泵站清淤機器人清淤工藝的研究

中廣核研究院有限公司 劉 帥 關雪丹 陳少南 大亞灣核電運營管理有限責任公司 李 斌 梁德漢

由于核電站取水泵站系統設備結構復雜、運行環(huán)境較為惡劣，為保證設備安全可靠性，核電站需周期性進行停堆檢修，及時發(fā)現并清理長期生長在取水泵站鼓網底部的海生物與淤泥，以保證核電站冷源正常、安全的運行。至今取水泵站的海生物清理任務仍采用人工清理方式，伴隨著的是工作環(huán)境惡劣、作業(yè)風險高、效率低、清理勞動強度大等問題。

隨著智能機器人技術的日漸成熟，以智能機器人替代人工的方式完成復雜惡劣環(huán)境中的高強度作業(yè)內容的方法，必將是未來核電站運維作業(yè)的方向。泵站清淤機器人設備針對核電站取水泵站鼓網底部的作業(yè)環(huán)境進行研究，通過模擬環(huán)境進行試驗驗證，優(yōu)化清淤工藝，最終應用于核電站現場完成泵站的運維任務。

1 機器人系統的工作原理及清淤工藝

1.1 機器人系統的工作原理

圖1為清淤機器人系統的系統組成。其中清淤機器人位于取水泵站鼓網底部，遠程控制系統位于作業(yè)現場之外的區(qū)域；圖像采集系統與傳感器將作業(yè)現場的狀況實時反饋給遠程操控人員，操控人員根據數據信息發(fā)送指令，操控清淤機器人完成現場清淤任務；清淤機器人包括入料收集系統、破碎機構、淤泥泵以及液壓系統，海生物與淤泥通過入料斗中的螺旋葉片吸入破碎機構中，破碎后的顆粒滿足淤泥泵的輸送要求，再由淤泥泵輸送出作業(yè)現場[1]。

圖1 清淤機器人系統的系統組成

圖2 清淤機器人作業(yè)原理圖

1.2 機器人的清淤工藝

取水泵站底部的海生物主要以青口為主，長度30mm至70mm不等，多數已死亡并粘連成團，其腐蝕殘渣與淤泥混合并覆蓋整個池底，累積厚度平均0.2米左右，表面浮水0.3米高；青口外殼堅硬，聚集成團，需要通過破碎機構進行破碎后才能輸送出現場，輸送出的青口殘渣會揮發(fā)腐蝕性氣味，現場需要做防護處理。

圖3 現場青口與淤泥混合物

由于青口和淤泥的混合物即使在水下也不具備流動性，所以需要由入料收集系統將青口和淤泥匯集到清淤機器人本體內，在匯集的過程中對成團狀的青口進行第一次破碎，防止堵塞機器人入料口。入料斗鏟口為正方形，開口尺寸為862mm×318mm，入料斗橫截面積約為0.27m2，滿足現場淤泥最大深度300mm。當淤泥高度小于120mm時，淤泥高度小于進料口高度，淤泥與海生物未完全浸沒進料口，需要提升螺旋葉片旋轉速度，將更多淤泥匯集到進料口，以提高清淤效率。

圖4 入料收集系統

入料斗內配有一種雙螺旋葉片，通過液壓馬達帶動雙螺旋葉片旋轉，旋轉的雙螺旋葉片對淤泥產生軸向的推動力，將螺旋葉片接觸到的淤泥以及海生物推向破碎機入口處，實現匯聚的功能。螺旋葉片邊緣加工成鋸齒狀并打磨鋒利，對粘連的青口進行第一次切割[2]。

根據入料斗的尺寸，設計螺旋葉片直徑為300mm，安裝高度160mm，使入料斗內盡可能不殘留未匯集的淤泥。葉輪的螺距為160mm，雙螺帶旋向相反，與入料斗中心對稱分布，葉片中心軸軸徑為45mm，螺旋葉片圈數為4。

葉輪外螺旋的螺旋升角為：atan (160mm×π/300mm)÷（180/π），單螺旋葉片水平方向投影面積為：（300mm/2）2×π=7068mm2，單螺旋輸送淤泥體積為：7068mm2×160mm=0.0011m3。

傳動效率取0.6～0.7，設計螺旋葉片圈數為4，當轉速n=60rpm時當淤泥輸送量為9.5m3/h。作業(yè)時以60rpm對應9.5m3/h為基準，根據淤泥量的厚度調整轉速。破碎機構的額定流量為8m3/h，對應轉速為45rpm，淤泥泵的額定流量為5m3/h，對應轉速為60rpm。

2 試驗過程

如圖5所示，在試驗平臺上模擬取水泵站鼓網底部環(huán)境，放置大量海生物和淤泥混合物，通過清淤機器人進行清理作業(yè)。為使設備的清淤效率最大化，將清淤機器人的淤泥泵流量調至額定流量5m3/h，破碎機流量調至6m3/h，入料收集系統流量調整至6m3/h，實測清淤效率為4m3/h；當破碎機流量大于6m3/h時不影響清淤效率，當入料收集系統流量大于6m3/h會出現堵塞入料口現象。

圖5 模擬試驗環(huán)境

清淤機器人整體采用液壓系統傳動，由于設備體積限制，油箱的冷卻能力限制了設備的作業(yè)時間，試驗過程中通過對油溫的實時監(jiān)測優(yōu)化設備的周期，其中圖6為沒有加入油冷系統時的溫度，圖7為加入油冷系統時的溫度，圖8為自然冷卻時的溫度，圖9為滿負載運行時的溫度。

圖6 沒有加入油冷系統時的溫度

圖7 加入油冷系統時的溫度

圖8 自然冷卻時的溫度

圖9 滿負載運行時的溫度

通過數據可以分析出，設備正常運載時油溫1.5小時后達到預警溫度60℃；加入冷卻系統后1.5小時后達到峰值45℃并保持不變；自然冷卻1.5小時后降回45℃，冷卻較慢；滿載試驗2.2小時后在55℃達到平衡。經多次試驗結果優(yōu)化設備運行周期：滿載使用1.5小時、待機冷卻0.5小時、再次滿載使用1小時、待機冷卻1小時，可以滿足液壓系統冷卻條件。

3 結語

入料收集系統的流量影響清淤效率，根據作業(yè)現場的實際工況，并時刻配合機器人的行走速度，以達到最佳的清理效率；液壓系統的冷卻影響清淤機器人的清淤效率，油溫過高會減少液壓系統的使用壽命，甚至造成液壓系統故障，所以需要對油溫進行實時監(jiān)控，并配合液壓油冷卻系統降低液壓油溫度，并制定具體的作業(yè)計劃以達到最佳清理效果。