泥浆回取装置作业小车工具头的优化

摘要：中核四川环保工程有限责任公司正开展中放残留泥浆回取工作，由于罐底情况复杂，残留有结晶体及板结块等异物，导致机器人出现履带脱落、履带磨损断裂等问题。且由于罐底泥浆贮存时间较长，罐底盐分结晶、干涸板结，沉积于贮罐底部，仅依靠原装工具头工作效果不佳，破碎滚筒下探深度有限，只能破碎表层泥浆。针对以上问题，先后设计加工应用了旋耕机工具头、铲斗工具头、磁吸工具头和渣浆泵工具头，作业时根据罐底泥浆的不同性状，更换合适的工具头进行泥浆破碎、搅拌、悬浮、推铲、收集、抽吸和异物回取，形成了工具头的优化系统。

关键词：旋耕机工具头 铲斗工具头 异物回取 优化系统 设计 应用

1.机器人回取装置

中放泥浆回取装置主要由移动作业小车、收放装置、控制系统等三部分组成。移动作业小车用于贮罐底部泥浆回取；收放装置用于同步投放和回收移动作业小车；控制系统用于实现整个作业系统的控制。移动作业小车主要包含：机器人平台、工具头及结构件、管线。主要设备布置示意图见下图所示。

机器人平台主要功能是实现小车在罐底全方位可达，再由搭载工具头及运动结构件收集废液泥浆、并将其输送至罐外的任务。移动平台通过有线电缆与外部进行通信。贮罐为内衬碳钢覆面的地下混凝土贮罐，尺寸为12m×12m×6m。贮罐顶板有内、外人孔各一，贮罐残留泥浆厚度约25cm以上。

1.1 工具头及结构件

（1）破碎机构

位于平台头部，负责泥浆的悬浮、收集、抽吸工作，该部分主要由搅拌工具、俯仰机构、输送管道、反冲洗管道、隔膜泵、驱动机构构成。回取工具头及结构件设计有部分结构内嵌与机器人平台中，外轮廓尺寸约为长450mm×宽350mm×高350mm。示意图见下图。

（2）提升机构

搅拌工具后端设计提升机构，主要由提升电机、齿轮齿条、滑块导轨、过渡法兰等组成，如图所示。

2.改造工具头的优化设计

运行时，罐底残留钢筋、铁丝、水泥快、夹布胶管、结晶体及板结块等异物，致机器人先后出现张紧轮变形、主动轮变形、履带脱落、排线错乱、承重轮弹簧脱落、隔膜泵堵塞等问题。且泥浆氢氧化物和水合氢氧化物析出，致使罐底盐分结晶、干涸板结，沉积于贮罐底部，机器人破碎滚筒破碎效果不佳，经破碎后颗粒较大，容易造成隔膜泵、泥浆泵及泥浆输送管线堵塞。

故针对机器人出现的故障问题，设计旋耕机工具头、铲斗工具头、磁吸工具头和渣浆泵工具头，作业时根据罐底泥浆的不同性状，更换合适的工具头，进行泥浆破碎、搅拌、悬浮、推铲、收集、抽吸和异物回取，以此应对罐底的各种情况，提高机器人的功能应用。

优化一：旋耕机工具头

①设计情况

旋耕机工具头的设计主要用于罐底结晶体、干涸泥浆及板结块的破碎。旋耕机工具头采用直角刀和弯刀结合的形式，直角刀刀刃口由正切刃和侧切刃组成，两刃口相交90°左右，工作时先由正切刃从横向切开板结物，再由侧切刃由外向里逐渐切出板结物的侧面。刀片布局设计对板结泥浆的破碎没有间隙，径向可行进速度来控制切板结物。

其电源线连接方式为快速插头，更换时只需将破碎滚筒拆下，拔掉电源线接头，换上旋耕机工具头，接上电源即可。工具头更换方便快捷，能有效减少人员受照剂量。

②应用情况

机器人前端工具头由破碎滚筒升级为旋耕机工具头后，对板结物的破碎能力大大增加，约从0.6m³/h提升至1.5m³/h。且实际应用中为工具头交替破碎，效率提升更高。

优化二：磁吸工具头

①设计情况

磁吸工具头采用固定钢板加装强磁的形式，安装于机器人前端工具头提升机构上，通过机器人头部的提升机构，实现磁吸工具头的提升和下放，并将金属物吸附至磁吸工具头上的强磁上，再利用收放线机构将吸附了金属异物的机器人吊出贮罐，实现放射性金属异物的回取。

磁吸工具头可以根据金属异物的大小更换磁铁的类型和大小。该磁吸工具头是由两块永磁强磁性的磁铁构成，通过M4.5螺栓固定至工具头上部。

②应用情况

中放贮罐底部残留大量金属异物，一般采用加长杆夹持的方式从罐中取出。本优化结果为现场提供一种新的金属异物回取方式，实践中磁吸效率高，单程磁吸载带量能够达到10kg，工作效率提升数倍。

优化三：渣浆泵工具头

①设计情况

渣浆泵工具头由渣浆泵、渣浆泵支架两部分组成，主要解决现有大型放射性贮罐残留泥浆水力悬浮覆盖范围受限，回取时存在的管路堵塞、罐底泥浆抽吸区域受限、大颗粒泥浆回取效率低等问题。支架与工具头提升机机构之间采用螺栓连接，通过控制工具头升降调节泥浆抽吸深度，小车移动实现渣浆泵在罐底进行全方位泥浆抽吸。

②应用情况

渣浆泵工具头解决了流量低、异物卡滞等问题，大大提升机器人对破碎后的泥浆抽吸回取能力，现场通过补水、悬浮以及渣浆泵抽吸的方式可以对罐底残留泥浆进行一轮清扫。

优化四：铲斗工具头

①设计情况

铲斗工具头包括铲斗工具头支架、侧挡板、加强筋板、安装板、以及铲斗卷面。主要受力面为遮挡板，板底部安装胶皮，调节工具头提升机。铲斗工具头的设计，能处理沉积、附着于罐底残留的泥浆和板结物，为贮罐清洗提供条件。

②应用情况

铲斗工具头在各罐收尾阶段起到重大作用。此工具头负责已无法继续对残留泥浆进行有效抽吸时的归拢工作。按照既定路线对泥浆进行推送的能力大大提升机器人回取能力。

结论

优化更新以上四种工具头后，我们进行各种工具头的组合使用。交替结合旋耕机和破碎滚筒两者的功能来处理破碎表层松软、硬度较低的泥浆，当表层泥浆与水混合，具有一定流动性后再启动泥浆泵进行抽吸。表层泥浆抽吸完成后，四周及边角沉底板结泥浆露出，再次用旋耕工具头对四周及边角沉底的板结泥浆进行破碎搅拌，同时配合泥浆泵进行抽吸。

旋耕机工具头破碎后的泥浆具有一定的颗粒度，搅拌后沉积较快，流动性较差，且罐底高低不平，加水抽吸效果不佳，后直接改用铲斗工具头，将罐底三侧泥浆推铲至内人孔泥浆泵处，通过泥浆泵将其抽出罐外，推铲抽吸完成后再换回破碎滚筒，抽吸其他区域。