核反應堆水池定位銷壓裝裝置與螺栓旋擰裝置

□ 游 冰 □ 王曉磊 □ 褚振忠 □ 張 紅 □ 朱田波

1.大亞灣核電運營管理有限責任公司 廣東深圳 518124 2.中廣核研究院有限公司 廣東深圳 518000 3.上海理工大學 機械工程學院 上海 200093

1 設計背景

適用于陸上定位銷壓裝施工和螺栓旋擰施工的自動化裝置已相對成熟,特別是螺栓旋擰裝置,已有較多的商業產品,代表性的廠家有美國英格索蘭、德國博世、法國喬治雷諾等,這些成熟的商業化產品,已在汽車制造、航天工業等領域得到了廣泛應用。

核電站核反應堆水池環境中存在輻照,這給潛水員水中施工帶來了極大風險,由此需要開發具有較高自動化程度的施工裝置,以實現遠程操控或自主作業。但是,由于施工環境的特殊性,自動施工裝置的研制需要考慮幾個方面的問題。首先,必須解決施工裝置的水下密封問題,包括內置的驅動電機、減速器、角度傳感器、扭矩傳感器等部件的密封。其次,必須解決施工裝置傳動機構的動密封問題,保證驅動電機與外部旋轉軸在動力傳遞過程中的可靠性與高效率。再次,必須解決施工裝置及其底部基座的穩定性問題,以承受施工裝置所施加的作用力或力矩。最后,考慮輻照環境,必須對驅動電機、電子元件等部件進行優選或者特殊處理。

針對上述核反應堆水池中的定位銷壓裝與螺栓旋擰施工問題,筆者設計了自動化施工裝置,并制訂相應的施工工藝,然后通過搭建陸地模擬環境進行可行性測試。

2 施工過程

運行于核電站核反應堆水池中鋼制工件的安裝如圖1所示,目的是通過定位銷與螺栓實現對鋼制工件的緊固。擬安裝的鋼制工件長1 541 mm,寬233 mm,質量約為80 kg,分別由四個φ24 mm定位銷和14個M20螺栓進行定位與鎖緊。

▲圖1 鋼制工件安裝

鋼制工件安裝涉及五軸運送平臺、視覺定位系統、施工裝置等多個設備。施工裝置包括定位銷壓裝裝置與螺栓旋擰裝置。五軸運送平臺主要用于三軸移動及俯仰與回轉運動,視覺定位系統主要解決定位銷及螺栓與各自對應安裝孔的定位問題,目前相關技術已較成熟。因此,筆者主要研究定位銷壓裝與螺栓旋擰兩套施工裝置的設計問題,并在此過程中重點關注兩個方面的問題。

第一,定位銷壓裝時,壓裝所產生的作用力超出底部基座,即五軸運送平臺的承載能力,因此需要解決的問題是如何實現壓裝力與底部基座的隔離保護。

第二,螺栓旋擰時,旋擰所產生的作用力矩會直接作用于底部基座,因此需要解決的問題是如何保證左右兩個螺栓旋擰扭矩的同步性以降低對底部基座的傾覆轉矩。

3 壓裝裝置及施工工藝

定位銷壓裝的目的是將定位銷壓入定位孔中,定位銷直徑為24 mm h7,長度為75 mm。定位銷采用過盈配合安裝,給定的壓裝載荷設計指標為7.5 t。若由底部五軸運送平臺直接承受該壓裝力,則五軸運送平臺需要具備極高的剛度與強度,否則會造成結構件損毀、間隙增大、精度降低等問題。為此,筆者設計了一種基于四螺桿鎖緊的可分離式定位銷壓裝裝置,如圖2所示。

▲圖2 定位銷壓裝裝置

施工中,采用兩個定位銷同步壓入方式,定位銷壓裝力分別由設置在中部的兩個壓裝液壓缸提供?？紤]水池的防污問題,液壓缸采用去離子水作為傳動介質。定位銷壓裝裝置設置了四根鎖緊螺桿,分別對應定位銷上下四個螺栓的安裝孔。在四個螺桿驅動電機的同步轉動下,將螺桿擰入背部安裝板上的螺紋孔中。由于螺桿擰入過程中會產生軸向移動,壓裝裝置上設置了滑動導軌,螺桿驅動電機、定位銷及其液壓缸由滑動導軌支撐,可以跟隨螺桿的軸向運動而前后移動。通過檢測驅動電機的工作電流,可估算螺桿的旋擰扭矩,若扭矩超過預設值,即可判斷螺桿支撐面已與工件接觸,則電機斷電。當四根螺桿的支撐面與工件表面全部接觸后,即可實現壓裝裝置與工件的鎖緊。

定位銷壓裝裝置上的四根鎖緊螺桿,能夠承受大部分的定位銷壓裝力。但由于壓裝裝置不可避免的會存在結構變形等因素,仍有部分的壓裝力會傳遞至安裝底座,進而傳遞至底部的五軸運送平臺上。為消除壓裝力對五軸運送平臺的影響,筆者提出了可分離式底座的設計方案,如圖3所示。

▲圖3 可分離式底座

可分離底座與壓裝裝置上部部件間通過兩個失電電磁鐵進行吸合,并通過四個錐形導向銷進行支撐。失電電磁鐵斷電時,所產生的磁力能夠實現底座與上部部件的吸合,其中單個電磁鐵吸合力不小于60 kg。失電電磁鐵得電時,磁力消失,即可實現底座與上部部件的分離,使壓裝力全部作用在四根鎖緊螺桿上。

基于上述所設計的施工裝置,定位銷壓裝的施工工藝如下:

(1) 利用五軸運送平臺將定位銷壓裝裝置運送至鋼制工件附近,并利用視覺定位系統保證鎖緊螺桿與安裝板上螺紋孔對準,定位誤差不大于0.3 mm;

(2) 控制螺桿鎖緊電機同步轉動,直至四根鎖緊螺桿支撐面全部與工件接觸;

(3) 失電電磁鐵得電,五軸運送平臺下移,使可分離底座與壓裝裝置上部部件分離;

(4) 液壓缸加壓,壓入定位銷,直至定位銷完全壓入;

(5) 失電電磁鐵斷電,五軸運送平臺上移,使底座與壓裝裝置上部部件重新吸合;

(6) 定位銷壓裝裝置返回岸上。

4 旋擰裝置及施工工藝

螺栓旋擰的目的是將內六角螺栓擰入背部安裝板上的螺紋孔內,以實現鋼制工件的鎖緊。所用的螺栓規格為M20,螺紋旋擰行程為20 mm。安裝過程中,首先通過抓取裝置將螺栓放入鋼制工件的螺紋孔口,隨后由螺栓旋擰裝置實現擰入并進行最終的鎖緊,最大鎖緊扭矩不大于310 N·m。針對上述需求,筆者設計了一種隨動式螺栓旋擰裝置,如圖4所示。

▲圖4 螺栓旋擰裝置

螺栓旋擰裝置能夠實現兩個螺栓的同步擰入,每個旋擰工具均配備一個獨立的驅動電機,內置扭矩傳感器,能夠實現對旋擰扭矩的實時監測與扭矩閉環控制。每個旋擰驅動電機均由四根滑動導軌進行支撐,從而可適當降低對兩個螺栓軸向移動同步性的要求。考慮到螺栓旋擰時擰緊工具存在軸向移動問題,在滑動導軌上設置了支撐彈簧,保證在旋擰過程中驅動電機的軸向隨動能力。

螺栓旋擰電機的內部結構如圖5所示。旋擰電機外殼為水下密封設計,內部集成了直流無刷電機、RV減速器、旋轉變壓器、扭矩傳感器等。直流無刷電機與RV減速器采用一體集成式設計,扭矩傳感器一端與直流無刷電機后端蓋連接,另一端與螺栓旋擰電機后端蓋連接,上述結構可使擰緊工具端的負載傳遞至扭矩傳感器,實現對負載扭矩的精確檢測。經測試,比例系數修正后的扭矩檢測偏差不大于2.5%。針對輻照環境,選用旋轉變壓器進行電機端的位置檢測,進而代替常規直流無刷電機上的霍爾傳感器,實現對直流無刷電機轉速的控制。通過對扭矩進行實時閉環控制,可以實現兩個螺栓旋擰扭矩的同步性。

▲圖5 螺栓旋擰電機內部結構

基于上述所設計的施工裝置,螺栓旋擰的施工工藝如下:

(1) 利用五軸運送平臺將螺栓旋擰裝置運送至鋼制工件附近,并利用視覺定位系統保證螺栓擰緊工具與螺栓對準;

(2) 控制五軸運送平臺沿擰緊工具前進方向運動,使支撐彈簧壓縮,且須保證壓縮行程大于螺紋旋擰行程;

(3) 控制旋擰驅動電機轉動,使旋擰工具與螺栓精確對接;

(4) 當旋擰扭矩大于30 N·m后,需保證兩個螺栓旋擰扭矩的同步增長,直至旋擰扭矩達到310 N·m,電機斷電;

(5) 控制五軸運送平臺沿擰緊工具反向運動,直至擰緊工具與螺栓完全分離;

(6) 螺栓旋擰裝置返回岸上。

5 可行性測試

考慮到核反應堆水池環境的特殊性及測試過程中的不可預測性,在陸上搭建模擬測試環境進行施工裝置及其施工工藝的可行性測試。

定位銷壓裝裝置遠程操作界面如圖6所示,能夠同步控制四個螺桿驅動電機的旋擰轉速,實現同步擰入和擰出。

▲圖6 定壓銷壓裝裝置遠程操作界面

定位銷壓裝施工測試如圖7所示。圖7中,壓裝裝置的四根鎖緊螺桿已成功擰入,并實現了壓裝裝置與鋼制工件的固定,同時可分離底座也已實現與壓裝裝置上部部件的分離。測試過程中發現,四根鎖緊螺桿擰入的同步性極其重要。由于四根螺桿螺紋嚙合的時間點存在不一致性,若驅動電機轉速較高,則容易因螺桿嚙合行程的差異較大而造成卡死。測試后,選取的一種可行解決方案是降低驅動電機轉速,結合電機轉速精確性與一致性控制,可以極大提高螺桿鎖緊的成功率。

▲圖7 定位銷壓裝施工測試

螺栓旋擰裝置遠程操作界面如圖8所示,能夠用于兩套螺栓旋擰電機的轉速、位置、轉矩、電流等參數的閉環控制,可以適應多種擰緊作業工況。

▲圖8 螺栓旋擰裝置遠程操作界面

螺栓旋擰施工測試如圖9所示。圖9中,螺栓旋擰裝置上的擰緊工具已同步對準螺栓,并實現了螺栓的擰緊。測試過程中發現,螺栓旋擰扭矩增大時,會對底部五軸運送平臺產生一定影響。因此,在保證旋擰扭矩不超出設定值的前提下,還須保證旋擰扭矩加載的平穩性,此時可利用擰緊工具與螺栓尾部內六角孔的兩點支撐來抵消旋擰所產生的轉矩,進而降低對底部五軸運送平臺的影響。

▲圖9 螺栓旋擰施工測試

通過上述測試,驗證了筆者設計的定位銷壓裝裝置、螺栓旋擰裝置及各自施工工藝的可行性。在上述測試基礎上,通過搭建水池測試環境,進一步驗證施工裝置及其水下施工工藝的可行性。水池測試環境如圖10所示。測試結果為后續開展核反應堆水池環境中的實際施工作業提供技術支持。

▲圖10 水池測試環境

6 結束語

針對核反應堆水池環境中的工件安裝需求,設計了一種基于四螺桿鎖緊的可分離式定位銷壓裝裝置和一種隨動式螺栓旋擰裝置,并給出了詳細的施工工藝。測試結果驗證了施工裝置及其施工工藝的可行性。所設計的螺栓旋擰裝置同樣適用于工件拆卸時的螺栓擰出施工,其可行性經過了現場測試。