核反應堆水池定位銷壓裝裝置與螺栓旋擰裝置

□ 游 冰 □ 王曉磊 □ 褚振忠 □ 張 紅 □ 朱田波

1.大亞灣核電運營管理有限責任公司 廣東深圳 518124 2.中廣核研究院有限公司 廣東深圳 518000 3.上海理工大學 機械工程學院 上海 200093

1 設(shè)計背景

適用于陸上定位銷壓裝施工和螺栓旋擰施工的自動化裝置已相對成熟,特別是螺栓旋擰裝置,已有較多的商業(yè)產(chǎn)品,代表性的廠家有美國英格索蘭、德國博世、法國喬治雷諾等,這些成熟的商業(yè)化產(chǎn)品,已在汽車制造、航天工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

核電站核反應堆水池環(huán)境中存在輻照,這給潛水員水中施工帶來了極大風險,由此需要開發(fā)具有較高自動化程度的施工裝置,以實現(xiàn)遠程操控或自主作業(yè)。但是,由于施工環(huán)境的特殊性,自動施工裝置的研制需要考慮幾個方面的問題。首先,必須解決施工裝置的水下密封問題,包括內(nèi)置的驅(qū)動電機、減速器、角度傳感器、扭矩傳感器等部件的密封。其次,必須解決施工裝置傳動機構(gòu)的動密封問題,保證驅(qū)動電機與外部旋轉(zhuǎn)軸在動力傳遞過程中的可靠性與高效率。再次,必須解決施工裝置及其底部基座的穩(wěn)定性問題,以承受施工裝置所施加的作用力或力矩。最后,考慮輻照環(huán)境,必須對驅(qū)動電機、電子元件等部件進行優(yōu)選或者特殊處理。

針對上述核反應堆水池中的定位銷壓裝與螺栓旋擰施工問題,筆者設(shè)計了自動化施工裝置,并制訂相應的施工工藝,然后通過搭建陸地模擬環(huán)境進行可行性測試。

2 施工過程

運行于核電站核反應堆水池中鋼制工件的安裝如圖1所示,目的是通過定位銷與螺栓實現(xiàn)對鋼制工件的緊固。擬安裝的鋼制工件長1 541 mm,寬233 mm,質(zhì)量約為80 kg,分別由四個φ24 mm定位銷和14個M20螺栓進行定位與鎖緊。

▲圖1 鋼制工件安裝

鋼制工件安裝涉及五軸運送平臺、視覺定位系統(tǒng)、施工裝置等多個設(shè)備。施工裝置包括定位銷壓裝裝置與螺栓旋擰裝置。五軸運送平臺主要用于三軸移動及俯仰與回轉(zhuǎn)運動,視覺定位系統(tǒng)主要解決定位銷及螺栓與各自對應安裝孔的定位問題,目前相關(guān)技術(shù)已較成熟。因此,筆者主要研究定位銷壓裝與螺栓旋擰兩套施工裝置的設(shè)計問題,并在此過程中重點關(guān)注兩個方面的問題。

第一,定位銷壓裝時,壓裝所產(chǎn)生的作用力超出底部基座,即五軸運送平臺的承載能力,因此需要解決的問題是如何實現(xiàn)壓裝力與底部基座的隔離保護。

第二,螺栓旋擰時,旋擰所產(chǎn)生的作用力矩會直接作用于底部基座,因此需要解決的問題是如何保證左右兩個螺栓旋擰扭矩的同步性以降低對底部基座的傾覆轉(zhuǎn)矩。

3 壓裝裝置及施工工藝

定位銷壓裝的目的是將定位銷壓入定位孔中,定位銷直徑為24 mm h7,長度為75 mm。定位銷采用過盈配合安裝,給定的壓裝載荷設(shè)計指標為7.5 t。若由底部五軸運送平臺直接承受該壓裝力,則五軸運送平臺需要具備極高的剛度與強度,否則會造成結(jié)構(gòu)件損毀、間隙增大、精度降低等問題。為此,筆者設(shè)計了一種基于四螺桿鎖緊的可分離式定位銷壓裝裝置,如圖2所示。

▲圖2 定位銷壓裝裝置

施工中,采用兩個定位銷同步壓入方式,定位銷壓裝力分別由設(shè)置在中部的兩個壓裝液壓缸提供。考慮水池的防污問題,液壓缸采用去離子水作為傳動介質(zhì)。定位銷壓裝裝置設(shè)置了四根鎖緊螺桿,分別對應定位銷上下四個螺栓的安裝孔。在四個螺桿驅(qū)動電機的同步轉(zhuǎn)動下,將螺桿擰入背部安裝板上的螺紋孔中。由于螺桿擰入過程中會產(chǎn)生軸向移動,壓裝裝置上設(shè)置了滑動導軌,螺桿驅(qū)動電機、定位銷及其液壓缸由滑動導軌支撐,可以跟隨螺桿的軸向運動而前后移動。通過檢測驅(qū)動電機的工作電流,可估算螺桿的旋擰扭矩,若扭矩超過預設(shè)值,即可判斷螺桿支撐面已與工件接觸,則電機斷電。當四根螺桿的支撐面與工件表面全部接觸后,即可實現(xiàn)壓裝裝置與工件的鎖緊。

定位銷壓裝裝置上的四根鎖緊螺桿,能夠承受大部分的定位銷壓裝力。但由于壓裝裝置不可避免的會存在結(jié)構(gòu)變形等因素,仍有部分的壓裝力會傳遞至安裝底座,進而傳遞至底部的五軸運送平臺上。為消除壓裝力對五軸運送平臺的影響,筆者提出了可分離式底座的設(shè)計方案,如圖3所示。

▲圖3 可分離式底座

可分離底座與壓裝裝置上部部件間通過兩個失電電磁鐵進行吸合,并通過四個錐形導向銷進行支撐。失電電磁鐵斷電時,所產(chǎn)生的磁力能夠?qū)崿F(xiàn)底座與上部部件的吸合,其中單個電磁鐵吸合力不小于60 kg。失電電磁鐵得電時,磁力消失,即可實現(xiàn)底座與上部部件的分離,使壓裝力全部作用在四根鎖緊螺桿上。

基于上述所設(shè)計的施工裝置,定位銷壓裝的施工工藝如下:

(1) 利用五軸運送平臺將定位銷壓裝裝置運送至鋼制工件附近,并利用視覺定位系統(tǒng)保證鎖緊螺桿與安裝板上螺紋孔對準,定位誤差不大于0.3 mm;

(2) 控制螺桿鎖緊電機同步轉(zhuǎn)動,直至四根鎖緊螺桿支撐面全部與工件接觸;

(3) 失電電磁鐵得電,五軸運送平臺下移,使可分離底座與壓裝裝置上部部件分離;

(4) 液壓缸加壓,壓入定位銷,直至定位銷完全壓入;

(5) 失電電磁鐵斷電,五軸運送平臺上移,使底座與壓裝裝置上部部件重新吸合;

(6) 定位銷壓裝裝置返回岸上。

4 旋擰裝置及施工工藝

螺栓旋擰的目的是將內(nèi)六角螺栓擰入背部安裝板上的螺紋孔內(nèi),以實現(xiàn)鋼制工件的鎖緊。所用的螺栓規(guī)格為M20,螺紋旋擰行程為20 mm。安裝過程中,首先通過抓取裝置將螺栓放入鋼制工件的螺紋孔口,隨后由螺栓旋擰裝置實現(xiàn)擰入并進行最終的鎖緊,最大鎖緊扭矩不大于310 N·m。針對上述需求,筆者設(shè)計了一種隨動式螺栓旋擰裝置,如圖4所示。

▲圖4 螺栓旋擰裝置

螺栓旋擰裝置能夠?qū)崿F(xiàn)兩個螺栓的同步擰入,每個旋擰工具均配備一個獨立的驅(qū)動電機,內(nèi)置扭矩傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)對旋擰扭矩的實時監(jiān)測與扭矩閉環(huán)控制。每個旋擰驅(qū)動電機均由四根滑動導軌進行支撐,從而可適當降低對兩個螺栓軸向移動同步性的要求?？紤]到螺栓旋擰時擰緊工具存在軸向移動問題,在滑動導軌上設(shè)置了支撐彈簧,保證在旋擰過程中驅(qū)動電機的軸向隨動能力。

螺栓旋擰電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。旋擰電機外殼為水下密封設(shè)計,內(nèi)部集成了直流無刷電機、RV減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器、扭矩傳感器等。直流無刷電機與RV減速器采用一體集成式設(shè)計,扭矩傳感器一端與直流無刷電機后端蓋連接,另一端與螺栓旋擰電機后端蓋連接,上述結(jié)構(gòu)可使擰緊工具端的負載傳遞至扭矩傳感器,實現(xiàn)對負載扭矩的精確檢測。經(jīng)測試,比例系數(shù)修正后的扭矩檢測偏差不大于2.5%。針對輻照環(huán)境,選用旋轉(zhuǎn)變壓器進行電機端的位置檢測,進而代替常規(guī)直流無刷電機上的霍爾傳感器,實現(xiàn)對直流無刷電機轉(zhuǎn)速的控制。通過對扭矩進行實時閉環(huán)控制,可以實現(xiàn)兩個螺栓旋擰扭矩的同步性。

▲圖5 螺栓旋擰電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

基于上述所設(shè)計的施工裝置,螺栓旋擰的施工工藝如下:

(1) 利用五軸運送平臺將螺栓旋擰裝置運送至鋼制工件附近,并利用視覺定位系統(tǒng)保證螺栓擰緊工具與螺栓對準;

(2) 控制五軸運送平臺沿擰緊工具前進方向運動,使支撐彈簧壓縮,且須保證壓縮行程大于螺紋旋擰行程;

(3) 控制旋擰驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,使旋擰工具與螺栓精確對接;

(4) 當旋擰扭矩大于30 N·m后,需保證兩個螺栓旋擰扭矩的同步增長,直至旋擰扭矩達到310 N·m,電機斷電;

(5) 控制五軸運送平臺沿擰緊工具反向運動,直至擰緊工具與螺栓完全分離;

(6) 螺栓旋擰裝置返回岸上。

5 可行性測試

考慮到核反應堆水池環(huán)境的特殊性及測試過程中的不可預測性,在陸上搭建模擬測試環(huán)境進行施工裝置及其施工工藝的可行性測試。

定位銷壓裝裝置遠程操作界面如圖6所示,能夠同步控制四個螺桿驅(qū)動電機的旋擰轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)同步擰入和擰出。

▲圖6 定壓銷壓裝裝置遠程操作界面

定位銷壓裝施工測試如圖7所示。圖7中,壓裝裝置的四根鎖緊螺桿已成功擰入,并實現(xiàn)了壓裝裝置與鋼制工件的固定,同時可分離底座也已實現(xiàn)與壓裝裝置上部部件的分離。測試過程中發(fā)現(xiàn),四根鎖緊螺桿擰入的同步性極其重要。由于四根螺桿螺紋嚙合的時間點存在不一致性,若驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速較高,則容易因螺桿嚙合行程的差異較大而造成卡死。測試后,選取的一種可行解決方案是降低驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速,結(jié)合電機轉(zhuǎn)速精確性與一致性控制,可以極大提高螺桿鎖緊的成功率。

▲圖7 定位銷壓裝施工測試

螺栓旋擰裝置遠程操作界面如圖8所示,能夠用于兩套螺栓旋擰電機的轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)的閉環(huán)控制,可以適應多種擰緊作業(yè)工況。

▲圖8 螺栓旋擰裝置遠程操作界面

螺栓旋擰施工測試如圖9所示。圖9中,螺栓旋擰裝置上的擰緊工具已同步對準螺栓,并實現(xiàn)了螺栓的擰緊。測試過程中發(fā)現(xiàn),螺栓旋擰扭矩增大時,會對底部五軸運送平臺產(chǎn)生一定影響。因此,在保證旋擰扭矩不超出設(shè)定值的前提下,還須保證旋擰扭矩加載的平穩(wěn)性,此時可利用擰緊工具與螺栓尾部內(nèi)六角孔的兩點支撐來抵消旋擰所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,進而降低對底部五軸運送平臺的影響。

▲圖9 螺栓旋擰施工測試

通過上述測試,驗證了筆者設(shè)計的定位銷壓裝裝置、螺栓旋擰裝置及各自施工工藝的可行性。在上述測試基礎(chǔ)上,通過搭建水池測試環(huán)境,進一步驗證施工裝置及其水下施工工藝的可行性。水池測試環(huán)境如圖10所示。測試結(jié)果為后續(xù)開展核反應堆水池環(huán)境中的實際施工作業(yè)提供技術(shù)支持。

▲圖10 水池測試環(huán)境

6 結(jié)束語

針對核反應堆水池環(huán)境中的工件安裝需求,設(shè)計了一種基于四螺桿鎖緊的可分離式定位銷壓裝裝置和一種隨動式螺栓旋擰裝置,并給出了詳細的施工工藝。測試結(jié)果驗證了施工裝置及其施工工藝的可行性。所設(shè)計的螺栓旋擰裝置同樣適用于工件拆卸時的螺栓擰出施工,其可行性經(jīng)過了現(xiàn)場測試。