機(jī)械手在核化工項(xiàng)目中的應(yīng)用

摘

要：梳理、分析了核化工項(xiàng)目中各類機(jī)械手的工作原理和功能特點(diǎn)，并就各類機(jī)械手的適用場(chǎng)景進(jìn)行了對(duì)比，介紹了在選擇和設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)需考慮的因素，總結(jié)了當(dāng)前的研究進(jìn)展和未來的發(fā)展趨勢(shì)，以期為今后其他項(xiàng)目的機(jī)械手設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：核化工項(xiàng)目；機(jī)械手；遠(yuǎn)距離操作0

引言國際上對(duì)核化工項(xiàng)目的操作水平和安全性要求越來越高，如直接進(jìn)行檢維修操作之前需對(duì)放射性設(shè)備和熱室進(jìn)行長時(shí)間的去污，影響開工時(shí)間，同時(shí)操作人員受輻照劑量較高，也會(huì)帶來較多的去污廢液；而采用遠(yuǎn)距離操作方式，待維修設(shè)備不必清洗到人員直接操作的去污限值，操作人員無須進(jìn)入熱室內(nèi)，所受輻照劑量低。因此，核化工項(xiàng)目的維修原則多傾向于遠(yuǎn)距離維修，機(jī)械手的性能和可靠性的提高、遠(yuǎn)距離操作技術(shù)的進(jìn)步可為遠(yuǎn)距離維修操作提供更多的方案選擇。1

機(jī)械手類型介紹機(jī)械手類型眾多，按照驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行分類，主要可分為主從機(jī)械手、電隨動(dòng)主從機(jī)械手、動(dòng)力手和劍式機(jī)械手。1.1

主從機(jī)械手主從機(jī)械手（圖1）可以完成較為靈活、復(fù)雜和精細(xì)的操作，能夠模仿操作人員的動(dòng)作，具有較好的密封性，可保證工作人員操作環(huán)境的安全。其一般成對(duì)安裝于混凝土、鉛或鋼制屏蔽墻體的各種尺寸熱室中，每個(gè)熱室屏蔽窗上部安裝有兩個(gè)主從機(jī)械手。主從機(jī)械手主要有兩個(gè)機(jī)械臂，一個(gè)安裝在操作前區(qū)的冷端（主動(dòng)臂），另一個(gè)安裝在熱室內(nèi)的熱端（從動(dòng)臂），它們通過穿墻件連接在一起。操作人員在冷端通過屏蔽窗操作主動(dòng)臂的每個(gè)動(dòng)作都直接傳輸至熱端的從動(dòng)臂上，從動(dòng)臂在熱室內(nèi)進(jìn)行相同的動(dòng)作。機(jī)械式主從機(jī)械手還包括伸縮臂主從機(jī)械手和鉸鏈臂主從機(jī)械手兩類。伸縮臂機(jī)械手可以傳遞操作人員無輔助手動(dòng)操作所用的最大作用力，一般尺寸較大，適用于較大的工作空間。鉸鏈臂機(jī)械手允許傳遞的力達(dá)中等水平，操作員可以較容易地在無輔助手動(dòng)操作時(shí)重復(fù)動(dòng)作，一般尺寸較小，可用于較小的工作空間。1.2

電隨動(dòng)主從機(jī)械手電隨動(dòng)主從機(jī)械手（圖2）有6～7個(gè)自由度，構(gòu)成部件能夠提供電助力。從動(dòng)臂的移動(dòng)有電機(jī)提供的傳輸力幫助（從動(dòng)臂的樞軸作用），并通過配重平衡減輕操作員的操作負(fù)擔(dān)，操作工作產(chǎn)生的力傳輸至主動(dòng)臂上。電隨動(dòng)主從機(jī)械手的主動(dòng)臂在操作前區(qū)（冷端）安裝在穿墻件上。主動(dòng)臂是一個(gè)樞軸伸縮套筒，可以手動(dòng)移動(dòng)，也可電力移動(dòng)，具有能夠執(zhí)行熱室工作的必要自由度。主動(dòng)臂包括一個(gè)操作夾鉗工作的手柄，它可用于啟動(dòng)電機(jī)助力，操作員可通過左手和右手操作此手柄，可固定伸縮套筒和手柄以避免移動(dòng)，主動(dòng)臂頂部安裝有配重和電驅(qū)動(dòng)裝置。電隨動(dòng)主從機(jī)械手的從動(dòng)臂在熱室內(nèi)（熱端）安裝在穿墻件上。從動(dòng)臂與主動(dòng)臂配對(duì)，并直接反映主動(dòng)臂的所有動(dòng)作，從動(dòng)臂可由操作員通過主動(dòng)臂直接驅(qū)動(dòng)，也可以通過電助力驅(qū)動(dòng)。從動(dòng)臂配有一個(gè)夾鉗以執(zhí)行所有所需操作，夾鉗可抓住熱室內(nèi)的部件，夾鉗還可夾持操作工具如螺栓鉆頭來維護(hù)或修理部件，可以通過主動(dòng)臂的動(dòng)作將從動(dòng)臂卸下。1.3

動(dòng)力手動(dòng)力手（圖3）是一個(gè)在工藝廠房熱室中移動(dòng)的操作系統(tǒng)，用于在工廠熱運(yùn)行階段，對(duì)熱室/設(shè)備室中的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或修理，此外，在核設(shè)施退役階段，動(dòng)力手將承擔(dān)拆卸任務(wù)。在廠房日常運(yùn)行時(shí)，不使用動(dòng)力手。動(dòng)力手的機(jī)械手操作、抓取能力很強(qiáng)，由控制裝置操作控制，可以完成工程所需的重載操作、起重運(yùn)輸和維修等任務(wù)。動(dòng)力手的結(jié)構(gòu)與雙梁橋式吊車相似，具有用來水平移動(dòng)的雙梁橋架和起重小車。與吊車相比，動(dòng)力手有一個(gè)位于小車下部的伸縮式機(jī)械手臂。通過伸縮功能，機(jī)械手臂可以垂直移動(dòng)。通過機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力手可以在熱室內(nèi)的所有位置進(jìn)行移動(dòng)。在機(jī)械手臂的末端有一個(gè)夾鉗，夾鉗可以實(shí)現(xiàn)多種操作，包括使用其他工具。此外，動(dòng)力手還配備了一個(gè)吊鉤，用來轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。日常運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力手停放在固定的熱室內(nèi)，這一停車位置可以對(duì)周圍熱室進(jìn)行快速干預(yù)，而不需要耽擱過長的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。1.4

劍式機(jī)械手在核化工項(xiàng)目放化實(shí)驗(yàn)室、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域防護(hù)工作箱所采用的取樣、轉(zhuǎn)運(yùn)、分裝操作工具長期以來一直沿用劍式機(jī)械手（即長桿夾鉗，圖4），此種操作工具是裝在鉛防護(hù)的球承孔中實(shí)現(xiàn)前后伸縮動(dòng)作，并借助球承在一定角度內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上、下、左、右動(dòng)作。目前，國內(nèi)后處理廠放化實(shí)驗(yàn)室、同位素生產(chǎn)等領(lǐng)域防護(hù)工作箱所采用的劍式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作有限（4個(gè)自由度），難以完成復(fù)雜、精細(xì)的操作任務(wù)。另外，由于球承質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)慣性較大，啟動(dòng)時(shí)很費(fèi)勁，而欲停止時(shí)不能馬上停止，劍式機(jī)械手操作精度受到了一定的影響。2

機(jī)械手的應(yīng)用和選擇在核化工項(xiàng)目中，機(jī)械手的設(shè)計(jì)需綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、載荷能力、操作空間、靈巧性、可靠性等因素，從而選擇合適的機(jī)械手。2.1

各類機(jī)械手適用的應(yīng)用場(chǎng)景表1描述了各類機(jī)械手在核化工領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。2.2

載荷能力在考慮載荷能力時(shí)，有必要盡可能精確地定義需要執(zhí)行的任務(wù)，需明確的參數(shù)包括所操作的最大以及最可能載荷重量、施加在物品上的作用力、操作人員手臂旋轉(zhuǎn)施加的扭矩、工具（如液壓剪、沖擊扳手、振動(dòng)源、高壓噴射去污等）的反應(yīng)、需要吊起的物品重量。為盡可能延長機(jī)械手的使用壽命，應(yīng)盡量避免在最大載荷能力限值附近頻繁使用機(jī)械手，決定機(jī)械手類型的關(guān)鍵參數(shù)一般為操作任務(wù)的最大載荷能力。2.3

操作空間在設(shè)計(jì)、選擇機(jī)械手時(shí)，需考慮到屏蔽密封前面板和任何相鄰設(shè)備或結(jié)構(gòu)的布置，確保機(jī)械手可以順利完成工藝設(shè)備操作，應(yīng)檢查、核實(shí)操作空間的充分性。2.4

靈巧性機(jī)械手的靈巧性代表其執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的易用性，靈巧性無法量化，對(duì)于某個(gè)機(jī)械手，其靈巧性與所施加的載荷成反比，且機(jī)械手的靈巧性可以通過操作人員良好、平穩(wěn)的動(dòng)作和最小的反沖（搖晃）來提高。2.5

可靠性機(jī)械手的可靠性取決于工況，因此，為了獲得更好的可靠性，應(yīng)避免在極端工況下（如頻繁在最大載荷能力下使用，由于化學(xué)環(huán)境的影響導(dǎo)致性能下降，或者未經(jīng)過充分訓(xùn)練的操作員使用不當(dāng)?shù)龋┦褂脵C(jī)械手，并充分考慮機(jī)械手制造商提供的維護(hù)間隔和規(guī)程說明。3

展望和思考國產(chǎn)機(jī)械密封可分離式主從機(jī)械手從動(dòng)臂大多為雙伸縮套管結(jié)構(gòu)，主要用于大型熱室的遠(yuǎn)距離操作。近年來，新研制出了單伸縮機(jī)械密封可分離式主從機(jī)械手，復(fù)雜程度較雙伸縮結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，設(shè)備故障率大大降低，減少了機(jī)械手維修工作量，對(duì)于提高設(shè)施的開工率有很大意義。新研制出的小型主從機(jī)械手已可取代傳統(tǒng)小型防護(hù)工作箱中大量使用、較為落后的劍式機(jī)械手，操作性能可大幅提高，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、精細(xì)的操作，具有7個(gè)自由度，且有力的反饋，自重輕、尺寸小，同時(shí)也促進(jìn)了箱室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代。隨著新的自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的形式越來越多，操作能力大于45kg的重載主從機(jī)械手、電隨動(dòng)主從式機(jī)器人、水下機(jī)械手以及對(duì)現(xiàn)有主從機(jī)械手進(jìn)行改造升級(jí)設(shè)計(jì)具有