伸缩管主从机械手制造与性能试验

摘要：对伸缩管主从机械手的使用环境以及运行原理进行分析研究，通过优化设计，解决材料选用与加工难题，并且建立了良好的设备制造质量保证体系，达到了机械手设计性能指标要求。该型机械手在核设施运维、放射性物质远程操作等领域应用成效显著，有效提升了作业安全与效率，降低了使用与维护成本，为后续国产机械手设备设计制造、采购供货提供了参考。

关键词：主从机械手；远程操作装置；国产化制造

0 引言

主从机械手可以完成较为灵活、复杂和精细的操作，可保证工作人员操作环境的安全[1] 。伸缩管主从机械手主要安装在热室上，用于对热室内设备以及放射性物质进行远程操作、检维修等，从而避免人员直接接触所受到高剂量辐照危害，其作为核工业的重要装备，在核设施安全运行保障方面发挥着重要作用。随着全球能源结构的调整，我国核工业正处于蓬勃发展时期，对伸缩管主从机械手的需求呈现出增长的趋势，但在核设施使用中的同类产品，均有不同程度的问题和弊端，因此通过深入分析研究伸缩管主从机械手的工作原理、使用环境、维修及更换，进一步提高国产伸缩管主从机械手的安全性、稳定性，对于实现产业链自立自强具有深远的意义。

1 主要组成及工作原理

本文介绍的案例伸缩管主从机械手主要由主动臂、从动臂、穿墙组件等组成，在功能上具备X向运动、Y向运动、Z向运动、方位旋转、夹钳摆动、夹钳旋转、夹钳开闭，7个独立运动的自由度。主动臂及从动臂可以拆卸，其机械连接通过钢丝绳及钢带实现，穿墙组件安装在屏蔽墙内，与主动臂、从动臂及连接装置组装后通过旋转轴和齿轮运用反向驱动机械传动原理，实现主动臂和从动臂的同步运动进行远程操作，操作人员手动操作主动臂手柄所产生的运动和力能够同步传递给从动臂，并且机械手从动臂上的力能够逆向传递到主动臂上，机械手还设置有平衡配重装置，在机械手运动时能够自动平衡，以实现对应状态下的平衡。为便于人员操作，在X、Y、Z三个方向上还增加了电动辅助功能，电动调节按钮集成在机械手操作把手上，控制方式采用手动和电动两种方式，操作轻便灵活、定位准确、装卸简单易于维护。

2 机械手设计与制造

2.1模块化设计

为了机械手便于安装、拆卸以及后期使用与维修需要，伸缩管主从机械手主体结构均采用模块化设计，能够实现主动臂与穿墙组件、从动臂与穿墙组件的连接和分离，同时具备良好的互换性以便检修和更换。

2.2强度分析计算

为达到伸缩管主从机械手使用工况载荷要求，就要确保机械手总体结构具有足够的刚性以及强度，在进行强度分析计算时对机械手设计结构建立了强度计算模型，使用有限元法进行力学分析，计算结构在规定的载荷作用下的变形以及应力分布情况，进而校核机械手刚性和强度。依据力学分析所得到的结果，对机械手总体结构及使用材料进行优化，并综合考虑刚性与重量以及成本等因素。

该型伸缩管主从机械手从动臂水平状态，在夹钳端部施加Z负向20kg载荷作用下，机械手各主要部件满足强度要求；机械手从动臂垂直状态，在夹钳端部施加Z负向60kg载荷作用下，机械手各主要部件满足强度要求。

2.3材料选用

伸缩管主从机械手主要采用轻量化、高强度的材料，例如铝合金、不锈钢等，目的在于减少体积与重量，降低能耗以及运动惯性，同时保证承载能力，增强结构的稳定性的目的。铝合金表面进行阳极氧化处理，外表光滑，非金属材料均为耐辐照、耐腐蚀材料。为减少从动臂表面污染，加强从动臂防护，加装的密封套选用耐酸性、耐辐照性及耐磨损性能良好的聚氯乙烯、聚氨酯材质。

2.4主动臂组件

主动臂安装在热室外部，主要包括主动臂、主动连接架、主动手腕、手柄等部件。主动臂为单伸缩套筒结构，上部装有平衡配重，用于平衡X向的受力，还装有Y向调整运动机构及电机，利用电机驱动可调整从手Y向运动。主动臂下端装有主动手腕和手柄，手柄上设置有按钮，可以控制机械手X、Y、Z正反方向运动，在手柄上还设有夹钳开口操控旋钮，可以在特殊情况下对夹钳开口尺寸进行调整，在夹取物件较重时，为减轻人手负担，可借助夹持辅助锁紧装置实现夹紧后的锁紧工作。主动连接架与主动臂上的挂销连接，其上装有一锁紧装置，能实现将除X方向外的所有运动全部锁紧的功能。

2.5从动臂组件

从动臂安装在热室内部，主要包括从动连接架、从动臂、从动手腕及夹钳。从动臂为双伸缩套筒结构，从动连接架与穿墙组件连接，通过手摇工具操作主手端，使离合器与穿墙组件销轴啮合，从而将穿墙组件传动轴的旋转运动转换成从动臂的运动。从动臂通过挂销与从动连接架连接，从动臂下端装有从动手腕及夹钳，为满足夹取不同物体的需求，夹钳可实现远距离拆装更换。每支从动臂组件与穿墙组件都有统一接口，在使用中可以进行互换。从动臂上设置有罩壳，用于保护滚轮和钢丝绳轮以及传动系统的钢带、链条等不受污染和损坏。

2.6穿墙组件

穿墙组件安装在屏蔽墙内，主要包括转动轴、屏蔽块、密封结构、快拆结构组成。组件主体结构为不锈钢材质，主要进行主动臂与从动臂之间的动力传递和运动传递，其密封性能够满足热室的密封等级要求，并在从动臂拆除后，穿墙组件不影响热室的密封性能。

3 试验结果及分析

3.1安全密封性试验

主从机械手穿墙组件具有与热室内外气氛隔绝的安全密封功能，以阻断热室内外的空气流通，保护人员的操作安全。其密封等级按照EJ/T1096-1999《密封箱室密封性分级及其检验方法》进行试验，密封界面处气体泄漏率＜40x10-3ml/s。主要试验用仪器设备：真空泵、数字大气压力表、智能数字微压计、数字温度计。将试验装置连接好后，启动真空泵，使工装管体内负压达到-1000Pa，当压力稳定后关闭真空泵，试验时间为1小时，试验进行期间，应对箱体各密封口进行密封检验，以保证试验数据的准确性。主从机械手穿墙组件按照EJ/T1096-1999《密封箱室密封性分级及其检验方法》进行试验，其密封界面处气体泄漏率满足＜40x10-3ml/s的要求。

3.2 功能性试验

将伸缩管主从机械手安装在试验台架上，按照机械手功能参数要求对机械手X向运动、Y向运动、Z向运动、方位旋转、夹钳俯仰、夹钳旋转、负荷能力进行试验。主要试验仪器包括数显倾角仪、数显推拉力计、温度表等，试验人员经过培训具有相应的试验资格。通过对伸缩管主从机械手X向运动、Y向运动、Z向运动、方位旋转、夹钳俯仰、夹钳旋转、负荷能力，空载摩擦力进行试验，其主要功能性指标均符合设计要求，具有较大的运动空间、较强的负载能力以及较小的空载摩擦力，人员操作更灵活，可靠性更强。

4 结论与展望

通过对伸缩管主从机械手工作原理、主要结构及其功能分析研究，使该型国产主从机械手总体设计和制造能力得到了提升，其转动精度、空间操作灵活性方面成效显著，能够适应在复杂的放射性环境下完成作业任务，为最终用户提供了性能更为稳定、操作更为便捷的远程操作设备。国产伸缩管主从机械手设计和制造取得的进步，有效降低了运行与维护成本。未来，应持续加大研发投入，进一步提升技术性能的精确度与可靠性，拓展应用场景范围，推动我国核工业技术装备制造产业向更高水平迈进，为保障国家能源安全与核技术发展贡献力量。

参考文献

[1]岳子曼，李莉，宋时光.机械手在核化工项目中的应用[J].机电信息，2023（2）：68-70.

作者简介：牛志华（1986—），男，河北晋州人，本科，工程师，研究方向：核工程项目设备采购供货及生产制造。