熱室模塊支撐旋轉裝置研制

武文廣 宋長飛 陳明馳

(中國核電工程有限公司河北分公司 石家莊 050000)

在串列加速器工程中，由回旋加速器產生的質子束打到靶源上產生放射性同位素。由于靶源需要經常更換，為了更換、維修方便，將靶源設計成幾個獨立模塊的組合體[1,2]。

靶源模塊有兩種，形狀不規(guī)則，其中大模塊外形約1000 mm×800 mm×800 mm，重量約2 t，由于模塊本身具有較強的放射性，因此必須置于屏蔽熱室內[3]，通過機械手和專用工具對其進行遠程操作。設計目標要求模塊工作點的重復定位精度≤±0.2 mm，模塊能實現(xiàn)升降和360°旋轉動作，滿足試驗人員使用機械手和專用工具遠程操作，對靶源模塊進行拆卸維護的使用要求[4]。輻射環(huán)境條件苛刻，被操作件形狀不規(guī)則、外形尺寸大、重量大，定位精度要求高，使裝置研制有較高的難度。

1 模塊支撐旋轉裝置的機械結構設計

1.1 總體結構

模塊的支撐旋轉裝置主要由模塊支撐結構、提升機構、旋轉機構、定位機構及電器控制等部分組成。根據(jù)模塊的結構特點和操作工藝要求，確定方案為：將模塊從熱室頂部利用吊車及專用工具將模塊吊運至熱室內的模塊支撐筒中，支撐筒上部安裝升降螺桿實現(xiàn)模塊的升降功能。模塊支撐筒支撐在一個旋轉筒中，旋轉筒上部的外齒式軸承與減速傳動鏈連接，傳動鏈末端由驅動電機實現(xiàn)模塊的旋轉運動，旋轉筒外部設置位置檢測及定位機構。傳動結構布置在熱室頂部和操作前區(qū)便于動力裝置的維護，模塊采用懸吊支撐的定位結構便于四周觀測及模塊零件的拆卸，其原理見圖1。

圖1 原理簡圖Fig.1 Elements sketch.

模塊的升降及 360°旋轉動作均由傳動執(zhí)行機構來實現(xiàn)，為實現(xiàn)傳動機構的平穩(wěn)運行，保證模塊的準確定位，設計旋轉筒周向轉速為0.35 r/min，轉動一圈的時間約為 3 min。為保證模塊工作點的定位精度，避免由于傳動鏈的累積誤差對模塊定位精度產生影響，從垂直和周向兩個方向的結構和定位方式上采取了多種技術措施。

1.2 模塊垂直方向定位方案

1.2.1 合理設計升降螺桿

模塊升降靠安裝在支撐筒上部的升降螺桿來實現(xiàn)。根據(jù)靶源模塊的形狀尺寸，合理布局提升機構，支撐筒周向均布置三套升降螺桿。升降螺桿之間共用減速電機，減速電機輸出的扭矩通過傳動軸和傘齒輪換向器同步傳遞給三臺升降機同步升降，實現(xiàn)了支撐筒的平穩(wěn)升降。減速電機功率1.5 kW，輸出轉速為20 mm/min，單臺升降螺桿額定提升負載50 kN，提升速度3.3 mm/s。模塊上下行程依靠升降螺桿的上下限位開關實現(xiàn)自動停止，設計中選用機械滾輪柱塞式限位開關，開關精度±0.1 mm；并采用限位開關雙備份設計，保證了運行上下限的安全可靠。結構設計及硬件的可靠性使提升機構安全可靠、維護方便、具有良好的耐輻照特性，滿足了功能要求(見圖2)。

圖2 升降螺桿布局Fig.2 Layout of lifting screw.

1.2.2 消除升降螺桿停止時慣性位移影響

升降螺桿下降到下限位置時，極限開關動作，螺旋升降機停止驅動。由于慣性作用，螺桿及支撐筒仍將繼續(xù)下移一定距離，如不采取措施，升降螺桿的推力及支撐筒(含模塊)重力將作用到支撐筒上，對支撐筒和螺桿造成損壞。為此，在滿足工藝要求前提下，將旋轉筒的上支撐面設置為模塊垂直方向的工作點，即支撐筒與旋轉筒的接觸面為支撐筒的下限。旋轉筒的支撐面和支撐筒設計有足夠剛性；并專門設計了緩沖結構，將特制的連接螺栓擰緊固定于模塊支撐筒面上，法蘭端面與模塊支撐筒上平面留5 mm的間隙。此間隙可避免停止時因慣性位移而沖擊旋轉筒(見圖3)。

圖3 升降螺桿法蘭連接結構Fig.3 Joint structure of lift screw flange.

1.3 模塊周向方向定位方案

旋轉筒外側設計氣缸定位結構，旋轉筒旋轉到工作點位置時，氣缸動作使氣缸定位銷打入到旋轉筒上的定位孔內。旋轉筒外周設計位置檢測傳感器，當模塊轉動到目標位置時傳感器發(fā)出提示信號，確認氣缸銷對準氣缸定位銷孔。

1.3.1 氣缸定位銷與氣缸定位塊的結構設計

氣缸定位銷與氣缸定位孔合理的結構設計，是保證氣缸定位銷順利打入定位孔的關鍵。結構設計上，定位銷頭部采用球形導向結構，定位塊內部采用方形孔，垂直方向無約束，定位銷與定位孔之間為徑向線接觸，對正后可保證順暢導入。

1.3.2 位置傳感器的設置

氣缸動作前，需確認氣缸銷與氣缸銷定位孔是否對正。為此采用了紅外光電位置傳感器，該傳感器利用擋片對光束的遮擋產生感應信號，響應誤差0.05 mm，精度高、抗干擾性好[5]。

由于傳感器存在響應誤差，單套光電傳感器在大于響應誤差值情況下均會產生信號，無法確認定位點的準確位置。因此專門設置了兩套傳感器，兩套傳感器的安裝間距可調，調整傳感器位置使一套傳感器在剛到達擋片的左側邊緣時發(fā)出信號，同時另一套傳感器剛到達該擋片的右側邊緣并發(fā)出信號，保證兩套傳感器同時發(fā)出信號，即確認氣缸銷與氣缸銷定位孔此時刻已對正(見圖4)。

為進一步提高可靠性，避免誤操作，設置一套接觸式傳感器對氣缸銷狀態(tài)進行檢測。當氣缸銷插入定位塊孔中接觸式傳感器發(fā)出信號，表明氣缸定位銷入孔，此信號與旋轉筒聯(lián)鎖，禁止旋轉筒轉動。

圖4 位置傳感器遮擋示意圖Fig.4 Principle sketch of location sensor.

1.3.3 粗定位與精確定位設計

為保證準確定位及運行的絕對安全可靠，旋轉筒的周向定位設置粗定位和精確定位兩個階段。在模塊大角度轉動階段，利用操作前區(qū)傳動鏈末端的驅動電機驅動，在操作前區(qū)設計了一套行程開關作為粗定位。當旋轉裝置轉動位置接近傳感器感應位置時，傳動桿上的滑塊提前觸發(fā)操作前區(qū)的行程開關切斷旋轉裝置段電源。

粗定位實現(xiàn)后，轉為利用手動微調機構實現(xiàn)模塊的準確定位。在傳動鏈末端設計了一套手輪微調結構，手輪處設置微調刻度盤，手輪每轉過一個刻度旋轉裝置僅轉動0.02 mm，這樣可以利用微調手輪手動調整，直到兩個傳感器對應的指示燈同時發(fā)出信號，表明定位銷與定位孔實現(xiàn)對正，然后定位銷插入完成旋轉筒的周向定位。

電動粗定位與手動精確定位相結合，實現(xiàn)了高效操作，并且絕對安全可靠(見圖5)。

圖5 粗定位與精定位結構Fig.5 Organ of cursory and precise locate.

1.3.4 模塊支撐筒與旋轉筒的結構設計[6]

模塊置于支撐旋轉部件的內部，支撐筒與旋轉筒的結構對模塊的準確定位非常重要。支撐筒部件的主要功能是實現(xiàn)支撐、準確定位模塊。上部用兩塊 30 mm圓形鋼板焊接于裝置側板上，側板厚度16 mm，兩圓形鋼板中間焊接加強筋以保證提升機構與模塊支撐裝置的剛度。側板下部用50 mm的鋼板作為模塊支撐板，通過螺栓連接在裝置的底板上，便于加工并保證支撐板的平面度及定位銷孔的位置度。支撐筒上面的兩圓形板兩側開有鍵槽，用以提升時導向作用。支撐筒下面的圓形鋼板上是兩個定位銷孔，用于旋轉筒與支撐筒下部支撐板的定位銷定位。

旋轉筒筒體上部的圓盤側面加工一溝槽，作為電纜的卷筒。旋轉筒外圈是外齒式軸承，與減速器連接。旋轉筒下部的支撐板用螺栓與轉筒的側壁端面連接。這樣既方便加工，又可以保證支撐板的平面度。旋轉筒最大外徑Φ1900 mm，旋轉裝置內徑Φ1400 mm。在旋轉筒側面設計了導向鍵，支撐筒上的導向鍵槽與導向鍵配合使支撐筒進入旋轉筒內。導向鍵與模塊支撐筒鍵槽配合間隙為變化的，上大下小，既保證了最終的定位精度又大大降低了支撐筒導向鍵槽的制造難度。

2 提升機構供電解決方案

轉動裝置上部驅動升降螺桿的電機要在裝置旋轉狀態(tài)下供電。由于設備轉速較低，且不是連續(xù)轉動，因此設計方案中采用了結構簡單、維護方便的電纜卷筒。卷筒帶有卷簧，傳動機構驅動回轉體轉動時，卷筒釋放電纜，電纜卷在轉動裝置旋轉筒的槽中。設計電纜最大繞圈角度為±270°，滿足工藝使用要求。

操作前區(qū)用于粗定位的滑塊裝在一個刻度罩中，當滑塊到達刻度罩上下極限位置時，則旋轉裝置不能再轉動，可避免電纜旋轉超行程被扯斷。

3 電氣聯(lián)鎖控制要求

為保證模塊支撐旋轉裝置安全、可靠的使用，在電氣控制方面設計了如下聯(lián)鎖功能[7]：

(1)當提升螺桿上任何一個限位開關接通時，提升電機立即停止。且觸發(fā)上限位開關(上極限位置)后，上升按鈕失效，只能下降；觸發(fā)下限位開關(下極限位置)后，下降按鈕失效，只能上升。

(2)旋轉筒驅動電機與提升機構的提升電機之間聯(lián)鎖，即兩電機不能同時工作。

(3)在熱室頂部，有兩個傳感器用于檢測旋轉筒的位置，當兩個傳感器同時接通時燈亮，表明定位銷與定位孔實現(xiàn)對正，此時按下氣缸伸動作按鈕才有效。

(4)當氣缸位置傳感器處于接通狀態(tài)時，旋轉筒驅動電機不能動作，表明定位銷處于伸出狀態(tài)。

4 現(xiàn)場調試

裝置完成裝配后，在現(xiàn)場進行了提升、旋轉動作調試試驗及精度測量，對技術指標進行檢驗，并對電氣聯(lián)鎖控制功能進行驗證[8]。

第一步進行垂直方向的動作調試，驗證提升螺桿運行是否平穩(wěn)，螺桿上下限位開關的可靠性及模塊降至下限位置時的重復定位精度。經過20次的升降試驗，提升機構運行平穩(wěn)、提升螺桿上下限位開關均能及時響應，螺桿停止動作。模塊垂直定位位置精度如圖6所示，20組數(shù)據(jù)均滿足設計精度要求，而且75%點分布在±0.1 mm范圍，達到了目標要求。

圖6 垂直定位精度曲線圖Fig.6 Curve picture on uprightness precision.

第二步進行周向方向動作試驗及精度測量，驗證旋轉機構的平穩(wěn)性、周向定位機構的可靠性和準確性。旋轉部件經過20次正反旋轉動作試驗，運行平穩(wěn)、傳動部件無爬行現(xiàn)象，在到達設定點位置傳感器均能及時響應、旋轉筒停止轉動。周向定位精度如圖7所示，20組數(shù)據(jù)均能滿足技術指標要求，80%的點分布在±0.1 mm范圍。

圖7 周向定位精度曲線圖Fig.7 Curve picture on circle precision.

第三步模擬傳感器出現(xiàn)誤差，定位銷不入孔狀態(tài)下，驗證手輪微調機構的可靠性。在定位銷接近定位孔前停止驅動電機，利用手輪微調驅動旋轉筒轉動，經過正反兩個方向的多次驗證，定位銷均順利打入到定位孔中，定位銷結構的傳感器指示燈亮。驗證了手輪微調機構的合理性和可靠性。

最后針對電氣聯(lián)鎖控制要求進行了各種狀態(tài)的現(xiàn)場驗證試驗，聯(lián)鎖控制均能準確響應，效果良好，完全滿足設計目標要求。

5 結語

針對靶源模塊試驗維護的特殊需求，設計了旋轉筒、支撐筒結構，滿足靶源模塊提升及旋轉功能需要；合理布置螺桿提升裝置，采用旋轉筒接觸面為下限定位面，并設計軸向緩沖間隙，實現(xiàn)了升降功能及精確定位；周向采用電動粗定位及手動精確定位相結合，既高效又能精確定位；采用雙傳感器位置檢測，氣缸定位銷設計方案，措施安全可靠。經試驗，各項技術指標均滿足目標要求，驗證了裝置設計方案的合理性和可靠性。該設計技術可應用于加速器、熱室、反應堆等放射性場所，進行遠程屏蔽操作、檢修維護或試驗，具有較好的指導和借鑒意義。

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