董緒超

（中國核電工程有限公司，北京）

引言

自動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,高危險等)下，通過遠(yuǎn)程控制模式實現(xiàn)對核電低、中水平放射性固體廢物包裝容器鋼桶的自動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整條線的運(yùn)行至關(guān)重要。

1 自動取封蓋裝置的主要功能

自動取封蓋裝置有三個主要的功能：第一，鋼桶定位功能，對固廢輥道系統(tǒng)輸送至取封蓋下方的鋼桶起到一個定位及反饋信號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 號機(jī)組自動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，見圖1。

圖1 我國沿海某市核電站1、2 號機(jī)組自動取封蓋裝置中鋼桶定位方式

3、4 號機(jī)組自動取封蓋裝置中采用左、右定位輪臂（圖2 中序號1）定位，氣缸驅(qū)動輪臂伸出到位，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 號機(jī)組自動取封蓋裝置中鋼桶定位方式

5、6 號機(jī)組自動取封蓋裝置依靠輥道上光電開關(guān)確定?？奎c，這點與3、4 號機(jī)組自動取封蓋裝置一致；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 號機(jī)組自動取封蓋裝置的定位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，氣缸的兩個直線導(dǎo)桿容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致定位V 鐵上、下滑動卡滯，鋼桶定位不準(zhǔn)確及鋼桶信號消失等問題。而3、4 號機(jī)組自動取封蓋裝置在設(shè)計時考慮到上述定位V 鐵的問題，對定位進(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 號機(jī)組自動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，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)上增加無動力的自適應(yīng)平臺，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 號機(jī)組自動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，工作時通過電磁閥控制氣缸，將螺栓/螺孔定位裝置下降到檢測高度；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至桶蓋邊緣上方；螺栓/螺孔定位傳感器為2 個接近開關(guān)/2 個激光傳感器，彼此間成固定角度和距離，與桶蓋上相鄰2 個螺栓/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)兩個接近開關(guān)/激光傳感器被相鄰2 個螺栓/螺孔同時觸發(fā)時停止轉(zhuǎn)動，螺栓/螺孔定位完成，見圖3。

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

3、4 號機(jī)組自動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，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螺栓/螺孔后，產(chǎn)生兩次信號的突變，此時程序判斷已找到螺栓/螺孔位置；反向轉(zhuǎn)動固定角度，使得扳手頭和螺栓/螺孔對齊，即完成對螺栓/螺孔的定位，見圖4。

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

5、6 號機(jī)組自動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，激光射點高度對應(yīng)桶蓋下方冒出的螺栓高度。定位螺栓時，螺栓定位裝置隨執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)，激光射點會先后經(jīng)過相鄰的2 個螺栓，觸發(fā)兩次信號。此時判斷已找到螺栓。執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)固定角度，使扳手套筒移動至螺栓的正上方。至此完成螺栓定位；螺孔定位裝置由一個氣動旋轉(zhuǎn)臂和固定在上面的激光傳感器組成。非工作狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)臂處于立起狀態(tài)，不會與其他機(jī)構(gòu)動作干涉。定位螺孔時，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，控制旋轉(zhuǎn)臂順時針旋轉(zhuǎn)180°，使得激光傳感器的射點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)帶動激光傳感器連續(xù)經(jīng)過兩個相鄰的螺栓孔，觸發(fā)兩次反饋信號，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 號機(jī)組自動取封蓋裝置采用光電開關(guān)/激光傳感器來對螺栓/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/螺孔信號后反饋至系統(tǒng)，系統(tǒng)再發(fā)出旋轉(zhuǎn)停止信號，中間有信號傳輸?shù)臅r間差，這個誤差無法控制，會導(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)功能來消除信號傳輸?shù)臅r間差；后續(xù)四個機(jī)組的自動取封蓋裝置從設(shè)計角度上規(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 號自動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 號機(jī)組自動取封蓋裝置中桶蓋抓取方式

3、4 號機(jī)組自動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 號機(jī)組自動取封蓋裝置在主執(zhí)行機(jī)構(gòu)上固定有3 組氣動旋轉(zhuǎn)抓具，見圖6。當(dāng)給出抓緊指令時，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，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 號機(jī)組自動取封蓋裝置中桶蓋抓取方式

綜上所述，1、2 號機(jī)組自動取封蓋裝置采用旋轉(zhuǎn)氣缸帶動四根抓爪伸、縮來完成桶蓋的抓取和釋放，但在螺栓未完全擰松時取蓋，容易將桶蓋及鋼桶同時提升，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，工作停止并報警；而3、4 號機(jī)組自動取封蓋裝置采用的是豎直方向的擺動桿，當(dāng)氣缸收縮時抓緊桶蓋，抓爪的受力截面理論計算可以承受載滿重物的鋼桶，不會發(fā)生變形或斷裂問題，但是為了安全起見，取蓋時順帶將鋼桶提起是不可取的。建議解決思路同1、2 號機(jī)組一致；5、6 號機(jī)組自動取封蓋裝置采用3 組氣動旋轉(zhuǎn)抓具，出現(xiàn)鋼桶隨桶蓋上升的情況后容易對氣缸旋轉(zhuǎn)軸及抱桶裝置造成機(jī)械性損傷，會導(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，保證抓取時鋼桶不會隨桶蓋上升。

5 改進(jìn)的設(shè)計思路

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

在設(shè)計鋼桶定位時，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，應(yīng)選用精度高、性能好的光電開關(guān)，同時夾桶裝置動力部分盡可能選用電動或氣動，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)傳手動控制，當(dāng)發(fā)生故障時，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)計螺栓/螺孔定位時，應(yīng)考慮定位精度，檢測開關(guān)的安裝法蘭上應(yīng)帶有自適應(yīng)平臺，保證遇到不規(guī)則的鋼桶時能夠無外力干預(yù)的情況下能夠自動調(diào)整，增強(qiáng)定位的可靠性。定位時初次檢測到的螺栓/螺孔不應(yīng)作為基準(zhǔn)點，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，這樣會更加精確[5]。

在設(shè)計桶蓋抓取功能時，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，尺寸也會很大，浪費成本及設(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，隨著時間推移，核電站更換燃料并貯存后，會有越來越多的低、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方面，總結(jié)分析了我國沿海某市核電站1-6 號機(jī)組中已實際應(yīng)用的自動取封蓋裝置，提出了切實可行地解決問題的方法，形成了更為先進(jìn)的自動取封蓋裝置推薦設(shè)計方案。也為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化自動取封蓋裝置提供了一些切入點和思路。