泵站清淤機器人清淤工藝的研究

中廣核研究院有限公司 劉 帥 關雪丹 陳少南 大亞灣核電運營管理有限責任公司 李 斌 梁德漢

由于核電站取水泵站系統設備結構復雜、運行環境較為惡劣，為保證設備安全可靠性，核電站需周期性進行停堆檢修，及時發現并清理長期生長在取水泵站鼓網底部的海生物與淤泥，以保證核電站冷源正常、安全的運行。至今取水泵站的海生物清理任務仍采用人工清理方式，伴隨著的是工作環境惡劣、作業風險高、效率低、清理勞動強度大等問題。

隨著智能機器人技術的日漸成熟，以智能機器人替代人工的方式完成復雜惡劣環境中的高強度作業內容的方法，必將是未來核電站運維作業的方向。泵站清淤機器人設備針對核電站取水泵站鼓網底部的作業環境進行研究，通過模擬環境進行試驗驗證，優化清淤工藝，最終應用于核電站現場完成泵站的運維任務。

1 機器人系統的工作原理及清淤工藝

1.1 機器人系統的工作原理

圖1為清淤機器人系統的系統組成。其中清淤機器人位于取水泵站鼓網底部，遠程控制系統位于作業現場之外的區域；圖像采集系統與傳感器將作業現場的狀況實時反饋給遠程操控人員，操控人員根據數據信息發送指令，操控清淤機器人完成現場清淤任務；清淤機器人包括入料收集系統、破碎機構、淤泥泵以及液壓系統，海生物與淤泥通過入料斗中的螺旋葉片吸入破碎機構中，破碎后的顆粒滿足淤泥泵的輸送要求，再由淤泥泵輸送出作業現場[1]。

圖1 清淤機器人系統的系統組成

圖2 清淤機器人作業原理圖

1.2 機器人的清淤工藝

取水泵站底部的海生物主要以青口為主，長度30mm至70mm不等，多數已死亡并粘連成團，其腐蝕殘渣與淤泥混合并覆蓋整個池底，累積厚度平均0.2米左右，表面浮水0.3米高；青口外殼堅硬，聚集成團，需要通過破碎機構進行破碎后才能輸送出現場，輸送出的青口殘渣會揮發腐蝕性氣味，現場需要做防護處理。

圖3 現場青口與淤泥混合物

由于青口和淤泥的混合物即使在水下也不具備流動性，所以需要由入料收集系統將青口和淤泥匯集到清淤機器人本體內，在匯集的過程中對成團狀的青口進行第一次破碎，防止堵塞機器人入料口。入料斗鏟口為正方形，開口尺寸為862mm×318mm，入料斗橫截面積約為0.27m2，滿足現場淤泥最大深度300mm。當淤泥高度小于120mm時，淤泥高度小于進料口高度，淤泥與海生物未完全浸沒進料口，需要提升螺旋葉片旋轉速度，將更多淤泥匯集到進料口，以提高清淤效率。

圖4 入料收集系統

入料斗內配有一種雙螺旋葉片，通過液壓馬達帶動雙螺旋葉片旋轉，旋轉的雙螺旋葉片對淤泥產生軸向的推動力，將螺旋葉片接觸到的淤泥以及海生物推向破碎機入口處，實現匯聚的功能。螺旋葉片邊緣加工成鋸齒狀并打磨鋒利，對粘連的青口進行第一次切割[2]。

根據入料斗的尺寸，設計螺旋葉片直徑為300mm，安裝高度160mm，使入料斗內盡可能不殘留未匯集的淤泥。葉輪的螺距為160mm，雙螺帶旋向相反，與入料斗中心對稱分布，葉片中心軸軸徑為45mm，螺旋葉片圈數為4。

葉輪外螺旋的螺旋升角為：atan (160mm×π/300mm)÷（180/π），單螺旋葉片水平方向投影面積為：（300mm/2）2×π=7068mm2，單螺旋輸送淤泥體積為：7068mm2×160mm=0.0011m3。

傳動效率取0.6～0.7，設計螺旋葉片圈數為4，當轉速n=60rpm時當淤泥輸送量為9.5m3/h。作業時以60rpm對應9.5m3/h為基準，根據淤泥量的厚度調整轉速。破碎機構的額定流量為8m3/h，對應轉速為45rpm，淤泥泵的額定流量為5m3/h，對應轉速為60rpm。

2 試驗過程

如圖5所示，在試驗平臺上模擬取水泵站鼓網底部環境，放置大量海生物和淤泥混合物，通過清淤機器人進行清理作業。為使設備的清淤效率最大化，將清淤機器人的淤泥泵流量調至額定流量5m3/h，破碎機流量調至6m3/h，入料收集系統流量調整至6m3/h，實測清淤效率為4m3/h；當破碎機流量大于6m3/h時不影響清淤效率，當入料收集系統流量大于6m3/h會出現堵塞入料口現象。

圖5 模擬試驗環境

清淤機器人整體采用液壓系統傳動，由于設備體積限制，油箱的冷卻能力限制了設備的作業時間，試驗過程中通過對油溫的實時監測優化設備的周期，其中圖6為沒有加入油冷系統時的溫度，圖7為加入油冷系統時的溫度，圖8為自然冷卻時的溫度，圖9為滿負載運行時的溫度。

圖6 沒有加入油冷系統時的溫度

圖7 加入油冷系統時的溫度

圖8 自然冷卻時的溫度

圖9 滿負載運行時的溫度

通過數據可以分析出，設備正常運載時油溫1.5小時后達到預警溫度60℃；加入冷卻系統后1.5小時后達到峰值45℃并保持不變；自然冷卻1.5小時后降回45℃，冷卻較慢；滿載試驗2.2小時后在55℃達到平衡。經多次試驗結果優化設備運行周期：滿載使用1.5小時、待機冷卻0.5小時、再次滿載使用1小時、待機冷卻1小時，可以滿足液壓系統冷卻條件。

3 結語

入料收集系統的流量影響清淤效率，根據作業現場的實際工況，并時刻配合機器人的行走速度，以達到最佳的清理效率；液壓系統的冷卻影響清淤機器人的清淤效率，油溫過高會減少液壓系統的使用壽命，甚至造成液壓系統故障，所以需要對油溫進行實時監控，并配合液壓油冷卻系統降低液壓油溫度，并制定具體的作業計劃以達到最佳清理效果。