引言

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

1機械手類型介紹

機械手類型眾多,按照驅動原理進行分類,主要可分為主從機械手、電隨動主從機械手、動力手和劍式機械手。

1.1主從機械手

主從機械手(圖1)可以完成較為靈活、復雜和精細的操作,能夠模仿操作人員的動作,具有較好的密封性,可保證工作人員操作環(huán)境的安全。其一般成對安裝于混凝土、鉛或鋼制屏蔽墻體的各種尺寸熱室中,每個熱室屏蔽窗上部安裝有兩個主從機械手。主從機械手主要有兩個機械臂,一個安裝在操作前區(qū)的冷端(主動臂),另一個安裝在熱室內(nèi)的熱端(從動臂),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臂的每個動作都直接傳輸至熱端的從動臂上,從動臂在熱室內(nèi)進行相同的動作。

圖1主從機械手

機械式主從機械手還包括伸縮臂主從機械手和較鏈臂主從機械手兩類。伸縮臂機械手可以傳遞操作人員無輔助手動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。較鏈臂機械手允許傳遞的力達中等水平,操作員可以較容易地在無輔助手動操作時重復動作,一般尺寸較小,可用于較小的工作空間。

1.2電隨動主從機械手

電隨動主從機械手(圖2)有6~7個自由度,構成部件能夠提供電助力。從動臂的移動有電機提供的傳輸力幫助(從動臂的樞軸作用),并通過配重平衡減輕操作員的操作負擔,操作工作產(chǎn)生的力傳輸至主動臂上。

圖2電隨動主從機械手

電隨動主從機械手的主動臂在操作前區(qū)(冷端)安裝在穿墻件上。主動臂是一個樞軸伸縮套筒,可以手動移動,也可電力移動,具有能夠執(zhí)行熱室工作的必要自由度。主動臂包括一個操作夾鉗工作的手柄,它可用于啟動電機助力,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,主動臂頂部安裝有配重和電驅動裝置。

電隨動主從機械手的從動臂在熱室內(nèi)(熱端)安裝在穿墻件上。從動臂與主動臂配對,并直接反映主動臂的所有動作,從動臂可由操作員通過主動臂直接驅動,也可以通過電助力驅動。從動臂配有一個夾鉗以執(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或修理部件,可以通過主動臂的動作將從動臂卸下。

1.3動力手

動力手(圖3)是一個在工藝廠房熱室中移動的操作系統(tǒng),用于在工廠熱運行階段,對熱室/設備室中的設備進行維護或修理,此外,在核設施退役階段,動力手將承擔拆卸任務。在廠房日常運行時,不使用動力手。動力手的機械手操作、抓取能力很強,由控制裝置操作控制,可以完成工程所需的重載操作、起重運輸和維修等任務。

圖3動力手

動力手的結構與雙梁橋式吊車相似,具有用來水平移動的雙梁橋架和起重小車。與吊車相比,動力手有一個位于小車下部的伸縮式機械手臂。通過伸縮功能,機械手臂可以垂直移動。通過機械手臂的旋轉,動力手可以在熱室內(nèi)的所有位置進行移動。在機械手臂的末端有一個夾鉗,夾鉗可以實現(xiàn)多種操作,包括使用其他工具。此外,動力手還配備了一個吊鉤,用來轉運設備。日常運行時,動力手停放在固定的熱室內(nèi),這一停車位置可以對周圍熱室進行快速干預,而不需要耽擱過長的運動時間。

1.4劍式機械手

在核化工項目放化實驗室、同位素生產(chǎn)等領域防護工作箱所采用的取樣、轉運、分裝操作工具長期以來一直沿用劍式機械手(即長桿夾鉗,圖4),此種操作工具是裝在鉛防護的球承孔中實現(xiàn)前后伸縮動作,并借助球承在一定角度內(nèi)擺動,實現(xiàn)上、下、左、右動作。

圖4劍式機械手

目前,國內(nèi)后處理廠放化實驗室、同位素生產(chǎn)等領域防護工作箱所采用的劍式機械手可實現(xiàn)動作有限(4個自由度),難以完成復雜、精細的操作任務。另外,由于球承質量大,運動慣性較大,啟動時很費勁,而欲停止時不能馬上停止,劍式機械手操作精度受到了一定的影響。

2機械手的應用和選擇

在核化工項目中,機械手的設計需綜合考慮應用場景、載荷能力、操作空間、靈巧性、可靠性等因素,從而選擇合適的機械手。

2.1各類機械手適用的應用場景

表1描述了各類機械手在核化工領域的應用場景。

2.2載荷能力

在考慮載荷能力時,有必要盡可能精確地定義需要執(zhí)行的任務,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、操作人員手臂旋轉施加的扭矩、工具(如液壓剪、沖擊扳手、振動源、高壓噴射去污等)的反應、需要吊起的物品重量。

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

2.3操作空間

在設計、選擇機械手時,需考慮到屏蔽密封前面板和任何相鄰設備或結構的布置,確保機械手可以順利完成工藝設備操作,應檢查、核實操作空間的充分性。

2.4靈巧性

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

2.5可靠性

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

3展望和思考

國產(chǎn)機械密封可分離式主從機械手從動臂大多為雙伸縮套管結構,主要用于大型熱室的遠距離操作。近年來,新研制出了單伸縮機械密封可分離式主從機械手,復雜程度較雙伸縮結構大為簡化,設備故障率大大降低,減少了機械手維修工作量,對于提高設施的開工率有很大意義。新研制出的小型主從機械手已可取代傳統(tǒng)小型防護工作箱中大量使用、較為落后的劍式機械手,操作性能可大幅提高,能夠實現(xiàn)復雜、精細的操作,具有7個自由度,且有力的反饋,自重輕、尺寸小,同時也促進了箱室結構設計的更新?lián)Q代。

隨著新的自動化技術的發(fā)展,機械手的形式越來越多,操作能力大于45kg的重載主從機械手、電隨動主從式機器人、水下機械手以及對現(xiàn)有主從機械手進行改造升級設計具有電動遠程控制功能等,均是今后的研究方向。相較于電驅動機械手,液壓機械手具有結構更簡潔、功能更加強大的機械手臂,在核化工項目中也具有廣泛的應用前景。

隨著技術的不斷進步,未來機械手類設備的性能將會進一步提高,重量輕、結構簡單、操作簡便、易維修、承載能力大的機械手會更廣泛地應用于核化工項目。