關(guān)于水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人的幾點(diǎn)思考

羅光輝

摘? 要：在水輪機(jī)設(shè)備中，轉(zhuǎn)輪是其中的核心部件。在水輪機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)輪裂紋可以說是經(jīng)常出現(xiàn)的一類問題，且會對電廠的運(yùn)行安全產(chǎn)生影響，也給電廠造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在修復(fù)時采用的人工作業(yè)效率低下，修復(fù)環(huán)境十分不利于工人的安全。另一方面更換已損壞的轉(zhuǎn)輪時，由于存在手工新轉(zhuǎn)輪和舊轉(zhuǎn)輪在形狀上有差異的情況，對水輪機(jī)的工作狀態(tài)造成重要影響，大大降低了水輪機(jī)工作效率，提高了發(fā)電成本，降低了發(fā)電質(zhì)量。轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)，大大降低了檢修周期，同時也避免了替換轉(zhuǎn)輪時可能出現(xiàn)的形狀差異問題和人工修復(fù)的安全隱患，減少了電廠的發(fā)電成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)輪問題;轉(zhuǎn)輪修復(fù);機(jī)器人

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0072-02

Abstract： In hydraulic turbine equipment， runner is the core component. In the practical application of hydraulic turbine， runner crack can be said to be a kind of frequent problems， and will have an impact on the operation safety of the power plant and cause great economic losses to the power plant. The manual operation efficiency of the traditional hydraulic turbine runner in the repair is low， and the repair environment is not conducive to the safety of the workers. On the other hand， when replacing the damaged runner， due to the difference in shape between the new manual runner and the old runner， it has an important influence on the working state of the hydraulic turbine， greatly reduces the working efficiency of the hydraulic turbine and improves the cost of power generation. The quality of power generation is reduced. The appearance of the runner repair robot not only greatly reduces the maintenance cycle， but also avoids the possible shape difference and the hidden danger of manual repair， reduces the power generation cost of the power plant and improves the economic benefit.

Keywords： runner problem; runner repair; robot

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能控制、機(jī)械、通訊、電子等技術(shù)水平得到了大幅提升， 機(jī)器人技術(shù)得到了長足發(fā)展。人類對于機(jī)器人的需求是旺盛的，機(jī)器人的出現(xiàn)可以大幅縮減生產(chǎn)成本，解放勞動者，提高生產(chǎn)效率。機(jī)器人對于制造業(yè)的發(fā)展具有重要作用：工業(yè)上機(jī)器人的廣泛應(yīng)用可以提升生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品生產(chǎn)制造的良品率，提高加工和檢測精度，大大提升產(chǎn)品的質(zhì)量。機(jī)器人也可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、服務(wù)、軍事等諸多領(lǐng)域，提升這些領(lǐng)域的發(fā)展水平。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展能有效推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的重要部分。

2 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展

機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)目的是在于解放人類的雙手，以及代替人類從事一些重復(fù)性、勞動量大的工作，以及精度要求高的一些工作。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一般可以概括為三階段：第一階段的機(jī)器人僅僅只能進(jìn)行一些簡單的操作，根據(jù)編程人員所固化的程序設(shè)定，按照已定好的步驟進(jìn)行簡單的重復(fù)性工作，不能與外界進(jìn)行信息交互，以及不能反饋信息;第二階段的機(jī)器人具有了一定的感覺，即通過特定的傳感器和程序?qū)崿F(xiàn)擁有力覺、觸覺、視覺等能力，即感知機(jī)器人;第三階段機(jī)器人將具有識別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等類似于人類大腦運(yùn)行的能力，它可以把感知到的信息通過自身信息處理中心的分析和處理，對其做出智能化的處理行為，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，即智能機(jī)器人階段。

2.2 機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

《美國金屬市場報》在1960年正式將工業(yè)上自動處理操作的機(jī)械命名為“工業(yè)機(jī)器人”，美國機(jī)器人協(xié)會將“工業(yè)機(jī)器人”定義為：“用來進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)械部件或工件的、可編程序的多功能操作器， 或通過改變程序可以完成各種工作的特殊機(jī)械裝置[2]”。這些年來機(jī)器人技術(shù)的大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用讓社會對機(jī)器人技術(shù)有了一個更好的需求，人們對機(jī)器人的需求越來越大，使得機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，目前及今后機(jī)器人重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域歸納起來有： 制造工業(yè)機(jī)器人、空間作業(yè)機(jī)器人、水下作業(yè)機(jī)器人、地面及地下作業(yè)機(jī)器人、食品加工機(jī)器人、設(shè)備檢測或維修機(jī)器人、工程施工作業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家庭機(jī)器人等。水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人屬于設(shè)備檢測或維修機(jī)器人領(lǐng)域，也是當(dāng)下及未來都很熱門的機(jī)器人重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

3 電廠轉(zhuǎn)輪破壞

3.1 轉(zhuǎn)輪破壞簡介

電廠發(fā)電系統(tǒng)中的水輪機(jī)是非常重要的組成部分，關(guān)乎著電廠的發(fā)電質(zhì)量和發(fā)電效率。水輪機(jī)是一種讓兩種不同能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的動力機(jī)械，即將流水的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種裝置，在水電站中，流水的動能帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)化的機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生電量。水輪機(jī)設(shè)備的核心部件為轉(zhuǎn)輪，即只有能在流水中能正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪才能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此轉(zhuǎn)輪部件運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響著水輪機(jī)的工作狀態(tài)，影響著發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和質(zhì)量，最終影響著電廠的經(jīng)濟(jì)效益。其表面粗糙度超標(biāo)、材料質(zhì)量低下、葉型不匹配以及尺寸精度差都將對機(jī)組的使用壽命以及效率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，因此要做好修復(fù)維護(hù)工作。

3.2 轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人及其發(fā)展現(xiàn)狀

水力發(fā)電是世界上一種重要的發(fā)電手段，水力發(fā)電也是世界電力來源的重要途徑。水電站中水輪機(jī)由于工作量大，長時間處于水流量大的水域，使得水輪機(jī)中的轉(zhuǎn)輪都會出現(xiàn)一定的汽蝕、磨損問題，因此要定期停機(jī)對其進(jìn)行相關(guān)的檢修工作。水輪機(jī)體積較大，其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)輪問題的檢修工作流程較多，使得檢修工作整體的工作量很大，勞動環(huán)境較差，由于發(fā)電廠的性質(zhì)決定了修復(fù)工期小，使得人工修復(fù)的勞動強(qiáng)度很大，人工手動補(bǔ)焊、打磨等手段效率低下，質(zhì)量不穩(wěn)定，易受外界因素影響。為了減少人工過程，降低維修過程中的風(fēng)險，減少成本消耗，一些電廠提出采用自動化設(shè)備進(jìn)行水輪機(jī)的修復(fù)工作，從而減少甚至是放棄人工介入維修流程。“研究在機(jī)坑內(nèi)對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕磨蝕表面進(jìn)行全位置補(bǔ)焊與打磨的專用機(jī)器人——水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人，將具有極其廣泛的應(yīng)用前景[3]”。水輪機(jī)修復(fù)第一步是對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的修復(fù)。轉(zhuǎn)輪葉片由于長時間處于水流中來回運(yùn)動，其葉片會有部分區(qū)域產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，對轉(zhuǎn)輪修復(fù)的第一步就是對產(chǎn)生汽蝕的區(qū)域進(jìn)行切削工作，以去除表皮汽蝕部分，在利用專用修復(fù)機(jī)器人對切除部位進(jìn)行填充焊接，在完成補(bǔ)焊后再對轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行打磨工作，保證焊后的葉片與葉片的原始形狀保持一致，沒有外觀上的誤差。這種專用機(jī)器人制造涉及到很多門學(xué)科，是一件非常復(fù)雜的技術(shù)。機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、操作機(jī)軌跡規(guī)劃及控制、傳感技術(shù)以及部分涉及到計算機(jī)在焊接控制方面的應(yīng)用及焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化等共同交叉研究，還有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片線形測繪等等諸多科學(xué)技術(shù)問題。國外在轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人研究領(lǐng)域由于起步早，積累要比國內(nèi)深厚很多，特別是以加拿大、法國和德國為首的一些工業(yè)實(shí)力較強(qiáng)的國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了半自動化或自動化機(jī)器人修復(fù)活動。

法國的電力公司在所屬480個水電站中建立了30多處配備了最新自動修復(fù)機(jī)器人及其他較為先進(jìn)的自動化設(shè)備的水電檢修中心，通過變位機(jī)與機(jī)器人配合基本淘汰了水輪機(jī)維修車間工作中人工的部分，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)的智能化、自動化。

加拿大轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人技術(shù)實(shí)力世界領(lǐng)先。加拿大魁北克水電局自八十年代初開始進(jìn)行對轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究，歷經(jīng)了十多年的研發(fā)，研制出了水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人，并將其命名為Scompi。Scompi是一種可以在機(jī)坑內(nèi)對水輪機(jī)葉片進(jìn)行補(bǔ)焊和打磨的輕便靈巧的、可在狹窄空間作業(yè)的、串聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度特點(diǎn)的水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人，已在加拿大、德國等國家的水電站和水輪機(jī)制造廠得到應(yīng)用。

3.3 水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人在我國的應(yīng)用前景

我國是在70年代末80年代初開始水輪機(jī)修復(fù)機(jī)器人研制工作。中國地理面積非常大，東西跨度大、海拔差異大，形成西高東低的地勢。我國水資源豐富，擁有數(shù)量較多的江河水域，從1908年建設(shè)云南石龍壩水電站至今已有200多座大型水電站已經(jīng)完成建設(shè)并投入使用。我國是世界上水電在建規(guī)模最大、水電發(fā)展速度最快的國家，當(dāng)前我國面臨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨損腐蝕嚴(yán)重的問題，磨損就更為嚴(yán)重。腐蝕磨損破壞使水輪機(jī)效率下降，大大降低了發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。另一方面轉(zhuǎn)輪腐蝕嚴(yán)重使得水輪機(jī)內(nèi)對流嚴(yán)重造成設(shè)備振動加劇，嚴(yán)重威脅到水電站運(yùn)行安全和電網(wǎng)運(yùn)行安全。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對電力的需求越來越大，水輪機(jī)的工作量大大增加，水輪機(jī)的腐蝕磨損情況越來越嚴(yán)重，使得水輪機(jī)的修復(fù)工作越來越多，所以水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人已成為我國水電行業(yè)中水輪機(jī)修復(fù)工作的重要裝備。

4 水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人通過驗(yàn)收

蘭州劉家峽水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人通過了由甘肅省電力公司科環(huán)部、生技部、劉家峽水電廠、哈爾濱理工大學(xué)、甘肅省電力試驗(yàn)研究所等單位組成的驗(yàn)收組的階段驗(yàn)收。Scompi機(jī)器人是我國水電廠首次從加拿大引進(jìn)的專為解決水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪修復(fù)的機(jī)器人，Scompi機(jī)器人的工作是補(bǔ)焊和修復(fù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕區(qū)，實(shí)現(xiàn)修復(fù)工作的自動化，減少人工修復(fù)的比例，該驗(yàn)收成功是我國水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)工作中的一大發(fā)展。當(dāng)前我國在水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)工作中人工修復(fù)的比例仍然還很大，效率低下，繼續(xù)與世界接軌，提高我國水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)工作的效率，保證水電廠經(jīng)濟(jì)效益，保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié)束語

水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人通過驗(yàn)收標(biāo)志著我國水電廠轉(zhuǎn)輪維修工作正式進(jìn)入自動化、智能化時代，也標(biāo)志著我國水電廠維修工作的進(jìn)步。機(jī)器人的接入既減輕工作人員的勞動強(qiáng)度又保證了維修效率，并保證轉(zhuǎn)輪的修復(fù)質(zhì)量，大大提高了社會的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前我國在水電廠轉(zhuǎn)輪修復(fù)機(jī)器人技術(shù)方面還很薄弱，還需要我們深入研究。

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