一種蒸發器傳熱管內孔抓緊機構的設計與分析

王浩， 程保良，于毅， 張寶軍

（1.山東核電有限公司，山東 煙臺 265116；2.國核電站運行服務技術公司，上海 200233）

0 引言

蒸汽發生器傳熱管是壓水堆核電站一回路壓力邊界的重要組成部分，是防止放射性裂變產物外泄的主要屏障，故蒸汽發生器傳熱管檢查是核電站役前及在役檢查的必檢項目［1］。目前，世界各國所采用的蒸發器傳熱管檢測裝置都不盡相同，其中絕大部分都采用了管板爬行機器人的方式，其與蒸發器管板的連接固定采用了傳熱管內孔抓緊定位的方式［2］。比如，美國西屋公司的Pegasys，捷特公司的ZR1～ZR100系列產品，克羅地亞INETEC公司的TSR和西班牙TECNARTION公司的TESAR［3］等。本文提出一種蒸發器傳熱管檢測爬行機器人新型內孔抓緊機構，也稱爬行腳結構，該結構設計能實現可靠抓緊、斷電斷氣保持。計算和實驗表明，斷電斷氣后該內孔抓緊機構理論上仍可承受無限大的軸向吊裝力，除非材料發生塑性變形或零部件損壞。

圖1 AP1000蒸發器傳熱管剖視圖

該機構采用斜楔機構，斜楔是夾具夾緊機構的基本形式之一，具有結構簡單、自鎖和能產生增力作用等特點［4］。考慮到傳熱管內孔是圓孔，管壁較薄（常見尺寸如圖1所示），單斜楔機構不能可靠適應其內壁，并會造成傳熱管內壁因受力不均而發生變形和損傷，故采用三斜楔結構抓緊傳熱管內壁。楔塊的滑動可采用彈簧或氣缸驅動，滑動楔塊與傳熱管內壁產生的摩擦力用來支撐傳熱管檢測裝置及其附件的重力。

1 內孔抓緊機構結構設計

蒸發器傳熱管渦流檢測裝置中，內孔抓緊機構至少要實現4個動作，即機構插入管孔、機構抓緊、機構松開和機構脫離管孔。內孔抓緊機構分為兩部分，卡爪部分和伸縮部分。卡爪部分實現機構在管孔內的抓緊和松開功能，伸縮部分完成機構插入管孔和脫離管孔功能。

1.1 卡爪部分

圖2為卡爪部分外觀機構圖，圖3為卡爪抓緊傳熱管內壁結構圖。卡爪主體上有沿圓周方向等角度均布的3道滑槽，滑塊與拉桿柔性連接，利用拉桿的推拉，帶動滑塊在滑槽內滑行。滑槽底面與傳熱管內孔軸線之間有一較小的夾角，使得當滑塊延滑槽向頂部滑動時，3個滑塊的外包絡圓直徑會增大。利用此原理，可實現傳熱管機構在傳熱管內孔的抓緊。

圖2 卡爪部分外觀結構圖

圖3 卡爪抓緊傳熱管內壁結構圖

為實現滑塊向下滑行的動作，設計了特殊的二級活塞結構，該二級活塞與拉桿之間是活動連接，可以方便拆卸及安裝，二級活塞通過二級氣缸實現拉伸動作。為保持二級活塞與拉桿的可靠運動，用導套將二者約束在特定形狀的內孔中，且內孔深度大于二級活塞的運動行程。

該卡爪部分采用的滑塊滑槽的形式，實際上是雙斜楔結構的簡單變形。特殊的滑塊形式使得滑塊外表面始終與傳熱管內孔母線保持平行，保證滑塊與傳熱管內孔孔壁之間一直是線接觸。這種結構形式一方面增大了接觸面積，降低了對傳熱管內壁的損壞程度，另一方面增大了摩擦力，提高了抓緊的可靠性。

1.2 伸縮部分

圖4為內孔抓緊機構的外觀圖，圖5為內孔抓緊機構伸縮部分的內部結構圖。伸縮部分由兩級氣缸組成，二級氣缸的活塞實現卡爪的抓緊和松開，一級氣缸的活塞完成卡爪插入管孔和脫離管孔的功能。一級活塞導套是一級活塞的延伸，由于一級活塞導套上無法安裝活動的導向帶，故與活塞內壁的密封采用密封性能優良的X型密封圈，其余各道密封均采用O型圈與導向帶結合的密封方式。

圖5 內孔抓緊機構伸縮部分結構圖

圖4 內孔抓緊機構外觀圖

初始狀態下，在拉簧的作用下，卡爪處于插入管孔狀態。當進氣口一旦通入壓縮空氣，二級活塞后移，帶動卡爪上滑塊后移。此時可將抓緊機構插入管孔當中，而后進氣口一卸荷，進氣口二加壓，將滑塊支撐在管孔內部，該狀態稱之為工作狀態。工作狀態下，內孔抓緊機構可承受向下的吊裝力。二級活塞端蓋用來將二級活塞密封在一級活塞內部。二級活塞端蓋與一級活塞之間有壓簧，當工作狀態下供氣壓力突然消失或減弱到某一程度時，壓簧會給二級活塞一個向前的推力，使得卡爪依舊能保持在可靠工作狀態，以防止事故發生。

2 受力分析

該內孔抓緊機構可簡化為如圖6所示模型。為了計算及視圖理解方便，模型將3個滑塊簡化為2個滑塊結構，經計算論證，該簡化有效［5］。忽略系統中所有物體的重力，實際抓緊狀態時卡爪主體3受到向下的一個拉力，此拉力可以由重力和二級活塞的上頂力提供。已知摩擦系數f12=f14=tanψ，ψ是管孔內壁1和滑塊2之間的摩擦角；卡爪主體3斜面夾角的一半為α。求解F，ψ，α滿足受力關系時，管孔內壁1和滑塊2及滑塊4之間剛好開始打滑。根據平面力系受力平衡方程及摩擦力與正壓力的關系，列出以下方程。

圖6 內孔抓緊機構受力分析簡圖

由于模型左右對稱，故針對物體3受力平衡列出方程式

由于系統已經開始打滑，物體1和物體2，物體1和物體4之間所受摩擦力為滑動摩擦力，故有下式成立：

式中：F為物體3所受拉力，N；F23為物體2對物體3產生的正壓力，N；F43為物體4對物體3產生的正壓力，N；α為物體3兩斜面夾角的一半；ψ為物體1和物體2之間的摩擦角（物體4和物體1之間的摩擦角）；Ff12為物體1對物體2產生的摩擦力，N。

聯立式（1）～式（5）得

故當α=ψ時，物體2和物體4相對于物體1之間開始打滑，與物體3所受拉力F無關。

經分析發現，拉力F產生F32，Ff12是由F32的分力F12產生的，當系統處于靜止位置時，物體1和物體2之間，物體1和物體4之間產生的摩擦力為靜摩擦力。F12與Ff12間滿足以下關系：

根據α的取值范圍，分5種情況分析：

1）第一種情況：0°<α<ψ。該種情況下，F12tanα

2）第二種情況：ψ<α<90°。該種情況下，F12tanα＞F12ψ。即對于物體2而言，正壓力產生的向下分力大于正壓力產生的摩擦力，該種情況下，無論拉力F多小，物體2和物體4相對于物體1之間都會打滑。

3）第三種情況：α=0°。該種情況下，F12=F32=0。即對于物體2而言，正壓力產生的向下分力為0，物體2和物體4與物體1之間的摩擦力也為0。該種情況下，物體3會加速下落，物體2和物體4做自由落體運動。

4）第四種情況，α=90°。該種情況下：F12=0，F32=F/2。即對于物體2而言，正壓力產生的向下分力為拉力F的一半，物體2和物體4與物體1之間的摩擦力為0。該種情況下，系統會加速下落。

5）第五種情況：α=ψ。該種情況下，F12tanα=F12tanψ。即對于物體2而言，正壓力產生的向下分力等于正壓力產生的摩擦力。該種情況下，系統會保持靜止或勻速下落。

綜上所述，將內孔抓緊機構中滑塊和卡爪主體斜面的夾角設計為小于摩擦角ψ，此時無論拉力F有多大，滑塊和傳熱管內壁間都不會打滑。利用該種設計，內孔抓緊機構的吊裝力理論上可以無窮大。

3 結論

本文提出了一種新型的蒸發器傳熱管檢測爬行機器人內孔夾緊機構，通過對其工作原理分析，抓緊機構內部各部件功能介紹以及受力分析，有效解決了核電站蒸發器傳熱管檢測裝置爬行腳吊裝力增大時爬行機器人爬行腳打滑的隱患，為后續新型傳熱管檢測爬行機器人設計提供了新方案。同時，該種結構亦可應用于所有需用內孔定位或抓緊的場合，為各種管孔定位或抓緊裝置提供了一種新思路。

［1］ Obrutsky L，Renaud J，Lakhan R.Steam Generator Inspections：Faster，CheaperAnd Better，Are We There YetIV［C］//Conferencia Panamericana de END，BuenosAires，Canada.2007：1-17.

［2］ Wang Liquan，Wu Jianrong，Liu Yulong.Structure Design of Steam Generator Inspections Robot［C］//Proceedings of the 2nd International Symposium on Symbiotic Nuclear Power Systems for 21st Century，China，Harbin Engineering University，2008：138-142.

［3］ 吳健榮，林戈，陳懷東，等.蒸汽發生器一次側在役檢查機器人技術發展概況［C］//遠東無損檢測新技術論壇低碳、綠色、健康的無損檢測與評價技術論文集，杭州，2011：351-354.

［4］ 鐘康民，王德云.雙面斜楔增力液壓傳動夾具［J］.制造技術與機床，2004（6）：78-79.

［5］ 喬晉崴.基于自主鎖止機理的管內機器人機構設計與特性研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2012.