林朝陽　陳海彬　孫振忠　何楚亮　劉宇

(1.東莞理工學院　機械工程學院，廣東東莞　523808；2.中國科學院　高能物理研究所，北京　100000)

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自扶正四刃剪切工具設(shè)計

林朝陽1陳海彬1孫振忠1何楚亮1劉宇2

(1.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523808；2.中國科學院高能物理研究所，北京100000)

遙控維護技術(shù)和裝備在核物理裝置中得到廣泛的研究和應(yīng)用，目前已成為核物理裝置中放射性部件維護不可缺少的重要手段。多層冷卻管道是核物理裝備重要基礎(chǔ)設(shè)施，一般采用的多層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在增強管道性能的同時，也增加遙控維護條件下管道剪切的難度，對剪切工具性能也提出較高的要求。結(jié)合實際遙控維護工作中遇到的問題，改進刀刃，增加副刀刃，以克服上下刀刃間隙產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)扭矩。由于老化和輻照損傷對性能的影響，管道需要進行定期的檢查和更換，開展液壓剪切工具的設(shè)計工作顯得非常有必要。

自扶正；遙控維護；剪切刀刃；設(shè)計

遙控維護技術(shù)和裝備在核物理裝置中得到廣泛的研究和應(yīng)用：美國橡樹嶺國家實驗室在早期就對核聚變裝置的遠程操作設(shè)備進行了長期的研究[1]：1989年對CIT托卡馬克裝置的遠程維護設(shè)備進行了概念設(shè)計；2003年對在FIRE核聚變實驗裝置實驗過程中用于維護和校正的遠程操作設(shè)備進行了概念研究和設(shè)計，研究了在遠程操作設(shè)備與真空室對接時放射和污染的控制方法，采用自動運裝車將被維護部件運送到熱室進行維修或廢棄。

國際熱核聚變實驗堆ITER計劃支持了一批遙操作機器人的研究與應(yīng)用：Takeda等[2]為ITER項目中的遠程維護系統(tǒng)設(shè)計了三種運行于真空室和熱室之間并能在核輻射條件下工作的遙操作機器人CCC、SCC和RCC，分別用于運送不同的組件；Takeo等[3]研制的ITER項目中的毯式艙替換機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對4噸毯式艙模塊的更換；Laurent等[4]為ITER項目中的設(shè)備檢測任務(wù)設(shè)計了遙操作機械臂，該機械臂由5段組成，具有8個自由度，最大負載10 kg，工作范圍達到8 m；Teradaa等[5]開發(fā)了核部件的安放機器人，該機器人能夠完成精度好于25 mm的安放操作；LUK等[6]為核電站設(shè)計了四種遙控操作的爬行運動機器人，這些機器人能夠支持核工業(yè)的設(shè)備檢測與維護；Pezhman等[7]針對著名的熱室維護機器人Telbot的控制器進行改進，設(shè)計了ANFIS控制器。

遙控維護是設(shè)備維護人員在遠離維護現(xiàn)場的安全區(qū)域，通過采用機械手(人)或?qū)ｉT的設(shè)備在核裝置的內(nèi)部開展設(shè)備監(jiān)測和維護工作，以降低工作人員受照劑量和勞動強度。目前，遙控維護技術(shù)已成為核物理裝置中放射性部件維護不可缺少的重要手段[8-9]。

冷卻管道是核物理裝置的重要基礎(chǔ)設(shè)施，核物理裝置都配有使用液氦或液氫(一般為5 K～20 K)等超低溫多層冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)，以減少粒子反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量。冷卻管道一般采用的多層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在增強管道性能的同時，也增加遙控維護條件下管道剪切的難度，對剪切工具的性能也具有較高的要求[10]。考慮到老化和輻照損傷對性能的影響，管道需要進行定期的檢查和更換，開展液壓剪切工具的設(shè)計工作顯得非常有必要。

1　設(shè)計

冷卻管道的材料通常選用316不銹鋼，內(nèi)部為多層結(jié)構(gòu)，管道內(nèi)部含兩條冷卻介質(zhì)管，內(nèi)層為真空絕熱層，外層為檢漏氣體層，所有介質(zhì)管道厚度均相等。

為了確保液壓剪刀能順利剪斷需要更換的冷卻管道，刀刃需有適應(yīng)管道的強度和韌性，故以冷卻管道為主要設(shè)計依據(jù)確定液壓剪刀需要的剪切力以及刀刃參數(shù)。

1.1刀刃剪切力計算

該不銹鋼不可通過淬火改變其硬度，故屬于塑性材料，其抗拉強度(抗拉極限) 為σb ≥520 MPa，對于金屬可按如下的經(jīng)驗公式確定抗剪強度(剪切應(yīng)力極限)，

即：剪切應(yīng)力極限 =(0.6-0.8)*抗拉極限=312 MPa-416 MPa

剪切面積約0.001 344 m2，最大剪切面積A可按剪切面積0.5～0.6倍計算，

即：A=0.6*剪切面積=0.000 806 4 m2

其中，在剪切階段需要消耗切力，而撕裂階段則不消耗。于是在遙控維護中，要把冷卻管道剪斷，所需剪力F刃為，

即：F刃=最大剪切面積A×剪切應(yīng)力極限=335 462.4 N。

由計算可知刀刃至少提供335 KN的力才能完成冷卻管道的剪斷，以保證對管道進行遙控維護部分能被順利更換。

1.2刀刃結(jié)構(gòu)設(shè)計

刀刃的結(jié)構(gòu)的設(shè)計剪切性能及使用壽命，若刀刃鋒利，則剪切效率高，管道的剪切效果好，但刀刃容易變鈍，壽命短，如果刀刃設(shè)計得鈍，則使用壽命長，剪切效率低，管道的剪切效果差。

就使用環(huán)境而言，遙控維護中對于冷卻管道更換并不頻繁，刀刃的使用相對較少，冷卻管道對刀刃的磨鈍量并不多，而冷卻管道內(nèi)部為多層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無疑會增加剪切難度，對剪切口的剪切效果要求較高，所以刀刃結(jié)構(gòu)應(yīng)該被設(shè)計得相對鋒利。

綜上所述，將刀刃設(shè)計為三牙口形狀(易于咬住管道)，并取刀刃倒角為45°，如圖1所示。

圖1　刀刃結(jié)構(gòu)圖

為了確保液壓剪刀刃能夠順利將冷卻管道剪斷，刀刃剪切力作用區(qū)域應(yīng)大于冷卻管道直徑，取刀刃剪切作用點A、C間距離為115 mm。

兩刀刃剪切力主要作用點間最大距離BB’可達141.75 mm，大于冷卻管道外徑，滿足要求。其中點O、O’處為刀刃與支桿連接處，點D處連接刀刃把，OD=OD’= 120 mm，0B=OB’= 160 mm，∠BOD =∠B’O’D=55°，圓弧AB及A’B’半徑為35 mm，圓弧BC及B’C’半徑為50 mm。

在剪切過程中，點B及點B’首先接觸管道外壁并發(fā)揮剪切作用，為剪切力的主要作用點，刀刃B點及B’點逐漸壓向管道，將管道外壁刺破后由輪框ABC及A’B’C’共同將剪切力作用于管道外壁，從而完成管道的切斷。

2　液壓缸所需提供的推力

刀刃的剪切力來源于液壓缸，由液壓缸負責將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，通過對刀刃及液壓缸的結(jié)構(gòu)運動進行分析，得出兩刀刃及液壓缸組成的機構(gòu)運動簡圖，如圖2所示。

圖2　液壓剪結(jié)構(gòu)運動簡圖

其中構(gòu)件1為刀刃連桿，構(gòu)件2為刀刃，當活塞在液壓力作用下往下運動時，帶動刀刃把運動，從而使兩刀刃向中間壓縮，這就是刀刃對進冷卻管道進行剪切的過程，在此過程中，連接刀刃的連桿會有輕微的擺動。

在計算刀刃把將力傳遞到刀刃剪切作用點的過程中，由于連桿長度需要確定液壓缸活塞行程以及活塞長度后才能確定，而在剪切過程中支桿的擺動是微小的，于是在誤差允許范圍內(nèi)，可將支桿視為靜止狀態(tài)，即將支桿視為機架的一部分，于是點O視作固定點，已知OD=120 mm，0B=160 mm，∠BOD=55°，F(xiàn)刃=335 KN，于是F=390 KN。

由計算可知設(shè)計出的液壓缸所能提供的推力應(yīng)該達到390 KN，這樣其所能提供的拉力才能達到335 KN，從而保證刀刃能實現(xiàn)管道剪斷功能。

3　刀刃的改進

在設(shè)計中，兩刀刃接觸面之間處于理想狀態(tài)，上下刀刃間不存在間隙，而在現(xiàn)實中，上下兩刀刃之間不可能不存在間隙，兩接觸面之間必定存在微小的間隙。在液壓剪系統(tǒng)中，由于液壓剪在剪斷管道的過程中需要向管道兩側(cè)施加極大的剪力，如此巨大的力即使在極其微小的間隙下也會產(chǎn)生極大的力矩，如圖3所示。

圖3　扭轉(zhuǎn)力矩的產(chǎn)生

在巨大的力矩作用下，管道被切斷區(qū)域會出現(xiàn)傾斜，管道的傾斜現(xiàn)象極大影響了正常的遙控維護作業(yè)，不僅使液壓剪刀不能順利完成管道維護的任務(wù)，而且極大的降低刀刃的使用壽命和使用性能。

由于兩刀刃之間的微小間隙是機械裝配中無法避免的，為了消除管道在遙控維護的過程中發(fā)生傾斜，在原刀刃上焊接副刀刃的方式固定冷卻管道，如圖4所示。

圖4　副刀刃

在剪切過程中，當主刀刃剛接觸到管道時，副刀刃與管道并無接觸，隨著兩刀刃的逐漸靠攏，主刀刃開始逐步將管道壓扁并發(fā)生實質(zhì)性剪切，而這個過程也正是管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)的過程，在此過程中副刀刃能始終保持與冷管道接觸，向管道提供一個與管道扭轉(zhuǎn)方向相反的力，從而保證管道在剪切過程中不發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使刀刃順利完成冷卻管道的遙控維護，如圖5所示。

圖5　剪切過程

4　結(jié)語

1)計算可知刀刃至少提供335 KN的力才能完成冷卻管道的剪斷，以保證對管道進行遙控維護部分能被順利更換；

2)就使用環(huán)境而言，遙控維護中對于冷卻管道更換并不頻繁，且管道為多層結(jié)構(gòu)對剪切口的剪切效果要求較高，所以刀刃結(jié)構(gòu)應(yīng)該被設(shè)計得相對鋒利；

3)由計算可知設(shè)計出的液壓缸所能提供的推力應(yīng)該達到390 KN，這樣其所能提供的拉力才能達到335 KN，從而保證刀刃能實現(xiàn)管道剪斷功能；

4)改進了刀刃，增加了剪切工具的副刀刃，克服上下刀刃間隙產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)扭矩，使刀刃能順利將冷卻管道進行剪斷。

[1]Andres I, Juan A, Pastor, et al．2003．Robots in radioactive environments [J]. IEEE Robotics & Automation Magazine, 2003(12): 12-23.

[2]Takeda M, Akou K. Development of divertor cassette transporters for ITER[J]．Fusion Engineering 17th IEEE/NPSS Symposium, 1997(2): 925-928.

[3]Takeo K, Kosuge K, Shibanuma K, et al． Force control of remote maintenance robot for the ITER[C]．The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2001:450-455.

[4]Laurent G, Pascal B , Vincent B, et al. Development of an ITER relevant inspection robot[J]. Fusion Engineering and Design,2008, 83:1833-1836.

[5]Teradaa S, Kobayashib H, Sengokub H. Design and development of a work robot to place ATLAS SCT modules onto barrel cylinders [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2005, 541(1-2):144-149.

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[7]Pezhman L, Saeed S.A novel approach to develop the control of Telbot using ANFIS for nuclear hot cells [J]. Annals of Nuclear Energy, 2011: 38(10):2156-2162.

[8]Bernhard H. Setting up and managing a remote maintenance operation for fusion [J]. Fusion Engineering and Design, 2008, 83(10-12): 1841-1844.

[9]Rolfe A C, Brown P, Carte P, et al. A report on the first remote handling operations at JET [J]. Fusion Engineering and Design, 1999,46(2-4): 299-306.

[10]陳海彬,郭建文,李榮泳,等. 遙控維護條件下冷卻管道剪切試驗[J].東莞理工學院學報,2013, 20(1):58-63.

Design of Self-centering Four Blade Cutting Tool

LIN Zhaoyang1CHEN Haibin1SUN Zhenzhong1HE Chuliang1LIU Yu2

(1.College of Mechanical Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100000, China)

Remote maintenance handing technology and equipments are researched and applied extensively and thoroughly in nuclear physics equipment, and play an important role in replacement of radioactive components in nuclear physics. In nuclear physics equipment, multilayered cooling pipeline is an important infrastructure which strengthens the performance of the pipeline, increases the difficulty of pipe cutting under the condition of remote maintenance handing and puts forward higher requirements to the cutting tool. Based on the problems from maintenances, two side blades are added in to overcome the torque generated by the gap between the top and the bottom edges. Due to aging and irradiation damage, pipes should be regularly inspected and replaced, and the design of hydraulic cutting tool is quite significant.

self-centering; remote maintenance handing; cutting blade；design

2016-04-08

2014年市社會科技發(fā)展項目(2014106101007)。

林朝陽(1983—)，男，河南汝南人，主要從事機械加工及遙控維護研究。

TL38+7

A

1009-0312(2016)03-0095-05