МЕХАНИЧЕСКОЕ НАВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО
MECHANICAL GUIDING DEVICE

Изобретение относится к вспомогательным механическим устройствам, используемым с крановыми механизмами для укладки грузов в желаемом положении (конкретно, с желаемым углом поворота относительно вертикальной оси). Изобретение может быть преимущественно использовано в ядерной энергетике при эксплуатации радиационно-защитных контейнеров для транспортировки и/или длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).
Одной из основных современных проблем ядерной энергетики является обращение с ОЯТ (в частности, безопасность транспортирования и хранения, целесообразность химической переработки). Как полагают, возможно отсрочить принятие решения относительно дальнейшего обращения с ОЯТ, а до выбора между переработкой и захоронением направить ОЯТ на долговременное ("промежуточное") хранение [см., например, Исаев А.Н. "Мировой опыт хранения отработавшего топлива". - Атомная техника за рубежом, 2005, №1, с.17…21]. В рамках этой концепции перспективны радиационно-защитные контейнеры, выполненные двухцелевыми, то есть обеспечивающими как возможность длительного (до 50 лет) "сухого" хранения ОЯТ в них, так и возможность транспортирования в любой момент времени в течение этого периода, в частности металлобетонные контейнеры ["Машиностроение: Энциклопедия. Машиностроение ядерной техники. Т.IV-25. Кн. 2." - М.: Машиностроение, 2005: с.288, 290].
Полость радиационно-защитного контейнера, предназначенную для ОЯТ, при системе механической герметизации перекрывают двумя защитно-герметизирующими крышками, расположенными одна над другой и размещенными на едином металлическом основании. С помощью уплотнителей внутренняя (или первичная) и наружная (или вторичная) крышки образуют с основанием два концентричных герметизирующих пояса. Разъемные соединения обеих крышек с основанием выполняют резьбовыми с помощью ввертных болтов (винтов) или шпилек, расположенных по окружности с постоянным угловым шагом [см., например, "Опыт создания контейнеров для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива" / Гартц Р., Геслер А., Дирш Р. - Теплоэнергетика, 2002, №5, с.16 (рис.2)]. Требования радиационной безопасности обуславливают значительную массу и габариты как радиационно-защитного контейнера в целом, так и его элементов. Например, масса (без ОЯТ) транспортного упаковочного комплекта с контейнером CASTOR 440/84 фирмы GNB (Германия) составляет около 112 т, а масса первичной крышки этого контейнера равна 7,7 т при диаметре 2,05 м и толщине 315 мм [там же, с.13].
После загрузки ОЯТ в радиационно-защитный контейнер устанавливают (на соответствующее посадочное место в последнем) внутреннюю крышку, опуская ее с помощью грузоподъемного устройства, после чего затягивают резьбовое соединение крышки с контейнером. По условиям радиационной безопасности нахождение обслуживающего персонала в зоне вокруг контейнера, загруженного ОЯТ, исключено по меньшей мере до момента установки внутренней крышки, поэтому соответствующие операции с крышкой должны проводиться дистанционно. При этом в случае соединения с помощью ввертных болтов необходимо обеспечить соосность гладких отверстий в крышке и ответных резьбовых отверстий для болтов в контейнере. А в случае соединения с помощью шпилек необходимо обеспечить соосность гладких отверстий в крышке и шпилек, ввернутых в резьбовые отверстия в контейнере, и без каких-либо повреждений охват шпилек ответными гладкими отверстиями крышки на завершающем этапе наведения. Применение силовых приводов, запоминающих устройств и средств вычислительной техники в наводящем устройстве, которое обеспечивало бы совпадение осей указанных элементов крепления крышки и контейнера, в общем случае понижает надежность наводящего устройства и усложняет его использование, а также удорожает его изготовление.
2
Из описания изобретения координатный манипулятор [а.с. СССР №652090: МПК B66C 17/00, B25J 5/00: Опубл. 15.03.1979, Бюл. №10] известно наводящее устройство для установки манипулятора в заданное (по азимуту) положение на тележке с использованием только мостового крана, на котором подвешен манипулятор. Наводящее устройство содержит подвижную часть, закрепляемую на манипуляторе (наводимом объекте), и неподвижную часть, закрепляемую на тележке. Неподвижную часть образует вертикальная втулка (установочное кольцо), закрепленная в отверстии тележки, предназначенном для штанги манипулятора. Верхняя часть втулки выполнена в виде углов (зубцов), каждый из которых направлен вершиной вверх и образован двумя винтовыми поверхностями. В каждом промежутке между смежными зубцами в средней по высоте части втулки выполнен вертикальный паз, стенки которого продолжают винтовые поверхности, сходящиеся к пазу от этих смежных зубцов. Кроме того, на внутренней поверхности втулки сверху и снизу выполнены заходные конусные поверхности, разделяемые цилиндрической посадочной поверхностью для верхней цилиндрической части штанги манипулятора. Подвижная часть включает азимутальные ролики с горизонтальными радиальными осями, консольно установленными на одном уровне в верхней цилиндрической части штанги манипулятора. Кроме того, подвижная часть включает заходную конусную поверхность на нижнем конце штанги и направляющие (в виде планок), закрепленные вдоль штанги и предназначенные для взаимодействия с внутренней поверхностью втулки.
При опускании манипулятора с помощью мостового крана ролики, катясь к пазам по различным винтовым поверхностям, отходящим от соответствующего зубца в одном направлении (например, по часовой стрелке), поворачивают манипулятор вокруг вертикальной оси, а скатившись в разные пазы, фиксируют его в заданном положении по азимуту.
Недостаток данного наводящего устройства заключается в том, что его элементы (указанные выше три заходные конусные поверхности и продольные направляющие скольжения), предназначенные для уменьшения сопротивления требуемому движению перемещаемого объекта (наводимого объекта в сборе с подвижной частью наводящего устройства), эффективны только при малых углах перекоса перемещаемого объекта относительно установочного кольца. Величина предельно возможного угла перекоса зависит от соотношения их размеров вдоль направления требуемого движения. Если продольный размер части перемещаемого объекта, взаимодействующей с установочным кольцом, превосходит высоту последнего, то указанный угол приблизительно пропорционален отношению зазора между ними к высоте установочного кольца, в противоположном случае - к продольному размеру перемещаемого объекта. Таким образом, в случае манипулятора, у которого длина штанги значительно превосходит высоту втулки, предельно возможный угол перекоса будет значительно меньше, чем в случае крышки радиационно-защитного контейнера, у которой практически возможный продольный размер крышки в сборе с подвижной частью наводящего устройства близок к высоте установочного кольца, необходимой при данном принципе действия наводящего устройства.
Другим недостатком указанного наводящего устройства является возможность падения до нуля величины вращающего момента, создаваемого реакцией втулки, при попадании двух азимутальных роликов на винтовые поверхности, отходящие от вершин образованных ими зубцов в противоположных направлениях (например, одна по часовой стрелке относительно оси втулки, а другая против часовой стрелки). Это приведет к остановке движения перемещаемого объекта и необходимости повторного наведения после его подъема на такую высоту, чтобы азимутальные ролики оказались выше втулки.
Кроме того, недостатками данного наводящего устройства являются также сложность выполнения на втулке винтовых поверхностей и возможность значительного износа взаимодействующих поверхностей (в частности, заходной конусной поверхности на нижнем конце штанги и внутренней поверхности втулки) за счет сил трения скольжения.
Задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении установки внутренней крышки на соответствующее посадочное место в радиационно-защитном контейнере, загруженном ОЯТ, с возможностью последующей герметизации этого контейнера (с помощью разъемных соединений), только опуская внутреннюю крышку на неподвижный контейнер с помощью грузоподъемного устройства, на котором подвешена на гибкой связи указанная крышка, без необходимости дополнительной пригонки положения последней, и при этом исключив необходимость нахождения обслуживающего персонала в радиационно-опасной зоне около контейнера. Технические результаты, обеспечиваемые изобретением, выражаются, во-первых, в уменьшении составляющих реакции неподвижной части наводящего устройства, препятствующих продвижению перемещаемого объекта в требуемом направлении, а также их центрированию, и, во-вторых, в предотвращении падения до нуля величины вращающего момента, создаваемого реакцией неподвижной части наводящего устройства, до завершения процесса наведения. В общем случае отсутствия дополнительных ограничений на угловое положение перемещаемого объекта относительно неподвижной части наводящего устройства изобретение обеспечивает также сокращение величины вертикального пути перемещаемого объекта при наведении. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность упрощения формы поверхности элементов наводящего устройства, находящихся в силовом взаимодействии.
Сущность изобретения заключается в следующем. Механическое наводящее устройство содержит неподвижную часть, включающую установочное кольцо, геометрическая ось которого совпадает с требуемым по существу направлением вертикального движения наводимого объекта. Верхняя часть установочного кольца выполнена в виде зубцов, обращенных вершиной вверх, каждый из которых ограничен двумя участками верхней наружной поверхности установочного кольца, расходящимися по окружности последнего в противоположных направлениях от вершины зубца книзу. Между каждой парой смежных зубцов установочного кольца выполнен вертикальный паз, в стенки которого переходят участки указанной поверхности, сходящиеся от этих смежных зубцов к пазу. Механическое наводящее устройство содержит также подвижную часть, закрепляемую на наводимом объекте и включающую азимутальные ролики, предназначенные для взаимодействия с верхней наружной поверхностью установочного кольца. Каждый из азимутальных роликов установлен с возможностью вращения на отдельной радиально направленной горизонтальной оси, причем угловое расстояние по азимуту между смежными азимутальными роликами кратно угловому шагу зубцов указанного кольца. В отличие от прототипа подвижная часть наводящего устройства снабжена центрирующими роликами, предназначенными для взаимодействия с верхней наружной и внутренней поверхностями установочного кольца. Каждый из центрирующих роликов установлен с возможностью вращения на отдельной горизонтальной тангенциально направленной оси, причем оси всех центрирующих роликов размещены на одном уровне так, что нижние точки центрирующих роликов расположены ниже любого из азимутальных роликов. Величина каждого центрирующего ролика вдоль его оси выполнена большей ширины вертикальных пазов установочного кольца.
В частном случае целесообразна установка азимутальных и центрирующих роликов не на самом наводимом объекте, а на базовом элементе подвижной части наводящего устройства, выполненном с возможностью разъемного соединения с наводимым объектом. Это обеспечивает возможность многократного использования одного экземпляра наводящего устройства (в том числе и на разных производственных площадках). Кроме того, также целесообразно в частном случае выполнение вертикальных пазов установочного кольца до нижнего торца последнего, что позволяет упростить монтаж неподвижной части наводящего устройства (в частности, на радиационно-защитном контейнере).
Максимальное количество вертикальных пазов (соответственно, и зубцов) установочного кольца равно, как имеет возможность понять специалист, количеству узлов крепления (то есть количеству шпилек или ввертных болтов) наводимого объекта (в частности, внутренней крышки радиационно-защитного контейнера), а соответствующий минимальный угловой шаг вертикальных пазов - угловому шагу узлов крепления.
Изобретение (в частном случае выполнения) поясняется чертежами.
Фиг.1 - внешний вид механического наводящего устройства перед стыковкой подвижной и неподвижной частей (в разрезе).
Фиг.2 - механическое наводящее устройство (вид сверху).
Фиг.3 - механическое наводящее устройство (вид А).
При герметизации радиационно-защитного контейнера 1, загруженного ОЯТ, наводимым объектом для механического наводящего устройства является внутренняя крышка 2, которую необходимо установить на основании 3.
Неподвижная часть наводящего устройства включает установочное кольцо 4, геометрическая ось которого совпадает с требуемым по существу направлением вертикального движения центра внутренней крышки 2. Установочное кольцо 4 закреплено на радиационно-защитном контейнере 1 с помощью разъемного соединения (элементы крепления на чертежах изображены условно). Верхняя часть установочного кольца 4 выполнена в виде зубцов 5, каждый из которых обращен вершиной вверх и ограничен двумя наклонными участками 6 верхней наружной поверхности установочного кольца 4, расходящимися от вершины зубца 5 книзу в противоположных направлениях по окружности кольца 4. Вследствие достаточно большого необходимого количества (до нескольких десятков) узлов крепления крышки 2 к контейнеру 1 участки 6 могут быть выполнены более простой, чем винтовая поверхность, формы, например плоскими (в виде конечной плоскости). Между каждой парой смежных зубцов 5 до нижнего торца установочного кольца 4 выполнен вертикальный паз 7, стенки которого продолжают наклонные плоскости 6, сходящиеся от этих смежных зубцов 5 к пазу 7. Специалисту явным образом понятно, что в случае использования шпилек в узлах крепления крышки 2 высота пазов 7 должна обеспечивать без каких-либо повреждений охват шпилек ответными гладкими отверстиями крышки 2 на завершающем этапе наведения.
Подвижная часть наводящего устройства включает базовый элемент 8 (например, в виде цилиндрического стакана, охватывающего верхнюю часть внутренней крышки 2), а также установленные на базовом элементе 8 центрирующие 9 и азимутальные ролики 10. Базовый элемент 8 закреплен сверху на внутренней крышке 2 с помощью разъемного соединения (элементы крепления на чертежах изображены условно). Каждый из центрирующих роликов 9 предназначен для взаимодействия с верхней наружной и внутренней поверхностью установочного кольца 4. Каждый из азимутальных роликов 10 предназначен для взаимодействия с любой из наклонных плоскостей 6 и стенками любого из вертикальных пазов 7 установочного кольца 4. Грузоподъемный элемент 11 предназначен для подвешивания базового элемента 8 на гибкой связи к грузоподъемному устройству (последние элементы на чертежах не показаны).
Центрирующие ролики 9 с отдельными горизонтальными тангенциальными осями вращения установлены на одном уровне так, что нижняя точка каждого из центрирующих роликов 9 расположена ниже любого из азимутальных роликов 10, и расположены равномерно по азимуту. Каждый из трех центрирующих роликов 9 выполнен в виде тела вращения, у которого образующая выпукла относительно его оси с радиусом кривизны, меньшим радиуса внутренней поверхности установочного кольца 4, а величина вдоль его оси больше ширины вертикальных пазов 7 установочного кольца 4. При установке только двух роликов 9 трудно обеспечить достаточную точность центрирования, а увеличение точности (уменьшение азимутальной неравномерности) при установке четырех и большего количества роликов 9 не всегда оправдывает усложнение конструкции. Специалисту явным образом понятно, что контакт с внутренней поверхностью установочного кольца 4 должен быть возможен одновременно не более чем у двух центрирующих роликов 9, причем смежных.
Азимутальные ролики 10 установлены (в количестве трех) консольно по отношению к базовому элементу 8 на радиально направленных осях вращения (например, на одном уровне). Азимутальные ролики 10 расположены (в промежутках между смежными центрирующими роликами 10) по возможности равномерно по окружности с угловыми расстояниями между их осями вращения, кратными угловому шагу между вертикальными пазами 7 установочного кольца 4. Максимальный диаметр азимутальных роликов 10 выполнен меньше ширины пазов 7.
В рассматриваемом частном случае количество зубцов 5 и пазов 7 установочного кольца 4 (по шесть элементов) двукратно превосходит количество азимутальных роликов 10, но двукратно уступает количеству узлов крепления внутренней крышки 2. В случае отсутствия дополнительных ограничений на угловое положение внутренней крышки 2 относительно радиационно-защитного контейнера 1 каждый из азимутальных роликов 10 может при наведении взаимодействовать с любой из наклонных плоскостей 6 и стенками любого из вертикальных пазов 7 установочного кольца 4. Это позволяет сократить величину вертикального перемещения при наведении по сравнению с наличием только двух зубцов (и пазов), что, соответственно, снижает требования к высоте и степени стесненности помещения для работы с радиационно-защитным контейнером. В случае же наибольших ограничений на угловое положение при наведении взаимодействие ролика 10 ограничено наклонными плоскостями 6 и стенками вертикального паза 7 между конкретной парой смежных зубцов 5.
Перед загрузкой ОЯТ в радиационно-защитный контейнер 1 на последний устанавливают внутреннюю крышку 2 в сборе с базовым элементом 8. По азимутальным роликам 10 на базовом элементе 8, охватывая их вертикальными пазами 7, как по кондуктору, устанавливают на контейнер 1 установочное кольцо 4 и закрепляют его. Затем перемещают контейнер 1 на пост загрузки ОЯТ. Сняв внутреннюю крышку 2 в сборе с базовым элементом 8 и удалив их из зоны загрузки, загружают ОЯТ в контейнер 1. Возвратив внутреннюю крышку 2 в сборе с базовым элементом 8 в зону загрузки, подвешивают их с помощью грузоподъемного элемента 11 на гибкой связи к грузоподъемному устройству, после чего начинают опускать на радиационно-защитной контейнер 1.
В том случае, если ошибка предварительного наведения меньше конструктивного зазора между внутренней поверхностью установочного кольца 4 и поверхностями центрирующих роликов 9, последние прямо входят внутрь установочного кольца 4, обеспечивая центрирующую реакцию последнего относительно его оси при продолжении спуска внутренней крышки 2 в сборе с базовым элементом 8. Преобладающим видом взаимодействия при этом является трение качения, что существенно уменьшает сопротивление требуемому движению внутренней крышки 2 в сборе с базовым элементом 8.
В том случае, если ошибка предварительного наведения больше указанного зазора, в контакт с установочным кольцом 4 входят один или два из трех центрирующих роликов 9, так как нижние точки последних расположены ниже азимутальных роликов 10. Касание установочного кольца 4 (на границе внутренней поверхности последнего и одной из наклонных плоскостей 6) любым из центрирующих роликов 9 добавит к силе тяжести и реакции гибкой связи, действующих на перемещаемый объект, реакцию кольца 4 на этот ролик 9. Суммарное силовое воздействие соответствует требуемому смещению оси базового элемента 8 (в общем случае, при повороте последнего) и, соответственно, крышки 2 к оси установочного кольца 4, а также устранению перекоса между ними. Такое смещение происходит при скатывании центрирующих роликов 9, вращающихся вокруг своих горизонтальных осей, по поверхности установочного кольца 4 вниз и внутрь последнего (преобладающим видом взаимодействия является трение качения). Форма центрирующих роликов 9 обеспечивает при этом плавное и, в основном, непрерывное смещение мгновенной оси вращения перемещаемого объекта. Указанное смещение оси базового элемента 8 влечет также улучшение условий входа азимутальных роликов 10 в вертикальные пазы 7 установочного кольца 4. Аналогично предыдущему случаю прохождение всех роликов 9 внутрь установочного кольца 4 обеспечивает центрирующую реакцию последнего относительно его оси при последующем опускании крышки 2.
После касания азимутальным роликом 10 оказавшейся под ним наклонной плоскости 6 установочного кольца 4 этот ролик 10 при дальнейшем опускании крышки 2 вынужден будет скатываться по наклонной плоскости 6 кольца 4, при этом реакция установочного кольца 4 создаст вращающий момент, поворачивающий базовый элемент 8 (соответственно, и крышку 2) вокруг вертикальной оси, причем вращение будет происходить по существу относительно вертикальной оси кольца 4 за счет его реакций, воздействующих на центрирующие ролики 9. Спустившись по наклонной плоскости 6 до вертикального паза 7, ролик 10 меняет направление своего движения на вертикальное вдоль паза 7, после чего поворот базового элемента 8 (соответственно, и крышки 2) прекращается. Нахождение трех роликов 10 в трех различных пазах 7 обеспечивает достаточную точность фиксации требуемого положения крышки 2 относительно основания 3 в контейнере 1. А соответствующая высота пазов 7 обеспечивает охват шпилек (в случае их использования в узлах крепления) ответными гладкими отверстиями крышки 2 без каких-либо повреждений.
В дальнейшем перемещают радиационно-защитный контейнер 1 из зоны загрузки ОЯТ к посту обслуживания, где снимают установочное кольцо 4 с контейнера 1, а базовый элемент 8 с внутренней крышки 2. Затянув резьбовое соединение внутренней крышки 2 с контейнером 1, создают условия для последующей установки наружной крышки (на чертежах не показана) и транспортировки контейнера. При этом обе части наводящего устройства после снятия с контейнера пригодны для повторного использования.