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        起重機(jī)自動(dòng)抓具模擬體研究★

        2022-07-07 10:03:14林鈺茗霍貴龍胡敦忠薛毅馨
        機(jī)械管理開發(fā) 2022年5期

        林鈺茗, 霍貴龍, 胡敦忠, 薛毅馨

        (1.華能山東石島灣核電有限公司, 山東 威海 264200;2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心, 山西 太原 030000;3.太原重工股份有限公司起重機(jī)分公司, 山西 太原 030000)

        引言

        某起重機(jī)是乏燃料貯存系統(tǒng)中的重要設(shè)備,用于反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)乏燃料的貯存和排空堆芯時(shí)燃料元件的暫存。其功能是按指令要求將乏燃料貯罐運(yùn)送和吊裝到指定位置;并在需要時(shí),按指令將乏燃料貯罐從指定位置吊出,經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)孔裝入屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)罐內(nèi)外運(yùn),或運(yùn)行至裝料位置通過(guò)抽吸的方式將暫存的燃料元件送回堆芯。自動(dòng)抓具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

        圖1 自動(dòng)抓具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        用于該起重機(jī)的自動(dòng)抓具主要包括抓具本體、連桿機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)吊環(huán)組件、電動(dòng)推桿和限位開關(guān)等[1]。抓具上的電氣設(shè)備和電纜及儀控信號(hào)線進(jìn)行輻射屏蔽,或采用耐輻照的產(chǎn)品,抓具的鋼屏蔽厚度要求不少于150 mm,抓具上方的各類線纜和電氣設(shè)備被鋼屏蔽充分保護(hù)。自動(dòng)抓具遵循失電安全的設(shè)計(jì)原則。機(jī)構(gòu)布置如下:電動(dòng)推桿推動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的一點(diǎn),四連桿機(jī)構(gòu)連接4 個(gè)卡爪。

        參考工程主機(jī)用自動(dòng)抓具,設(shè)計(jì)制造一套模擬體,尺寸比例按照1∶1,主要模擬其外形、整體質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、手動(dòng)打開機(jī)構(gòu)等。研發(fā)完成的模擬體用于后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)人員的技能培訓(xùn),該模擬體是本文的研究對(duì)象。

        1 機(jī)構(gòu)仿真研究

        通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS[2],對(duì)自動(dòng)抓具模擬體機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,模擬機(jī)構(gòu)在實(shí)際工況下的運(yùn)動(dòng),計(jì)算電動(dòng)推桿在工作過(guò)程中推壓力的變化曲線。機(jī)構(gòu)仿真模型示意圖如圖2 所示。

        圖2 機(jī)構(gòu)仿真模型示意圖

        將模型中各運(yùn)動(dòng)部件分別定義為不同的連桿,將電動(dòng)推桿本身設(shè)為滑動(dòng)副(E),通過(guò)運(yùn)動(dòng)函數(shù)為其定義驅(qū)動(dòng)(Motion)。將電動(dòng)推桿與連桿裝置設(shè)為圓柱副(D),連桿裝置與吊鉤旋轉(zhuǎn)裝置間設(shè)為圓柱副(A3、A4、B3、B4)吊鉤旋轉(zhuǎn)裝置與吊具本體間設(shè)為圓柱副(A5、A6、B5、B6),且吊鉤旋轉(zhuǎn)裝置與吊具本體間設(shè)置體對(duì)體的接觸。兩種方案均考慮鉸接和接觸位置的摩擦力。各運(yùn)動(dòng)副位置示意圖如下頁(yè)圖3 所示。

        圖3 各運(yùn)動(dòng)副位置示意圖

        驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)也分為3 種情況討論,以分析在不同速度曲線下電動(dòng)推桿推壓力的變化:

        通過(guò)位移進(jìn)行驅(qū)動(dòng):step(time,0,0,8,76.1)。

        通過(guò)速度進(jìn)行驅(qū)動(dòng):step(time,0,0,1,step(time,7,10.86,8,0))。

        通 過(guò) 速 度 進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng):step(time,0,0,0.5,step(time,7.5,10.15,8,0))。

        對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,可以得到以下結(jié)果:

        1)以位移進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),推壓力變化如圖4-1 所示,此時(shí)推壓力的最大值為658 N;

        2)以速度2 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),推壓力變化如圖4-2 所示,此時(shí)推壓力的最大值為662 N;

        3)以速度3 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),推壓力變化如圖4-3 所示,此時(shí)推壓力的最大值為665 N。

        圖4 電動(dòng)推桿速度和推壓力變化曲線

        對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證。此時(shí),取消電動(dòng)推桿上的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)(Motion),對(duì)其施加大小為700 N的作用力,可以看到整個(gè)機(jī)構(gòu)可以完整的完成一個(gè)工作循環(huán),可以驗(yàn)證上述所求的推壓力有效。

        用不同的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行推桿驅(qū)動(dòng),所得到的推壓力變化趨勢(shì)一致,最大值也非常接近。可以認(rèn)為在正常的速度變化范圍內(nèi),速度曲線對(duì)推桿的推壓力影響較小。推壓力的最大值均小于900 N,電動(dòng)推桿速度均在8~15 mm/s 的范圍之內(nèi)。

        2 電動(dòng)推桿研究

        2.1 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)及工作原理

        電動(dòng)推桿由電動(dòng)機(jī)、二級(jí)減速器、絲桿、推桿組件等組成。電動(dòng)推桿利用電動(dòng)機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)二級(jí)減速器,從而推動(dòng)推桿的前后運(yùn)動(dòng)。本電動(dòng)推桿采用水平安裝方式,在減速器箱體蓋及推桿端部分別設(shè)有安裝孔,并將推桿端部設(shè)計(jì)為周向360°萬(wàn)向節(jié),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件調(diào)整角度,以便于安裝。

        當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電時(shí),電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)二級(jí)減速器,使得絲杠在齒輪的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng),絲桿通過(guò)梯形螺紋推動(dòng)推桿組件向前運(yùn)動(dòng),當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí),推桿組件會(huì)壓動(dòng)行程限位開關(guān),使得推桿停止。當(dāng)電動(dòng)機(jī)通反向電時(shí),電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)二級(jí)減速器,使得絲杠在齒輪的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng),絲桿通過(guò)梯形螺紋推動(dòng)推桿組件向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推桿運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí),推桿組件會(huì)壓動(dòng)行程限位開關(guān),使得推桿停止。當(dāng)電動(dòng)推桿在工作過(guò)程中推力大于極限值時(shí),電動(dòng)推桿會(huì)壓動(dòng)過(guò)載保護(hù)裝置使得推桿安全停止。

        2.2 電動(dòng)推桿技術(shù)參數(shù)

        某核電站起重機(jī)自動(dòng)抓具采用電動(dòng)推桿為動(dòng)力,滿足如下要求:

        1)耐核輻射,控制設(shè)備劑量率為1.32×102rad/h,累積劑量為2×107rad;

        2)耐腐蝕,主要外露材質(zhì)為不銹鋼;

        3)采用耐輻照潤(rùn)滑;

        4)采用免維護(hù)軸承。

        因以上要求的特殊性,原主機(jī)電動(dòng)推桿委托廠家專業(yè)定制。模擬體電動(dòng)推桿用于培訓(xùn)操作,無(wú)上述要求限制,因此可選用接近或滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿。兩種推桿的參數(shù)對(duì)比見下頁(yè)表1。

        從表1 中對(duì)比可以看出,選用的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿滿足模擬體基本使用要求,質(zhì)量比原電動(dòng)推桿減輕31 kg,并且可大幅度降低成本。

        表1 模擬體與原設(shè)備用電動(dòng)推桿參數(shù)對(duì)比

        2.3 電動(dòng)推桿配重研究

        模擬體用電動(dòng)推桿重量輕,會(huì)對(duì)自動(dòng)抓具的模擬可靠性產(chǎn)生影響,需要加入配重結(jié)構(gòu),來(lái)保證模擬體重量和重心位置基本保持不變。電動(dòng)推桿配重結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖5 所示。

        圖5 電動(dòng)推桿配重結(jié)構(gòu)圖

        配重結(jié)構(gòu)主體由兩塊鋼板組成,放置于電動(dòng)推桿兩側(cè),鋼板采用筋板加緊固件進(jìn)行連接,并設(shè)置有橡膠塊等保護(hù)電動(dòng)推桿。合理布置鋼板規(guī)格,整個(gè)配重結(jié)構(gòu)質(zhì)量為31 kg;合理布置緊固件相對(duì)鋼板的固定位置,保持現(xiàn)模擬體電動(dòng)推桿加配重后的重心位置和原主機(jī)電動(dòng)推桿重心位置保持一致。

        2.4 電動(dòng)推桿與連桿機(jī)構(gòu)接頭研究

        原電動(dòng)推桿與連桿機(jī)構(gòu)接口是模擬體用電動(dòng)推桿接口是圓柱體上開圓孔。另外,模擬體電動(dòng)推桿長(zhǎng)度略小于原電動(dòng)推桿。兩種接口對(duì)比如圖6 所示。

        圖6 電動(dòng)推桿與連桿機(jī)構(gòu)接口對(duì)比

        為解決接口不一致的問(wèn)題,增加連接件用以完成不同接口的轉(zhuǎn)換。連接件連接連桿機(jī)構(gòu)和模擬體電動(dòng)推桿,與連桿機(jī)構(gòu)連接部分采用和原電動(dòng)推桿相似的接口形式。連接件和模擬體電動(dòng)推桿連接在一起的兩端長(zhǎng)度和原電動(dòng)推桿長(zhǎng)度相同,因此保證了模擬體和原設(shè)備各部件之間連接的一致性。圖7 為電動(dòng)推桿增加連接件示意圖。

        圖7 電動(dòng)推桿增加連接件示意圖

        2.5 新舊電動(dòng)推桿對(duì)比

        經(jīng)上述研究,通過(guò)增設(shè)連接件,合理設(shè)計(jì)配重結(jié)構(gòu),將連接件、電動(dòng)推桿、配種結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起,在接口型式、長(zhǎng)度尺寸、質(zhì)量、重心位置等方面,實(shí)現(xiàn)了模擬體電動(dòng)推桿與原主機(jī)電動(dòng)推桿保持一致,具體為:與連桿機(jī)構(gòu)連接接口均為扁平狀接口;初始位置電動(dòng)推桿長(zhǎng)度尺寸均為485 mm;質(zhì)量均為40 kg;重心均位于推桿套和電動(dòng)機(jī)中間位置。原電動(dòng)推桿和現(xiàn)電動(dòng)推桿外形如圖8 所示。

        圖8 新舊電動(dòng)推桿外形

        3 限位開關(guān)研究

        主機(jī)自動(dòng)抓具采用行程限位開關(guān),在電動(dòng)推桿初始行程位置和結(jié)束行程位置觸發(fā)。在模擬體自動(dòng)抓具設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了進(jìn)一步節(jié)約成本及采購(gòu)周期考慮,采用機(jī)械式限位擋塊替代電氣式行程限位開關(guān)。圖9是原限位開關(guān)和機(jī)械式限位擋塊對(duì)比圖形。

        圖9 原限位開關(guān)和機(jī)械式限位擋塊

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文針對(duì)某核電站起重機(jī)自動(dòng)抓具模擬體進(jìn)行研究,通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)推桿、設(shè)計(jì)連接件和配重結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)機(jī)械式限位擋塊的措施,滿足了模擬體1∶1尺寸比例的要求。本文的研究工作在滿足模擬體使用功能的基礎(chǔ)上,顯著降低了產(chǎn)品成本,縮短了生產(chǎn)周期。

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