工作箱所采用的取樣、轉(zhuǎn)運(yùn)、分裝操作工具長(zhǎng)期以來一直沿用劍式機(jī)械手(即長(zhǎng)桿夾鉗,圖4),此種操作工具是裝在鉛防護(hù)的球承孔中實(shí)現(xiàn)前后伸縮動(dòng)作,并借助球承在一定角度內(nèi)擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)上、下、左、右動(dòng)作。

圖4劍式機(jī)械手

目前,國(guó)內(nèi)后處理廠放化實(shí)驗(yàn)室、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域防護(hù)工作箱所采用的劍式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作有限(4個(gè)自由度),難以完成復(fù)雜、精細(xì)的操作任務(wù)。另外,由于球承質(zhì)量大,運(yùn)動(dòng)慣性較大,啟動(dòng)時(shí)很費(fèi)勁,而欲停止時(shí)不能馬上停止,劍式機(jī)械手操作精度受到了一定的影響。

2機(jī)械手的應(yīng)用和選擇

在核化工項(xiàng)目中,機(jī)械手的設(shè)計(jì)需綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、載荷能力、操作空間、靈巧性、可靠性等因素,從而選擇合適的機(jī)械手。

2.1各類機(jī)械手適用的應(yīng)用場(chǎng)景

表1描述了各類機(jī)械手在核化工領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2載荷能力

在考慮載荷能力時(shí),有必要盡可能精確地定義需要執(zhí)行的任務(wù),需明確的參數(shù)包括所操作的最大以及最可能載荷重量、施加在物品上的作用力、操作人員手臂旋轉(zhuǎn)施加的扭矩、工具(如液壓剪、沖擊扳手、振動(dòng)源、高壓噴射去污等)的反應(yīng)、需要吊起的物品重量。

為盡可能延長(zhǎng)機(jī)械手的使用壽命,應(yīng)盡量避免在最大載荷能力限值附近頻繁使用機(jī)械手,決定機(jī)械手類型的關(guān)鍵參數(shù)一般為操作任務(wù)的最大載荷能力。

2.3操作空間

在設(shè)計(jì)、選擇機(jī)械手時(shí),需考慮到屏蔽密封前面板和任何相鄰設(shè)備或結(jié)構(gòu)的布置,確保機(jī)械手可以順利完成工藝設(shè)備操作,應(yīng)檢查、核實(shí)操作空間的充分性。

2.4靈巧性

機(jī)械手的靈巧性代表其執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的易用性,靈巧性無法量化,對(duì)于某個(gè)機(jī)械手,其靈巧性與所施加的載荷成反比,且機(jī)械手的靈巧性可以通過操作人員良好、平穩(wěn)的動(dòng)作和最小的反沖(搖晃)來提高。

2.5可靠性

機(jī)械手的可靠性取決于工況,因此,為了獲得更好的可靠性,應(yīng)避免在極端工況下(如頻繁在最大載荷能力下使用,由于化學(xué)環(huán)境的影響導(dǎo)致性能下降,或者未經(jīng)過充分訓(xùn)練的操作員使用不當(dāng)?shù)?使用機(jī)械手,并充分考慮機(jī)械手制造商提供的維護(hù)間隔和規(guī)程說明。

3展望和思考

國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封可分離式主從機(jī)械手從動(dòng)臂大多為雙伸縮套管結(jié)構(gòu),主要用于大型熱室的遠(yuǎn)距離操作。近年來,新研制出了單伸縮機(jī)械密封可分離式主從機(jī)械手,復(fù)雜程度較雙伸縮結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,設(shè)備故障率大大降低,減少了機(jī)械手維修工作量,對(duì)于提高設(shè)施的開工率有很大意義。新研制出的小型主從機(jī)械手已可取代傳統(tǒng)小型防護(hù)工作箱中大量使用、較為落后的劍式機(jī)械手,操作性能可大幅提高,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、精細(xì)的操作,具有7個(gè)自由度,且有力的反饋,自重輕、尺寸小,同時(shí)也促進(jìn)了箱室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代。

隨著新的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的形式越來越多,操作能力大于45kg的重載主從機(jī)械手、電隨動(dòng)主從式機(jī)器人、水下機(jī)械手以及對(duì)現(xiàn)有主從機(jī)械手進(jìn)行改造升級(jí)設(shè)計(jì)具有電動(dòng)遠(yuǎn)程控制功能等,均是今后的研究方向。相較于電驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,液壓機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、功能更加強(qiáng)大的機(jī)械手臂,在核化工項(xiàng)目中也具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,未來機(jī)械手類設(shè)備的性能將會(huì)進(jìn)一步提高,重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、易維修、承載能力大的機(jī)械手會(huì)更廣泛地應(yīng)用于核化工項(xiàng)目。