淺談核固廢鋼桶自動(dòng)取封蓋裝置設(shè)計(jì)思路

董緒超

（中國核電工程有限公司，北京）

引言

自動(dòng)取封蓋裝置作為固廢系統(tǒng)線的關(guān)鍵設(shè)備之一,本質(zhì)上是在惡劣環(huán)境(有毒,放射性,高危險(xiǎn)等)下，通過遠(yuǎn)程控制模式實(shí)現(xiàn)對(duì)核電低、中水平放射性固體廢物包裝容器鋼桶的自動(dòng)取蓋和封蓋操作的機(jī)械手[1],裝置上的機(jī)械爪負(fù)責(zé)在上述過程中抓取,放開桶蓋,要求定位精度高，緊固密封牢靠，抓取準(zhǔn)確順暢。該部件運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢程度及可靠性對(duì)整條線的運(yùn)行至關(guān)重要。

1 自動(dòng)取封蓋裝置的主要功能

自動(dòng)取封蓋裝置有三個(gè)主要的功能：第一，鋼桶定位功能，對(duì)固廢輥道系統(tǒng)輸送至取封蓋下方的鋼桶起到一個(gè)定位及反饋信號(hào)通知輥道輸送停止的作用。第二，螺栓/螺孔定位功能，鋼桶定位后，需要擰松或擰緊螺栓進(jìn)行取蓋或封蓋，在擰松、擰緊前需精準(zhǔn)定位每個(gè)螺栓/螺孔，否則無法完成取封蓋操作。第三，桶蓋抓取功能，在取蓋/封蓋過程中將鋼桶桶蓋提起/放下，其可靠性是自動(dòng)取封蓋過程中安全性的保證。

2 鋼桶定位功能

上述我國沿海某市核電站1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中采用定位V 鐵上的機(jī)械止擋進(jìn)行鋼桶定位，氣缸驅(qū)動(dòng)伸出到位，當(dāng)鋼桶到位后按壓其上的機(jī)械止擋觸發(fā)限位，給出桶到位信號(hào)，見圖1。

圖1 我國沿海某市核電站1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中鋼桶定位方式

3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中采用左、右定位輪臂（圖2 中序號(hào)1）定位，氣缸驅(qū)動(dòng)輪臂伸出到位，當(dāng)鋼桶觸發(fā)輥道上的兩組光電開關(guān)（圖2 中序號(hào)2）后，輥道停止運(yùn)行，見圖2。

圖2 我國沿海某市核電站3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中鋼桶定位方式

5、6 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置依靠輥道上光電開關(guān)確定?？奎c(diǎn)，這點(diǎn)與3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置一致；再通過安裝在輥道上抱桶裝置進(jìn)行最終的定位和夾緊。

綜上所述，1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置的定位V 鐵所受的力為鋼桶從輥道輸送過來的橫向力，而支撐力確是縱向的，且受力面積較小，長期接收裝滿固廢的鋼桶后，氣缸的兩個(gè)直線導(dǎo)桿容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致定位V 鐵上、下滑動(dòng)卡滯，鋼桶定位不準(zhǔn)確及鋼桶信號(hào)消失等問題。而3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到上述定位V 鐵的問題，對(duì)定位進(jìn)行了改進(jìn)，采用左、右定位輪臂及氣缸支撐形式對(duì)鋼桶進(jìn)行定位，使定位支撐橫向受力，增強(qiáng)定位的可靠性。5、6 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置采用的是雙光電開關(guān)定位，液壓抱桶裝置夾緊確認(rèn)最終位置，但鋼桶被抱桶裝置夾緊后，鋼桶位置唯一，遇到外形尺寸不規(guī)范的鋼桶時(shí)，容易導(dǎo)致扳手套筒不能順利的套住螺栓。建議解決思路為在主執(zhí)行機(jī)構(gòu)上增加無動(dòng)力的自適應(yīng)平臺(tái)，用來冗余不規(guī)則鋼桶的誤差[2]。

3 螺栓/螺孔定位功能

上述我國沿海某市核電站1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置上的螺栓/螺孔定位裝置整體安裝在縱向下降氣缸上，工作時(shí)通過電磁閥控制氣缸，將螺栓/螺孔定位裝置下降到檢測(cè)高度；通過電磁閥控制橫向氣缸伸出，將螺栓/螺孔定位傳感器移動(dòng)至桶蓋邊緣上方；螺栓/螺孔定位傳感器為2 個(gè)接近開關(guān)/2 個(gè)激光傳感器，彼此間成固定角度和距離，與桶蓋上相鄰2 個(gè)螺栓/螺孔的角度、距離保持一致；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)接近開關(guān)/激光傳感器被相鄰2 個(gè)螺栓/螺孔同時(shí)觸發(fā)時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，螺栓/螺孔定位完成，見圖3。

圖3 我國沿海某市核電站1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中螺栓/螺孔定位方式

3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中的螺栓/螺孔定位激光傳感器豎直安裝在擰緊機(jī)主體框架上，和擰緊機(jī)的扳手頭成一個(gè)固定角度；激光照射到螺孔內(nèi)，但不是穿過螺孔；當(dāng)鋼桶就位后，伺服控制器控制旋轉(zhuǎn)裝置的伺服電機(jī)啟動(dòng)，擰緊機(jī)構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)；螺栓/螺孔定位激光傳感器依次照射到兩個(gè)螺栓/螺孔后，產(chǎn)生兩次信號(hào)的突變，此時(shí)程序判斷已找到螺栓/螺孔位置；反向轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度，使得扳手頭和螺栓/螺孔對(duì)齊，即完成對(duì)螺栓/螺孔的定位，見圖4。

圖4 我國沿海某市核電站3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中螺栓/螺孔定位方式

5、6 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置螺栓定位裝置為一組固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的激光傳感器，激光射點(diǎn)高度對(duì)應(yīng)桶蓋下方冒出的螺栓高度。定位螺栓時(shí)，螺栓定位裝置隨執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)，激光射點(diǎn)會(huì)先后經(jīng)過相鄰的2 個(gè)螺栓，觸發(fā)兩次信號(hào)。此時(shí)判斷已找到螺栓。執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)固定角度，使扳手套筒移動(dòng)至螺栓的正上方。至此完成螺栓定位；螺孔定位裝置由一個(gè)氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂和固定在上面的激光傳感器組成。非工作狀態(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂處于立起狀態(tài)，不會(huì)與其他機(jī)構(gòu)動(dòng)作干涉。定位螺孔時(shí)，主執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先下降至金屬桶上方并保持一定距離。此時(shí)，控制旋轉(zhuǎn)臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，使得激光傳感器的射點(diǎn)位置與螺栓孔處于同一圓心環(huán)內(nèi)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光傳感器連續(xù)經(jīng)過兩個(gè)相鄰的螺栓孔，觸發(fā)兩次反饋信號(hào)，代表已找到相鄰螺栓孔。主執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)固定角度，使得扳手套筒處于螺栓孔的正上方[3]。旋轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)回到立起狀態(tài)。之后可正常下降執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

綜上所述，1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置采用光電開關(guān)/激光傳感器來對(duì)螺栓/螺孔進(jìn)行定位，但是光電開關(guān)及激光傳感器接收到螺栓/螺孔信號(hào)后反饋至系統(tǒng)，系統(tǒng)再發(fā)出旋轉(zhuǎn)停止信號(hào)，中間有信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間差，這個(gè)誤差無法控制，會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降后不能準(zhǔn)確的找準(zhǔn)螺栓/螺孔的位置。建議解決思路為將光電開關(guān)換成激光傳感器，保證定位準(zhǔn)確。采用伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)功能來消除信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間差；后續(xù)四個(gè)機(jī)組的自動(dòng)取封蓋裝置從設(shè)計(jì)角度上規(guī)避了上述問題[4]。

4 桶蓋抓取功能

上述我國沿海某市核電站1、2 號(hào)自動(dòng)取封蓋裝置的桶蓋抓取功能是通過電磁閥控制抓蓋氣缸旋轉(zhuǎn)，四個(gè)抓爪向內(nèi)收縮抓緊桶蓋；電磁閥控制擰緊機(jī)主體氣缸上升到位，完成取蓋的操作；電磁閥控制抓蓋氣缸反向旋轉(zhuǎn)，四個(gè)抓爪向外伸展松開桶蓋；電磁閥控制擰緊機(jī)主體氣缸上升到位，完成封蓋的操作，見圖5。

圖5 我國沿海某市核電站1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中桶蓋抓取方式

3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置的桶蓋抓取功能是通過電磁閥控制抓蓋氣缸縮回，三個(gè)抓爪向內(nèi)收縮抓緊桶蓋；升降機(jī)控制擰緊機(jī)主體氣缸上升到位，完成取蓋的操作。電磁閥控制抓蓋氣缸伸出，三個(gè)抓爪向外伸展松開桶蓋；升降機(jī)擰緊機(jī)主體氣缸上升到位，完成封蓋的操作。

5、6 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置在主執(zhí)行機(jī)構(gòu)上固定有3 組氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)抓具，見圖6。當(dāng)給出抓緊指令時(shí)，抓具向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，托住金屬桶桶蓋的吊裝環(huán)；當(dāng)給出松脫指令時(shí)，抓具向外旋轉(zhuǎn)，不再與金屬桶桶蓋吊裝環(huán)接觸。

圖6 我國沿海某市核電站5、6 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置中桶蓋抓取方式

綜上所述，1、2 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置采用旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)四根抓爪伸、縮來完成桶蓋的抓取和釋放，但在螺栓未完全擰松時(shí)取蓋，容易將桶蓋及鋼桶同時(shí)提升，由于抓爪橫向懸臂過長，容易造成抓爪機(jī)械性損傷。建議解決思路為增加拉力傳感器，當(dāng)主體機(jī)構(gòu)提升力大于桶蓋的重量時(shí)，工作停止并報(bào)警；而3、4 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置采用的是豎直方向的擺動(dòng)桿，當(dāng)氣缸收縮時(shí)抓緊桶蓋，抓爪的受力截面理論計(jì)算可以承受載滿重物的鋼桶，不會(huì)發(fā)生變形或斷裂問題，但是為了安全起見，取蓋時(shí)順帶將鋼桶提起是不可取的。建議解決思路同1、2 號(hào)機(jī)組一致；5、6 號(hào)機(jī)組自動(dòng)取封蓋裝置采用3 組氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)抓具，出現(xiàn)鋼桶隨桶蓋上升的情況后容易對(duì)氣缸旋轉(zhuǎn)軸及抱桶裝置造成機(jī)械性損傷，會(huì)導(dǎo)致氣缸旋轉(zhuǎn)卡澀或失靈、抱桶裝置定位不準(zhǔn)確等問題。建議解決思路為增強(qiáng)螺栓擰松的檢測(cè)，保證抓取時(shí)鋼桶不會(huì)隨桶蓋上升。

5 改進(jìn)的設(shè)計(jì)思路

通過上述三套自動(dòng)取封蓋裝置的對(duì)比分析，基于自動(dòng)取封蓋裝置三個(gè)主要功能，提出一些改進(jìn)的設(shè)計(jì)思路如下：

在設(shè)計(jì)鋼桶定位時(shí)，應(yīng)考慮滿載鋼桶從輥道輸送到位的力，定位止擋所受的力應(yīng)大于滿載鋼桶輸送力的1.5～2 倍，保證定位止擋的受力與載鋼桶的輸送力方向平行，適當(dāng)增大接觸面積。若采用光電開關(guān)輔助夾桶裝置進(jìn)行停止時(shí)，應(yīng)選用精度高、性能好的光電開關(guān)，同時(shí)夾桶裝置動(dòng)力部分盡可能選用電動(dòng)或氣動(dòng)，這樣控制起來更方便，出現(xiàn)故障后更容易排查，夾緊裝置應(yīng)有遠(yuǎn)傳手動(dòng)控制，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，檢修人員可以在安全的地方控制夾緊裝置打開，將鋼桶輸送至安全位置后，人員才能進(jìn)入檢修。

在設(shè)計(jì)螺栓/螺孔定位時(shí)，應(yīng)考慮定位精度，檢測(cè)開關(guān)的安裝法蘭上應(yīng)帶有自適應(yīng)平臺(tái)，保證遇到不規(guī)則的鋼桶時(shí)能夠無外力干預(yù)的情況下能夠自動(dòng)調(diào)整，增強(qiáng)定位的可靠性。定位時(shí)初次檢測(cè)到的螺栓/螺孔不應(yīng)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，應(yīng)等旋轉(zhuǎn)過一定角度后，通過私服電機(jī)反轉(zhuǎn)來確認(rèn)螺栓/螺孔的位置，這樣會(huì)更加精確[5]。

在設(shè)計(jì)桶蓋抓取功能時(shí)，首先應(yīng)避免使用橫向抓爪，橫向抓爪懸臂梁較長，即使?jié)M足使用要求，尺寸也會(huì)很大，浪費(fèi)成本及設(shè)備空間。其次應(yīng)增加拉力傳感器，可以保證桶蓋與桶可以完全分離，增強(qiáng)設(shè)備的安全性。還要保證抓爪具有自鎖性能，即使設(shè)備出現(xiàn)斷電、斷氣的情況，桶蓋也不會(huì)從抓爪上脫落。

結(jié)束語

近些年，國內(nèi)核電站重啟批復(fù)建設(shè)漸熱，裝機(jī)量也逐年提升，同時(shí)，隨著時(shí)間推移，核電站更換燃料并貯存后，會(huì)有越來越多的低、中水平放射性固體廢物產(chǎn)生，并需要通過鋼桶轉(zhuǎn)運(yùn)。相應(yīng)地，定位精度更高、操作更便捷、結(jié)構(gòu)更為緊湊合理、安全性更高的低成本自動(dòng)取封蓋裝置，將成為固廢系統(tǒng)線迫切需求的設(shè)備。本文從桶定位、螺栓/螺孔定位以及抓取功能三個(gè)方面，總結(jié)分析了我國沿海某市核電站1-6 號(hào)機(jī)組中已實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)取封蓋裝置，提出了切實(shí)可行地解決問題的方法，形成了更為先進(jìn)的自動(dòng)取封蓋裝置推薦設(shè)計(jì)方案。也為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化自動(dòng)取封蓋裝置提供了一些切入點(diǎn)和思路。