＊沈琪 任佳慧 段宏 王廣開(kāi) 吳德慧 王君豪

（1.中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840 2.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 北京 100029）

1.設(shè)備介紹

后處理廠房中有很多與高放流體介質(zhì)直接接觸的設(shè)備[1-4]，接觸過(guò)高放流體介質(zhì)的破損穿地閥芯，是一種高放固體廢物，根據(jù)檢修原則，需要被解體、處理。閥門接收/解體裝置位于α廢物和高放廢物整備設(shè)施中，對(duì)送來(lái)的各型號(hào)穿地閥芯進(jìn)行接收、解體、裝桶及轉(zhuǎn)運(yùn)。穿地閥門通過(guò)檢修容器將閥門吊裝入該設(shè)備，閥門在設(shè)備內(nèi)完成分段解體過(guò)程，并通過(guò)收集運(yùn)輸裝置將解體后的閥門收集并運(yùn)輸至指定位置。

2.設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 閥門接收解體裝置結(jié)構(gòu)示意圖

閥門接收解體裝置主要包括外圍設(shè)備組件、上箱體組件、下箱體組件、操作機(jī)構(gòu)總裝、下箱體機(jī)構(gòu)總裝及電氣控制系統(tǒng)組成等部件。

(1)上箱體組件與下箱體組件

上、下箱體均采用殼體形式，由3mm不銹鋼板焊接而成，形成密封腔體以防止污染氣氛擴(kuò)散。上箱體頂部預(yù)留有閥芯進(jìn)入的通道，前后設(shè)有兩個(gè)各裝有6個(gè)手套孔的鋼化玻璃板，人員可通過(guò)手套組件對(duì)閥芯的后段與中段之間的連接銷進(jìn)行拆除。底部設(shè)有轉(zhuǎn)運(yùn)通道和可移動(dòng)蓋板，與下箱體焊接連接。通道用于運(yùn)送解體閥芯，蓋板關(guān)閉時(shí)，可將上下箱體氣氛隔絕。

上箱體設(shè)置有進(jìn)、排風(fēng)過(guò)濾器用于通風(fēng)。上、下箱體均設(shè)有耐輻照燈具用于照明、袋封檢修門用于操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行維修更換時(shí)零件的進(jìn)出、γ劑量率報(bào)警儀用于劑量監(jiān)測(cè)。

下箱體殼體一側(cè)，與閥芯裝桶的熱室通過(guò)密封焊接相連，與上箱體組件連接的轉(zhuǎn)運(yùn)通道口附近設(shè)有主從機(jī)械手及窺視窗，當(dāng)手動(dòng)進(jìn)行閥門解體出現(xiàn)卡滯等異常狀況時(shí)，用于人員輔助操作。

(2)操作機(jī)構(gòu)總成

操作機(jī)構(gòu)總成安裝在上箱體組件內(nèi)部，是閥門解體裝置的主要部件，主要由支撐框架、螺旋升降機(jī)、上夾緊平臺(tái)、下夾緊平臺(tái)等組成。

4臺(tái)螺旋升降機(jī)構(gòu)安裝在支撐框架底板上，每2臺(tái)為一組，通過(guò)安裝在箱體屏蔽層外部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)上、下夾緊平臺(tái)的上升和下降，電機(jī)可根據(jù)不同型號(hào)的閥芯調(diào)整升降高度。

上、下夾緊平臺(tái)功能和結(jié)構(gòu)類似，通過(guò)安裝在平臺(tái)上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯組件卡爪部位的夾緊和放松；上下夾緊平臺(tái)設(shè)有四個(gè)導(dǎo)向柱進(jìn)行升降動(dòng)作時(shí)的導(dǎo)向。

閥芯拆卸解體時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的閥芯型號(hào)，上夾緊平臺(tái)先升至合適高度，接收閥芯并夾緊卡爪2；下夾緊平臺(tái)再上升至預(yù)定高度，夾緊卡爪1；上夾緊平臺(tái)保持不動(dòng)、下夾緊平臺(tái)下降，實(shí)現(xiàn)最底部閥芯部件的解體分離；后續(xù)閥芯部件的分離待劑量率檢測(cè)合格后、人工通過(guò)上箱體的手套孔操作進(jìn)行。

圖2 操作結(jié)構(gòu)總成示意圖

(3)下箱體機(jī)構(gòu)總裝

下箱體機(jī)構(gòu)總裝安裝在下箱體組件內(nèi)部，包括小車支架、轉(zhuǎn)運(yùn)車、頂升裝置、接料桶和通道調(diào)節(jié)裝置等。

小車支架由不銹鋼型材焊接而成，為轉(zhuǎn)運(yùn)車及頂升裝置等提供結(jié)構(gòu)支撐；轉(zhuǎn)運(yùn)車通過(guò)鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)，用于接料桶在熱室和本設(shè)備下箱體轉(zhuǎn)運(yùn)通道之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)；頂升裝置采用螺旋升降的方式，將鋼桶頂升至合適高度，以便于解體時(shí)閥芯可順利裝入：通道調(diào)節(jié)裝置通過(guò)安裝在外部屏蔽層上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)220mm厚的屏蔽塊合攏或分開(kāi)，起到補(bǔ)充屏蔽的作用。

(4)外圍設(shè)備組件

外圍設(shè)備組件主要由鋼結(jié)構(gòu)組件、屏蔽層組件、主從機(jī)械手及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件等組成。屏蔽層組件提供上、下箱體的屏蔽防護(hù)，材料為碳鋼板。位于上箱體前后操作面的屏蔽層為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的屏蔽門結(jié)構(gòu)，可在人工操作時(shí)通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)屏蔽門水平移動(dòng)打開(kāi)，屏蔽層頂部設(shè)置有與檢修容器轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的對(duì)接接口；下箱體屏蔽層通過(guò)膨脹螺栓固定在地面上，在下箱體檢修密封門的對(duì)應(yīng)位置設(shè)有防護(hù)門，在主從機(jī)械手下方設(shè)置有窺視窗。主從機(jī)械手通過(guò)穿墻管安裝在屏蔽層上，內(nèi)側(cè)與下箱體組件形成密封。

鋼結(jié)構(gòu)組件設(shè)置在屏蔽層外側(cè)，包括上下兩側(cè)操作平臺(tái)、爬梯及護(hù)欄等。下層平臺(tái)為閥芯解體時(shí)工作人員的操作平臺(tái)，上層平臺(tái)為閥門檢修容器對(duì)接時(shí)工作人員的操作平臺(tái)，進(jìn)行屏蔽容器對(duì)接時(shí)的人工輔助操作，上下平臺(tái)均設(shè)有護(hù)欄保證工作人員的安全，上下平臺(tái)設(shè)有爬梯。

除上箱體內(nèi)部的夾緊驅(qū)動(dòng)電機(jī)外，其他驅(qū)動(dòng)部件的電機(jī)減速機(jī)部分均固定安裝在屏蔽層組件上，通過(guò)屏蔽層穿墻傳動(dòng)件將動(dòng)力輸送至箱體內(nèi)部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，包括轉(zhuǎn)運(yùn)車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、頂升裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、通道調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、上夾緊平臺(tái)升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、下夾緊平臺(tái)升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

(5)電氣控制系統(tǒng)

閥門接收解體裝置配置有一套電氣控制系統(tǒng)。每套電氣控制系統(tǒng)包括一臺(tái)控制柜和一個(gè)就地按鈕盒、電氣設(shè)備之間的電纜（低煙無(wú)鹵阻燃電纜）及其敷設(shè)電纜橋架及附件。

電氣系統(tǒng)控制主要功能：通過(guò)內(nèi)部可編程控制器實(shí)現(xiàn)閥門接收解體裝置各子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中控制信號(hào)的采集和設(shè)備控制聯(lián)鎖，確保設(shè)備安全可靠地連續(xù)運(yùn)行。

3.電機(jī)選型計(jì)算

(1)夾具升降平臺(tái)升降伺服電機(jī)選型計(jì)算

此電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)夾具平臺(tái)的垂直升降運(yùn)動(dòng)功能，滿足穿地閥門的垂直提升/下落定位。

圖3 夾具升降平臺(tái)升降傳動(dòng)系統(tǒng)圖

①電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速計(jì)算

夾具平臺(tái)與穿地閥門的最大總重量：900kg。

夾具平臺(tái)升降速度V=0.83×n/60，n為蝸桿輸入轉(zhuǎn)速。

輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈平臺(tái)升降的位移，按照升降機(jī)輸入軸的最大輸入轉(zhuǎn)速1400rpm計(jì)算：

夾具平臺(tái)最大升降速度V=0.83×1400/60=0.0194(m/s)。

按照整條傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)效率η最低為10%計(jì)算，電機(jī)所需最大輸入功率：

P電機(jī)=F×V/η=mg×V/η=9000×0.0194/0.1=1746W。

②伺服電機(jī)扭矩計(jì)算

根據(jù)供方提供的計(jì)算，單個(gè)升降機(jī)按照1噸的負(fù)載工況下渦輪升降器的啟動(dòng)扭矩為T啟動(dòng)=8N .m，T運(yùn)行=5.2N .m。

對(duì)于此傳動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)扭矩分配給左右兩個(gè)渦輪絲杠升降機(jī)。對(duì)于電機(jī)經(jīng)過(guò)換向器與絲杠升降器連接，電機(jī)所需的輸出扭矩：

T電機(jī)=2×T電機(jī)-(i×η)=2×8/(2×0.7)=11.4(N .m)。

根據(jù)以上計(jì)算，選用西門子V90系列伺服電機(jī)1FL6067-1AC61-2LA1可以滿足工況要求。下表為該伺服電機(jī)動(dòng)力參數(shù)：

表1 伺服電機(jī)1FL6067-1AC61-2LA1選型數(shù)據(jù)

(2)夾具伺服電機(jī)選型計(jì)算

此電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)夾具同時(shí)相對(duì)和相反運(yùn)動(dòng)功能，滿足穿地閥門裝夾后固定在升降平臺(tái)上。

圖4 夾具升降平臺(tái)升降傳動(dòng)系統(tǒng)圖

①電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速計(jì)算

電機(jī)輸出功率為傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦力的功率損耗及夾具的運(yùn)行功率。

設(shè)定單個(gè)夾具的最大運(yùn)行速度V=0.05m/s，功率P=f×V=μ×N×V，式中，μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，對(duì)于不銹鋼，μ取值0.3；N為施加在梯形絲杠副上的整壓力，對(duì)于單個(gè)梯形絲杠螺母副，N=0.5W（W為單邊夾具體所受的重力，按照250kg計(jì)算，W=Mg=250×10=2500N）?？紤]將閥芯從夾持面滑動(dòng)摩擦脫離單邊夾具所需功率：

P=f×V=μ×N×V=0.3×2500×0.05=37.5W

電機(jī)輸入功率為P電機(jī)=2×P/η，η為傳動(dòng)鏈的整體傳動(dòng)效率，取η=0.2，則有：

P電機(jī)=2×37.5/0.2=150W

梯形絲杠最大轉(zhuǎn)速n1=60×V/0.001×P=60×0.05/0.005=600rpm（式中，P為絲杠的導(dǎo)程，設(shè)計(jì)P=5mm），因此電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為n=600rpm。

②電機(jī)扭矩計(jì)算

絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),夾具所需的推力等于摩擦力。需要施加在絲杠上的扭矩

T=(Fa×0.001P)/(2×3.14×η1)=(f×0.001P)/(2×3.14×η1)

式中，η1為絲杠副的傳動(dòng)效率，取值η1=0.3。f=0.3×2500=750N。

單邊夾具絲杠需要輸入的扭矩為：

T=(750×0.005)/(2×3.14×0.3)=3.75×1884=199(N .m)。

折算電機(jī)的輸入扭矩為：

T電機(jī)=2×T/(i×η換向器傳動(dòng)鏈)=3.98/(2×0.7)=2.84(N .m)。

根據(jù)以上計(jì)算，選用西門子V90系列伺服電機(jī)1FL6044-2AF21-2LA1可以滿足夾具平臺(tái)升降所需的工況要求。下表為該伺服電機(jī)動(dòng)力參數(shù)：

表2 伺服電機(jī)1FL6044-2AF21-2LA1選型數(shù)據(jù)

4.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備結(jié)合穿地閥門的結(jié)構(gòu)特征，采用自動(dòng)加手動(dòng)的操作模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穿地閥門的穿地閥門的接收、分段拆解及裝桶轉(zhuǎn)運(yùn)，通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能的可靠性，為高放廢物穿地閥門解體的工程應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與理論支撐。