金洪偉

摘 要：我國(guó)有著十分豐富的水能資源，如今得到了大力開發(fā)和應(yīng)用；隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們?nèi)遮呏匾曀啓C(jī)自動(dòng)化檢修設(shè)備，開始深入研究和應(yīng)用。但是通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在如今的水輪機(jī)自動(dòng)化檢修設(shè)備應(yīng)用中，還存在著諸多的問題和不足，需要引起人們足夠的重視。文章簡(jiǎn)要分析了水輪機(jī)自動(dòng)化檢修設(shè)備的功能要求與技術(shù)分析，希望可以提供一些有價(jià)值的參考意見。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；自動(dòng)化檢修；功能要求

前言

我國(guó)有著十分豐富的水能資源，作為一種重要的可再生資源，目前得到了較大規(guī)模的開發(fā)。我國(guó)很多河流都有著較大含量的泥沙，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多電站的發(fā)電設(shè)備，如水輪機(jī)、轉(zhuǎn)輪室等，都存在著嚴(yán)重的空蝕、磨損破壞問題。這些問題會(huì)降低機(jī)械設(shè)備的發(fā)電效率以及運(yùn)行可靠性，并且對(duì)于水電站的安全運(yùn)行也會(huì)造成較大的威脅，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，水輪機(jī)檢修的主要任務(wù)就是補(bǔ)焊和修磨那些受到空蝕和磨損破壞后的水利發(fā)電設(shè)備。

目前在維修水力發(fā)電設(shè)備時(shí)，往往將人工操作模式給應(yīng)用過(guò)來(lái)，如葛洲壩電廠，水輪機(jī)過(guò)流部件存在著嚴(yán)重的磨蝕問題，那么主要是在機(jī)組A/B修時(shí)進(jìn)行修復(fù)。在A修時(shí)，利用水輪機(jī)葉片備品來(lái)對(duì)水輪機(jī)葉片成套的更換，然后制造廠家修復(fù)這些更換下來(lái)的葉片，將其作為備品。通常情況下，機(jī)組A修周期在15年到20年之間。B修周期在4年到5年之間，補(bǔ)焊和磨光工序在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，將環(huán)氧金剛砂抗磨涂料施工應(yīng)用到葉片上。對(duì)靠右岸兩臺(tái)機(jī)組，中修頻率控制在每?jī)赡暌淮?，?duì)水輪機(jī)磨蝕問題進(jìn)行處理，結(jié)合不同的磨蝕嚴(yán)重程度，通常需要消耗3噸左右的焊條，工期保持在35天左右。這種方法需要較長(zhǎng)的維修周期，有著十分惡劣的工作環(huán)境和較大的勞動(dòng)強(qiáng)度，需要將較大的人力和物力資源投入進(jìn)來(lái)，并且沒有較好的質(zhì)量和效率。針對(duì)這種情況，就需要對(duì)機(jī)器人大力研究，對(duì)人工作業(yè)模式進(jìn)行取代。

1 國(guó)內(nèi)水輪機(jī)自動(dòng)化檢修設(shè)備研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)八十年代開始大力研制水輪機(jī)修復(fù)機(jī)器，在1993年，我國(guó)研制了一臺(tái)大型移動(dòng)式隨形磨削機(jī)，可以在檢修車間內(nèi)來(lái)打磨從機(jī)坑內(nèi)吊出的葉輪。但是打磨機(jī)有著較大的體積，對(duì)于兩個(gè)相鄰葉片之間2米多深的部位，無(wú)法有效打磨葉片腐蝕表賣弄，在磨削時(shí)，需要利用較長(zhǎng)的機(jī)械臂。磨削有著較大的切削力，機(jī)械臂沒有足夠的剛度，這樣修磨質(zhì)量無(wú)法得到保證。并且采用這種方法，需要運(yùn)輸幾十噸重量的葉輪，需要?jiǎng)澐州^長(zhǎng)的時(shí)間，相較于全手工操作修理方法，有著更低的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是檢修周期卻無(wú)法得到縮短。

蘭州理工大學(xué)近些年來(lái)，提出了采用軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)水輪機(jī)修復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，并且將樣機(jī)制造了出來(lái)，本機(jī)器人主要包括移動(dòng)裝置和操作臂，將軟軌式移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到移動(dòng)裝置中，機(jī)器人工作過(guò)程中，在葉片上焊接軟軌點(diǎn)，機(jī)器人將工作任務(wù)完成之后，切下軟軌，在新的工作位置上點(diǎn)焊，將6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)作為它的操作臂。本機(jī)器人在對(duì)葉片進(jìn)行修復(fù)時(shí)，可以結(jié)合修復(fù)位置，對(duì)軟軌位置不斷的更換。

2 存在的問題和發(fā)展方向

在研制開發(fā)水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人的過(guò)程中，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及到諸多的方面和內(nèi)容，需要將很多專業(yè)的技術(shù)給應(yīng)用過(guò)來(lái)，如機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、操作機(jī)軌跡規(guī)劃和控制、傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)等。如今，還有諸多的問題存在于目前的葉片修復(fù)機(jī)器人中：

一是無(wú)法將導(dǎo)軌的束縛給擺脫掉，只有較為狹小的工作空間：目前，可以將軌道式機(jī)器人應(yīng)用到機(jī)坑內(nèi)，在葉片表面，機(jī)器人卻無(wú)法自主移動(dòng)，沒有較好的靈活性，只有較為狹小的工作空間，并且軌道有著十分昂貴的價(jià)格，在修復(fù)的過(guò)程中，需要對(duì)導(dǎo)軌位置進(jìn)行不斷更換，這樣工作量就得到了加大，生產(chǎn)率得到降低。

二是現(xiàn)場(chǎng)維修不能適用：目前研發(fā)出來(lái)的水輪機(jī)葉片修復(fù)機(jī)器人往往有著較為龐大的統(tǒng)計(jì)，那么就無(wú)法在基坑內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。在維修的過(guò)程中，需要從機(jī)坑中將水輪機(jī)葉輪給吊出來(lái)，需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，沒有較高的生產(chǎn)率。

三是不能夠直接應(yīng)用到國(guó)內(nèi)水輪機(jī)葉片的修復(fù)過(guò)程中：目前只有Scompi可以在基坑內(nèi)直接修復(fù)葉片，但是因?yàn)闆]有較好的剛度，只有較小的覆蓋范圍，因此只能夠在清水電站中適用，我國(guó)水輪機(jī)修復(fù)工作的要求無(wú)法得到滿足。另外，本類型的修復(fù)機(jī)器人有著較為昂貴的價(jià)格，需要花費(fèi)較多的成本。

3 水輪機(jī)葉片坑內(nèi)關(guān)鍵修復(fù)技術(shù)研究

研究開發(fā)在機(jī)坑內(nèi)直接對(duì)水輪機(jī)葉片汽蝕磨蝕表面進(jìn)行全位置補(bǔ)焊與打磨的水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人，對(duì)于縮短停機(jī)檢修周期、提高修理質(zhì)量和形面精度、徹底改善檢修人員的工作環(huán)境具有重要的實(shí)際意義。因此，要深入了解基本功能，進(jìn)而提高基本功能的效果，進(jìn)而對(duì)作業(yè)臂和磨削工藝技術(shù)，以及相應(yīng)的補(bǔ)焊、清理工作，以及檢測(cè)工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囋囼?yàn)和優(yōu)化策略。

3.1 基本功能

機(jī)器人包括多自由度機(jī)械臂和機(jī)器人本體兩個(gè)組成部分，操作人員通過(guò)監(jiān)視器，來(lái)對(duì)吸附于作業(yè)面上的機(jī)器人進(jìn)行遙控，促使其能夠自由移動(dòng)。首先利用測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量、記錄和存儲(chǔ)葉輪飾面的情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)氣蝕狀況，對(duì)葉輪待修部位進(jìn)行確定，清理磨削裝置，然后對(duì)焊槍進(jìn)行更換，這樣就可以實(shí)施全位置補(bǔ)焊作業(yè)，然后對(duì)磨削裝置進(jìn)行更換，以便對(duì)補(bǔ)焊表面進(jìn)行修形，隨后對(duì)測(cè)量裝置和探傷裝置進(jìn)行更換，以便促使形面測(cè)量和探傷作業(yè)能夠開展下來(lái)，最后對(duì)噴槍進(jìn)行更換，以便開展噴涂處理工作。在基本功能的基礎(chǔ)上，還促使機(jī)器人自動(dòng)定位功能得到是修按，自動(dòng)規(guī)劃全位置焊接、修磨以及噴涂工藝參數(shù)，可以在線評(píng)價(jià)修復(fù)質(zhì)量。為進(jìn)一步提高基本功能，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)定位，達(dá)到葉輪三維形貌測(cè)量和信息良好重構(gòu)效果，進(jìn)而可自動(dòng)規(guī)劃全位置焊接工藝、修磨工藝及噴涂工藝參數(shù)，提高質(zhì)量在線評(píng)價(jià)等諸多功能。

3.2 提高作業(yè)臂自由度及磨削工藝水平

根據(jù)理論計(jì)算數(shù)據(jù)及相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，使用磨削工藝對(duì)焊后的修形進(jìn)行確定，以實(shí)現(xiàn)剛度好、作業(yè)范圍大的6自由度串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂，進(jìn)而以此構(gòu)建三維模型。

3.3 補(bǔ)焊、清理及檢測(cè)工藝

補(bǔ)焊工藝技術(shù)的選擇必須以水輪機(jī)的葉片材質(zhì)為前提，如此再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人立焊和橫焊工藝試驗(yàn)；通過(guò)空氣等離子弧氣刨工藝對(duì)選定焊前葉面進(jìn)行清理，然后進(jìn)行初步試驗(yàn)；在通過(guò)作業(yè)過(guò)程監(jiān)控及蝕面檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)方案進(jìn)行論證。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文章的敘述分析可以得知，在水輪機(jī)自動(dòng)化檢修設(shè)備方面，還有很長(zhǎng)的路要走，通過(guò)研究水輪機(jī)修復(fù)相關(guān)問題，可以促使停機(jī)檢修周期得到有效縮短，促使修理質(zhì)量得到顯著提升，檢修人員的工作環(huán)境也可以得到顯著改善。相關(guān)的工作人員需要不斷的努力，深入研究和設(shè)計(jì)，以便更好地開展水輪機(jī)自動(dòng)化檢修工作。

參考文獻(xiàn)

[1]高季章.中國(guó)水力發(fā)電現(xiàn)狀、問題和政策建議[J].中國(guó)能源，2002，26（8）：123-125.

[2]王志高.我國(guó)水機(jī)磨蝕的現(xiàn)狀和防護(hù)措施的進(jìn)展[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2002，31（3）：55-57.

[3]張淑珍.水輪機(jī)修復(fù)專用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真[D].甘肅蘭州：蘭州理工大學(xué)，2003.

[4]魏俊華.水輪機(jī)葉片修復(fù)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真及控制的研究[D].黑龍江哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2002.