胡 鑫，楊 斌，劉 濤，杜林寶，胡 娜

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223)

在核電站的安裝、調(diào)試、生產(chǎn)運(yùn)行和定期檢修活動(dòng)中存在大量設(shè)備解體、系統(tǒng)打開作業(yè)，這些作業(yè)不可避免帶來異物進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)[1]。一旦異物進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)備將會(huì)對(duì)核電站的安全生產(chǎn)和運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致設(shè)備故障或損壞，特別是堆芯處異物極有可能導(dǎo)致燃料組件破損[2-3]，一方面一回路放射性水平大幅提高威脅工作人員安全，另一方面浪費(fèi)未燃盡燃料組件造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須對(duì)堆芯處發(fā)現(xiàn)異物進(jìn)行異物打撈處理。

當(dāng)前對(duì)于堆芯上方懸浮的異物，堆芯下柵格板上方的下沉異物，可以利用長桿遠(yuǎn)距離操作打撈工具完成異物打撈[4]，也可利用水下機(jī)器人攜帶機(jī)械臂近距離實(shí)現(xiàn)異物抓取[5-6]。然而，對(duì)于堆芯支撐板上方異物，沒有一種可行異物打撈解決方案。由于堆芯下柵格板與支撐板所組成圓柱形封閉區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且可進(jìn)入尺寸嚴(yán)格受限，異物抓取工具和異物抓取機(jī)器人都不可達(dá)?；贛310機(jī)組堆芯結(jié)構(gòu)提出并設(shè)計(jì)堆芯支撐板上方異物抓取機(jī)械臂。

1 堆芯結(jié)構(gòu)介紹

M310是國內(nèi)當(dāng)前主流的二代壓水堆核電站，以M310堆芯為例介紹支撐板上方異物抓取區(qū)域，此區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜且空間狹小。堆芯下部堆內(nèi)構(gòu)件三維圖如圖1所示，俯視圖如圖2所示。

圖1 下部堆內(nèi)構(gòu)件三維圖Fig.1 3D diagram of the lower reactor internals

圖2 下部堆內(nèi)構(gòu)件俯視圖Fig.2 Top view of the lower reactor internals

反應(yīng)堆下部堆內(nèi)構(gòu)件支撐板上方異物抓取的區(qū)域如圖3所示，為下堆芯板組件與堆芯支撐板之間的圓柱形封閉區(qū)域，該封閉區(qū)域所形成的空間內(nèi)部直徑為φ3 397.2 mm，高度為691.97 mm(即下堆芯板組件和下堆芯支承板之間的距離為691.97 mm)。該區(qū)域內(nèi)分布有68根堆芯支承柱和28根儀表套管的上部延長管。

圖3 堆芯支撐板上方異物抓取區(qū)域Fig.3 Foreign bodies grasping region above the reactor core support plate

堆芯下柵格板分布有157組圓孔，每組包含4個(gè)圓孔，共628個(gè)圓孔，圓孔的直徑為φ69.85 mm，每個(gè)圓孔距離縱橫坐標(biāo)軸線的距離均為50.8 mm。下堆芯板組件上每組圓孔旁邊均有2個(gè)燃料組件下定位銷，定位銷通過螺母牢固地連接在下堆芯板組件上，并凸出47.5 mm高。儀表套管上部延長管通過M32螺母與下堆芯板組件連接在一起，儀表套管凸出下堆芯板上部最大高度為40 mm，M32螺母的對(duì)邊長度為57.15 mm。堆芯支承柱與下柵格板組件之間通過M32的螺釘連接在一起，連接后僅有螺釘?shù)念^部凸出下堆芯板，M32螺釘?shù)念^部圓柱直徑為φ47.3 mm，高度為31.57 mm。M32螺釘凸出部分直徑和寬度均小于儀表套管上部M32螺母，只要異物抓取工具能夠避開儀表套管上部M32螺母，就能避開螺釘頭部。

因此，異物抓取工具要求通過628個(gè)φ69.85 mm圓孔覆蓋整個(gè)異物抓取區(qū)域，而且不與燃料組件定位銷、儀表套管上部M32螺母發(fā)生干涉。

2 異物抓取方案

對(duì)于異物位于堆芯下柵格板下支撐板上方情況，由于下柵格板孔直徑小，而且下柵格板表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法采用傳統(tǒng)異物抓取工具或者異物抓取機(jī)器人，只能采用水下三軸機(jī)械臂通過下柵格板孔進(jìn)行抓取的方案。利用加長桿使機(jī)械臂精確穿過下柵格板孔并且落坐在下柵格板上，操作人員在20m平臺(tái)遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂動(dòng)作，借助攝像頭觀察機(jī)械臂手爪與異物相對(duì)位置，通過控制機(jī)械臂手爪運(yùn)動(dòng)至異物附近的適當(dāng)位置，然后通過機(jī)械臂手爪鎖緊實(shí)現(xiàn)異物抓取，最后機(jī)械臂以豎直姿態(tài)退出異物抓取區(qū)域。整個(gè)抓取過程中攝像頭清晰觀察周圍環(huán)境和相對(duì)位置。

異物抓取設(shè)備主要由水下機(jī)械臂和輔助設(shè)備組成。總體方案如圖4所示。

圖4 異物抓取設(shè)備總體方案Fig.4 The overall solution of foreign bodies grasping

如圖5所示，異物抓取臂采取三軸結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)1可360°旋轉(zhuǎn)且升降運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)2可偏轉(zhuǎn)0～α運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)3隨動(dòng)保持豎直狀態(tài)，這樣可保證異物抓取機(jī)械臂可覆蓋下柵格板孔下方圓柱形區(qū)域。為了保證機(jī)械臂利用已有628個(gè)圓孔可覆蓋支撐板所有區(qū)域，經(jīng)過分塊分析機(jī)械臂水平方向運(yùn)動(dòng)半徑≥121 mm，取為121 mm，同時(shí)關(guān)節(jié)2最大偏轉(zhuǎn)角不宜過大，選擇為45°，那么關(guān)節(jié)2臂長為：

圖5 異物抓取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)Fig.5 Movement design of the foreign bodies grasping arm

3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異物抓取機(jī)械臂主要由傳動(dòng)箱、機(jī)械臂總成(手臂)、手爪組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。傳動(dòng)箱內(nèi)包括升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；機(jī)械臂總成為開放、三段式純機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)二、關(guān)節(jié)三。

圖6 異物抓取機(jī)械臂結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the foreign bodies grasping arm

異物抓取機(jī)械臂總成可保持豎直姿態(tài)經(jīng)過下柵格板孔達(dá)到堆芯支撐板上方空間。傳動(dòng)箱為封閉式箱體，包括三軸輸出動(dòng)力源及相應(yīng)電氣控制組件。傳動(dòng)箱通過有線拖纜與地面上的控制上位機(jī)和電源相連?？刂粕衔粰C(jī)接收控制終端操作指令，解析運(yùn)算后傳輸至機(jī)械臂控制箱執(zhí)行。

關(guān)節(jié)一具備旋轉(zhuǎn)和升降動(dòng)作，關(guān)節(jié)二具備偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，關(guān)節(jié)三跟隨關(guān)節(jié)一和關(guān)節(jié)二動(dòng)作，永遠(yuǎn)保持豎直狀態(tài)。關(guān)節(jié)三保持隨動(dòng)，既可以減少一個(gè)自由度控制，又便于在不發(fā)生干涉情況下實(shí)現(xiàn)異物抓取。

3.1 旋轉(zhuǎn)動(dòng)作

異物抓取機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由內(nèi)軸、被動(dòng)輪、主動(dòng)輪、同步帶、主動(dòng)電機(jī)、減速箱、軸承座及支架組成。該機(jī)構(gòu)為機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

安裝在支架上的電機(jī)及減速箱帶動(dòng)主動(dòng)輪，通過同步帶驅(qū)動(dòng)被動(dòng)輪回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)。減速箱的大減速比，保證了主動(dòng)端的低速大扭矩；通過伺服電機(jī)的精確控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的周向精確定位。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得機(jī)械臂可以穿過下柵格板φ69 mm的孔洞，同時(shí)使位于下柵格板與堆芯支撐板之間的三段軸臂可周向旋轉(zhuǎn)。

3.2 升降動(dòng)作

異物抓取機(jī)械臂的升降機(jī)構(gòu)，由傳動(dòng)箱上端蓋、直線模組安裝支架、直線模組、直線模組滑塊、直線模組驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱、軸承座及支架組成。該機(jī)構(gòu)為機(jī)械臂的升降運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。

傳動(dòng)箱上蓋通過加長桿與水上支撐定位設(shè)備連接，為機(jī)械臂起到初始定位與(下柵格板)孔間移動(dòng)的作用。直線模組安裝支架安裝在傳動(dòng)箱上蓋底部，直線模組、安裝支架、傳動(dòng)箱上蓋均精確安裝定位。直線模組通過帶減速箱的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其滑塊與機(jī)械臂軸承座聯(lián)接上下移動(dòng)。伺服電機(jī)提供直線模組的動(dòng)力源，機(jī)械臂的升降位移通過其精準(zhǔn)控制。

3.3 偏轉(zhuǎn)動(dòng)作

如圖7所示，異物抓取機(jī)械臂的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由關(guān)節(jié)一和關(guān)節(jié)二組成，包括偏轉(zhuǎn)電機(jī)、電機(jī)連接座、聯(lián)軸器、內(nèi)軸、外殼、齒輪1、支撐環(huán)等。偏轉(zhuǎn)電機(jī)通過螺釘固定在電機(jī)連接座上；偏轉(zhuǎn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與內(nèi)軸上端連接在一起；將內(nèi)軸套入機(jī)械臂外殼內(nèi)并將電機(jī)連接座安裝在關(guān)節(jié)一外殼上；齒輪1穿入關(guān)節(jié)一外殼下端的孔內(nèi)并套在內(nèi)軸下端上，利用緊定螺釘將齒輪1和內(nèi)軸固定在一起；為了保證齒輪1相對(duì)于關(guān)節(jié)一外殼轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，在齒輪1和關(guān)節(jié)一外殼的配合面之間設(shè)計(jì)有支撐環(huán)。

圖7 異物抓取機(jī)械臂偏轉(zhuǎn)動(dòng)作機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.7 Deflection structure of the foreign bodies grasping arm

關(guān)節(jié)二主要包括關(guān)節(jié)二外殼、內(nèi)軸、齒輪2、齒輪3、齒輪4、支撐環(huán)和密封圈等組成。內(nèi)軸穿入關(guān)節(jié)二外殼內(nèi)，齒輪3和齒輪4分別套在關(guān)節(jié)二外殼兩端的孔內(nèi)并固定在內(nèi)軸的兩端。齒輪2固定在關(guān)節(jié)二外殼上端的連接孔內(nèi)，與關(guān)節(jié)二外殼成為一體，齒輪2與齒輪3相嚙合。

關(guān)節(jié)一偏轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后即可驅(qū)動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過內(nèi)軸傳動(dòng)到齒輪2、齒輪2嚙合傳動(dòng)到齒輪3，從而帶動(dòng)關(guān)節(jié)二擺動(dòng)。

3.4 手爪

抓爪采用水下氣缸驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)的工作原理，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。抓爪結(jié)構(gòu)及合攏狀態(tài)如圖8所示。手爪的三根手指可起到自動(dòng)定心的作用，避免了夾取條形異物需要調(diào)整手爪方位的困難。手爪和第三關(guān)節(jié)的連接可快速拆裝，可根據(jù)特定的異物換用其他形式的手爪?；谕瑯釉碓O(shè)計(jì)二根手指的抓爪，用于抓取不同類型的異物。

圖8 抓爪結(jié)構(gòu)及合攏狀態(tài)Fig.8 Gripper structure and its close statue

3.5 定位結(jié)構(gòu)

由于異物抓取機(jī)械臂在水下20 m處作業(yè)，長度過長會(huì)導(dǎo)致下方波動(dòng)過大，因此，必須設(shè)置相對(duì)固定機(jī)構(gòu)使機(jī)械臂不發(fā)生晃動(dòng)。在傳動(dòng)箱下方設(shè)置定位裝置即密封壓蓋(見圖9)使機(jī)械臂坐落在支撐板上，該密封壓蓋設(shè)有一段圓錐段，利于壓蓋中間的圓柱體導(dǎo)入下柵格板孔內(nèi)，圓柱體的外徑略小于φ69 mm的板孔徑，取為φ68 mm。圓柱體導(dǎo)入后，可使機(jī)械臂相對(duì)下柵格板不發(fā)生水平擺動(dòng)。機(jī)械臂依靠自重在重力作用下，能可靠地壓在下柵格板上。機(jī)械臂在定位裝置的作用下，可相對(duì)于下柵格板孔可靠定位且不隨意移動(dòng)。

圖9 機(jī)械臂的定位結(jié)構(gòu)Fig.9 Fixed structure of the foreign bodies grasping arm

整個(gè)機(jī)械臂穿過下柵格板上φ69 mm孔坐落在下柵格板上時(shí)，必須避讓下柵格板上的燃料組件定位銷以及儀表套管上部M32螺母凸出部分。定位結(jié)構(gòu)外圈尺寸涵蓋燃料組件定位銷，而避開儀表套管上部M32螺母凸出部分。φ69 mm孔中心距離定位銷外圓最大距離為60.3 mm，定位銷高度為47.5 mm。因此，定位結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為φ130 mm(半徑為65 mm)，高度為50 mm，機(jī)械臂在定位的過程中能夠有效避開障礙物。

4 模擬試驗(yàn)

異物抓取機(jī)械臂樣機(jī)如圖10所示，在堆芯下部構(gòu)件模擬體上進(jìn)行異物抓取試驗(yàn)，在5個(gè)不同位置擺放4種異物，并借助攝像系統(tǒng)完成抓取過程。

圖10 異物抓取機(jī)械臂樣機(jī)Fig.10 The prototype of the foreign bodies grasping arm

20次試驗(yàn)異物都被成功抓取，螺釘和端子異物抓取成功如圖11所示，說明異物抓取機(jī)械臂功能可靠而且有效，可以覆蓋支撐板上方所有區(qū)域。

圖11 不同異物抓取成功Fig.11 The successful grasping of different foreign bodies

5 結(jié)論

對(duì)于堆芯支撐板上方異物，不存在一種可行異物打撈解決方案。針對(duì)此復(fù)雜空間域提出一種基于三關(guān)節(jié)機(jī)械臂的異物抓取方案，機(jī)械臂利用下柵格板孔進(jìn)入異物抓取區(qū)域，再結(jié)合旋轉(zhuǎn)、升降、偏轉(zhuǎn)和抓爪開合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間的異物抓取。設(shè)計(jì)、加工制造一套復(fù)雜空間異物抓取機(jī)械臂，在堆內(nèi)構(gòu)件模擬體上進(jìn)行不同位置多種異物抓取試驗(yàn)，機(jī)械臂都成功抓取異物，驗(yàn)證了異物抓取方案的可行性，以及異物抓取機(jī)械臂的安全性、可靠性。