放射性廢物固化桶自動取封蓋裝置調研對比分析

賈占舉，劉文磊，范繼珩，朱鑫，嚴加兵，楊靜潔，楊輝青，沈聰

（中國核動力研究設計院，成都610005）

0 引言

隨著核工業發展的需要和環境保護要求的不斷提高，應采用適合的包裝容器來滿足固體廢物處理、貯存、運輸和處置的要求，以加強對放射性廢物的管理。以固化桶為載體，灌入處理后的廢料與水泥的混合物再進行封裝、貯存，是目前核廢料運輸存儲最常用的方法之一。作為容置放射性廢棄物的固化桶，其桶蓋的體積、質量較大，灌裝過程中放射性強，現場不便于人工直接操作，因此普遍采用自動取封蓋裝置對桶體進行取蓋和封蓋，再輔以其他設備完成整個固化流程。

1 裝置結構及工作過程

自動取封蓋裝置的功能是對固化桶進行取蓋和封蓋，是相關固體廢物處理線的關鍵設備之一。自動取封蓋裝置本質上是在遠程控制模式下實現對固化桶的自動取蓋和封蓋操作的機械手[1]，要求重復定位精度較高，在惡劣環境（放射性、高危險等）下替代人工，提高工作效率。

1.1 結構組成

自動取封蓋裝置由機械結構和電氣控制兩大部分組成。一般地，機械結構部分主要包括擰螺栓機構、桶蓋抓取機構、旋轉機構、提升機構、水平驅動機構等；電氣控制部分包括定位檢測機構、控制系統等。結構示意圖如圖1所示。

1.2 工作過程

自動取封蓋裝置工作過程分為取蓋和封蓋兩個步驟。

1）取蓋操作。當桶體運送到取封蓋工位時，定位檢測機構檢測到桶蓋位置，水平驅動機構動作使旋轉軸的中心與桶蓋的中心對齊。然后旋轉機構動作使螺栓擰緊機構上的擰緊頭的中心與桶蓋上螺栓孔的中心對齊。此時，提升機構使升降桿件向下移動，帶動螺栓擰緊機構向下運動，直至擰緊頭與螺栓接觸。接著擰緊頭動作，將螺栓擰松。最后桶蓋抓取機構動作，夾緊桶蓋，提升機構使升降桿件向上移動，使桶蓋與桶體分離，完成取蓋的操作。

2）封蓋操作。當桶蓋抓取機構夾緊桶蓋運動到桶體的上方時，定位檢測機構檢測到桶體位置，水平驅動機構動作使旋轉軸的中心與桶體的中心對齊。然后旋轉機構動作使螺栓擰緊機構上的擰緊頭的中心與桶體上螺栓孔的中心對齊。此時提升機構使升降桿件向下移動，帶動桶蓋向下運動，直至桶蓋與桶體接觸。接著擰緊頭動作，將螺栓擰緊。最后桶蓋抓取機構動作，松開桶蓋，完成封蓋的操作[2]。

圖1 自動取封蓋裝置結構示意圖

1.3 優勢分析

對于核廢料固化桶取蓋和封蓋過程，目前主要有人工直接操作、半自動取封蓋和全自動取封蓋3種方式。其中，半自動取封蓋指過程中需要人工介入才能完成的取封蓋方式，比如工人遠程操縱機械手進行取封蓋操作；全自動取封蓋指完全機器自主完成，不需要人工介入的取封蓋方式。3種取封蓋在安全、效率、質量、成本幾個方面進行對比，結果如表1所示。

表1 3種取封蓋方式優劣勢對比

由表1可知，由于過程中存在很強的放射性，人工直接操作時工人的安全性很差，這種方法只能在緊急情況下使用；相對于人工直接操作的方式，半自動取封蓋方式安全性提高，且封蓋效率和質量均有不錯的表現，工程實際中有著廣泛應用，但是其封蓋效率和質量均依賴于工人熟練度和工人本身健康情緒水平；全自動取封蓋裝置安全、工作效率高、封蓋質量好且穩定，雖然機器成本高但人工成本低，長期來看和其他兩種方式基本持平，由于機構復雜，全自動取封蓋運行穩定性相對較低，需要不斷進行改進。因此，全自動的方式成為取封蓋裝置主流設計應用發展方向。文中其他章節所述取封蓋裝置均為全自動取封蓋裝置。

2 技術研究方向

自動取封蓋裝置技術研究主要以機械結構改進和控制系統開發為主要方向。

2.1 機械結構改進

自動取封蓋裝置需要完成桶蓋操作機構的三軸移動和R軸旋轉、桶蓋的抓取、螺栓擰松、擰緊等一系列操作，裝置結構復雜，在設計中難以考慮到各種情況，因此在實際工程應用中需要針對出現的問題對結構進行改進。

曹迎鋒等[4]對在水泥固化線的取封蓋裝置運行時出現的抓取桶蓋的機械爪不能動作的情況進行了故障分析，確定了故障原因，設計了圓環旋轉式的桶蓋抓取機械爪，解決了這個問題，很大程度上提高了整體裝置運行穩定性。

路光明等[5]對定位裝置擋板易被掛彎問題進行故障分析，確定了故障原因是定位裝置擋板的導角較短和封蓋的工序不合理，并采取了相應的改進措施，調整擋板后的彈簧的松緊度，延長擋板底邊的導角，解決了系統中定位裝置容易發生故障的問題。

2.2 控制系統開發

自動取封蓋裝置的控制系統是裝置完成取封蓋功能的核心，系統開發成為自動取封蓋裝置技術的重點和難點。

黃金鳳等[6]以“PLC＋定位控制模塊”為核心輔以上位機監控軟件，搭建了自動取封蓋機械手控制硬件平臺，研究了軌跡規劃、參數傳遞、軟件編程等關鍵技術，設計了包含自動操作功能、手動操作功能的自動取封蓋裝置控制系統。

張彥松[7]基于PLC程序設計了包含初始化模塊、密碼模塊、擰緊及擰松參數設置模塊、擰緊狀態監測模塊、記錄查詢及報警查詢、通信模塊的控制系統，基于LabVIEW開發了上位機監控程序，對各傳感器有無信號、擰緊機的工作狀態、伺服電動機的運動情況等進行監控，實現了軟件和硬件的無縫連接。

孫小凌等[8]分析了水泥固化線的電磁干擾源，論述了隔離、屏蔽和濾波等硬件抗干擾措施，以及平均值法采樣、延時確認、軟件濾波等軟件抗干擾措施，重點分析和解決了取封蓋裝置、模擬量輸入模塊和變頻器等設備的干擾問題，保證了水泥固化線可靠運行。

3 工程實踐

目前已有多家單位設計制造了自動取封蓋裝置，并申請了相關專利，主要有中科華核電技術研究院有限公司[2]、大連德欣新技術工程有限公司[9]、常州機電職業技術學院[10]、中國核電工程有限公司[11]、中廣核研究院有限公司[12]、成都南方電子儀表有限公司及通裕重工股份有限公司[13]。

對各單位的取封蓋裝置在柔性化、定位檢測驅動方式兩方面作對比，如表2和表3所示。此外，表中單位依據其專利申請時間進行排序。

從表2中容易看出，工程設計上裝置的自由度逐步變多，結構剛性變小，柔性化增強，南方電子取封蓋裝置還包括了彈性離合套筒、浮動套合螺栓，柔性進一步提升。一方面，結構柔性化增強使裝置更能適應固化桶加工誤差、取封蓋位置不確定等實際情況，取封蓋效率更高，質量更好，發生功能性故障概率低；另一方面，自由度增加勢必使驅動機構更為復雜，設計上難度加大，運行中裝置自身故障率增加，運行穩定性隨之變差。

表2 裝置自由度對比

表3 裝置定位檢測驅動方式

從固化桶位置檢測方式看，主要發展趨勢為定位的精度和效率的提升。機器視覺裝置定位精度高，但圖像處理速度慢，對取封蓋效率影響很大；對射光電開關僅對螺栓孔定位，固化桶采用機械定位方式，定位精度差；預先人工定位在裝置運行中不能自適應調整，定位精度最差；位置傳感器的定位精度和效率方面都表現很好；激光傳感器比位置傳感器技術更先進，定位精度也更高。

擰螺栓機構軸數方面，主要分兩大類：第一種是軸數與螺栓數量相當，第二種是兩個對稱布置的擰螺栓裝置。第一種方式擰緊速度快，與表2相對應的，其機構自由度低，容易發生螺栓擰不上等功能性故障，且裝置驅動方式均為電動；第二種方式擰緊速度相對慢，但定位精確且機構自由度高，功能性故障率低。

4 創新設計

隨著技術不斷發展，取封蓋裝置結構柔性增加，定位精度提升，隨之而來的是結構變得復雜，裝置本身故障率增加，對此，本文從提高裝置運行穩定性和順應裝置設計發展趨勢兩個角度分別提出了取封蓋裝置設計思路。

4.1 創新設計一

目前已有的裝置設計上均采取“桶蓋找桶體”的方式，導致所有運動機構集成于小空間內，裝置復雜程度提高，且一般置于廠房頂部空間，給運行中出現故障時的維修工作帶來困難。

設計中可從另一角度出發，采取“桶體找桶蓋”的方式，即：桶蓋操縱機構只保留桶蓋夾緊定位機構、擰螺栓機構和旋轉機構；平面內X向Y向移動分別由位于地面上的可移動式桶體夾緊機構和可移動式擋桶機構及輥道共同完成；垂直升降運動由升降式支架完成。桶蓋操縱機構、桶體定位夾緊機構、擋桶機構、運輸輥道、支架由控制系統統一控制，形成取封蓋裝置的整體。更進一步第，三軸運動機構的電動機可以置于控制區外。

這樣設計的優勢在于將原本位于支架最頂端的質量和體積較大的三軸運動機構置于地面上，大幅度減輕了支架承受的質量；同時方便了裝置的檢修和維護。但此項設計會造成取封蓋裝置占地面積增大，給設備布置提出了更高的要求。

4.2 創新設計二

目前已有裝置在對固化桶定位后，移動整個桶蓋操縱機構對固化桶對中，然后進行取封蓋操作，由于桶蓋操縱機構質量大但又需要精確的移動定位，造成運動機構的笨重。

創新設計思路在于桶蓋抓取定位機構的機械爪采取獨立驅動的方式（現有裝置均為同時驅動同步動作），在桶蓋操縱機構大致位置確定后，由機械爪運動完成對固化桶的定心和后續擰螺栓操作。

這樣設計的優勢在于：各自獨立驅動的機械爪極大增加了裝置的柔性，使擰螺栓質量和效率進一步提升，功能性故障率進一步下降；運動驅動機構大幅精簡，特別是笨重的平面移動機構，支架受力也會變得更好。此項設計難點在于獨立驅動機械爪的驅動算法，給控制系統設計提出更高的要求。

5 結語

自動取封蓋裝置的功能是對固化桶進行取蓋和封蓋，是核廢料處理中的關鍵設備之一。針對自動取封蓋裝置，本文主要工作如下：1）介紹了取封蓋裝置的典型結構組成和工作流程，對比分析得到全自動取封蓋的突出優勢；2）從機械結構改進和控制系統開發兩個方面闡述了當前自動取封蓋裝置的技術研究現狀和方向；3）逐個介紹和分析了目前取封蓋裝置工程應用產品的組成、特點；4）對現有工程應用實例進行橫向對比，得到產品設計發展趨勢為結構柔性化和定位精度的不斷提升；5）從提高裝置運行穩定性和順應裝置設計發展趨勢兩個角度提出了兩種取封蓋裝置設計思路，對其他設計者的工作有一定的參考意義。