升降装置设计初稿

升降装置设计

1、前言

2、设计要求

3、设计方案

3.1、设计方案概述

3.2、导向支架

3.3、绳拉装置

3.4、动力驱动装置

3.5、线管收纳装置

3.6、电气装置

1、前言

中国散裂中子源（CSNS）的核心部件中子窗插件长期运行于高辐射区域，需要考虑辐照损伤对其寿命的影响，在设计中考虑常规的维护和更换。由于部件材料在高辐射区域受到辐射后会引起感生放射性（即活化），对于那些活化或表面污染部件的维护都必须在具备防护的条件下遥控操作，避免辐射对维护人员的危害。

中子窗遥控维护机构正是适应这种需求而研制，主要针对中子窗的安装、拆卸过程。CSNS 遥控维护和后处理系统的设计目标是要尽可能的优化、保证遥控维护操作的可靠性和安全性，保护操作人员的辐射防护安全。

为了保证中子窗安装、拆卸过程可靠进行，在正式运营之前，应考虑制造中子窗遥控维护机构样机及其试验台架进行调试运行。

中子束窗是氦容器中子孔道的压力边界，靶站散裂反应产生的中子通过中子束窗从靶站核心区引入到外部的中子束线，最终传输到谱仪实验站。氦容器共设有20个中子束接管，每个接管法兰需安装一个中子束窗。由于中子束窗的安装位置位于氦容器与Shutter屏蔽体之间，该区域为辐射区域，而且安装空间狭窄，如图1所示。所以中子束窗的安装维护不能通过现场手工操作。为了在氦容器中子束接管法兰上安装中子束窗，需要使用远程操作机构。

2、设计要求

中子束窗远程操作机构的功能要求如下：

（1）靶站运行一段时间后，需要对中子束窗进行更换，首先要吊出相应位置的Shutter，在Shutter间隙屏蔽体空隙内进行中子束窗的装拆、更换操作；

（2）远程操作中子束窗的装拆、更换，中子束窗与氦容器中子束接管法兰(SUS 316L，长度400mm,宽度200mm，厚40mm )的连接是通过四个特制螺栓。装拆时与法兰的定位是通过法兰上的两个定位销；

（3）中子束窗法兰尺寸为长度330mm,宽度200mm，厚50mm，材质为铝合金T6061-T6，重量约为7kg；

（4）整个装拆、更换操作都是在Shutter间隙屏蔽体之间的空隙中完成，Shutter间隙屏蔽体之间的空隙尺寸为宽度270×1000/370×1000mm，深度3800mm；

（5）该装置应具有位置调整功能，调整机构设置在Shutter间隙屏蔽体上部。

图1 中子束窗安装空间

3、方案设计

3.1、设计方案概述

中子束窗远程操作机构由执行机构、驱动装置、检测装置、控制系统和机械支撑结构等

组成，其用途主要是通过人员远程控制操纵该机构完成中子束窗的装拆、更换等工作。其主

要结构如图2所示。

伺服升降电机

钢丝绳

导向支架

一级推进装置

二级推进装置

套筒旋转装置

夹持装置

图2 中子窗遥控维护机构样机主要结构

3.2、导向支架

由于要在shutter间隔块上安装中子窗遥控维护机构，shutter间隔块如图3所示，shutter间隔块共22块，尺寸不是全部一样，但所有特征中有一个是不变的，就是每个间隔块上的导向槽，每块间隔块具有四个导向槽，如图4所示。

图3 shutter间隔块

导向槽

图4 导向槽

由于中子束窗维护装置工作时，需要把对应的闸门拆除，如图5所示，当中子束窗维护装置进行工作时，如图6所示。

图5 拆除闸门图6 中子束窗维护装置进行工作

中子束窗维护装置进行工作的位置是：垂直方向上，导向支架底部安装于shutter间隔块顶部，如图7所示，而在水平方向上，依靠每个通道上的两侧shutter间隔块导向槽，如图8所示。由于两侧的shutter间隔块安装时有较大误差，现把导向支架的定位用一个shutter 间隔块的两个销钉孔，如图8所示。导向支架如图9所示。

图7 垂直方向位置图8 水平方向位置

图9 导向支架

导向架在垂直方向上要具有导向作，要把中子束窗维护装置导向进入shutter 空间，导向支架与shutter 空间连接如图10所示。另外，为方便检测导向支架与shutter 间隔块的安装位置是否准确，在导向支架的底部安装两个位移传感器，左上角及右下角各一个，如图10所示。当导向支架与shutter 间隔块准确安装时，两个位移传感器就输出对应的信号。

图10 向支架与shutter 空间连接

销钉 销钉

位移传感器

位移传感器

3.3、绳拉装置

由于整个中子束窗远程遥控维护装置都在一个比较夹窄的空间进行工作，工作平面图如图11所示。

图11 shutter间隔块工作空间平面图

中子束窗远程摇控维护系统在运动空间要实现两个主要要求：垂直定位及水平定位。垂直定位采用双绳升降装置，如图12所示。垂直升降较较大，升降示意图如图13所示，由三部分组成，A为中子束窗中心到闸门的距离，取A=600mm，B为闸门顶部到地面的高度，B=6000mm，C为中子束通道中心到地面高度，C有多个值，其中C最小为1661mm，垂直升降距离D为：

D=A+B-C=600+6000-1661=4939mm

计算时，取D=5000mm

由于距离较大，一般的丝杆传动没法达到，现采用绳拉吊装方式。双绳升降装置采用双电机驱动方式，结构较为杂，但能保证安装系统的水平定位精度。基于高可靠性考虑，本设计采用双电机双绳拉升降结构。

A

B

C

图12 双绳升降装置图13 垂直升降距离示意图

按设计经验，起吊重物或穿滑轮使用，应选择比较柔软、易弯曲的6×37或6×61的钢丝绳，作为缆风绳或拖拉绳可选用6×19钢丝绳。

本设计中，绳拉的总重为中子束窗安装装置的重量，质量按1000kg计算。每条钢丝绳的拉力F为：

F=1000kg÷2×9.8N/kg=4900N

根据钢丝绳受力的大小，按照钢丝绳许用拉力，选择合适的直径。表1为6×37型号钢丝绳的技术参数。

表1：6×37型号钢丝绳的技术参数

表中有如下公式：

（1）钢丝破断拉力总和=公称抗拉强度×钢丝总断面积（mm2) ；

（2）钢丝破断拉力=钢丝破断拉力总和×换算系数；

（3）钢丝绳安全载重力=钢丝破断拉力/安全载重系数；

其中公称抗拉强度最大为1870Mpa，换算系数常用0.82，安全载重系数选用4.0。

中子束窗维护装置总质量为2000KG。设计上采用2条钢丝绳吊起该机构，故每条钢丝绳最大工作静拉力为1000KG，选用直径8.7mm的钢丝绳。

计算卷丝轮上钢丝绳的圈数。该卷丝轮设计的半径为R=100mm，中子束窗维护装置行程为L=3800mm，故圈数 N=L/2πR=3800/2*3.14*100︽6。

当中子束窗运动到最低点时，卷丝轮上须最少4圈的钢丝绳，用于保证钢丝绳与卷丝轮的摩擦力，防止打滑。本设计的卷丝轮设计卷丝轨道为10道。

中子束窗的行程为L=5000m；在卷丝轮上的钢丝绳圈数为4圈，绕丝轮半径为100mm，故绕丝轮上的钢丝绳长度L′

L′=2πR×4=2×3.14×100×4=2512mm。

因此，单条钢丝绳需要的长度为

L+ L ′=5000+2512=7512mm ，

加上尾端应留出140mm 长幅度，取整数约为8000mm 。

绳拉升降装置采用电机驱动方式实现物体升降，由于考虑到伺服电机在相同转速时物体升降同步问题，同时也考虑到吊轮体积比较大且放置空间有限，为了使钢丝绳整齐摆放，在吊轮是设计螺纹槽，这样钢丝绳可以整齐地卷在卷轮上，如图14所示，解决钢丝绳堆叠问题。

3.4、动力设计

中子束窗维护装置重量为1000kg ，卷丝轮半径R 定为150mm ，则拖卷丝轮上的转矩T 为：

T=F.R

=1000/2mg.0.15 =750N.m

设计使用安全系数S 为3,设计用扭矩M:

M=T.S =750*3 =2250 N.m

扭矩较大，电机与卷丝轮之间安装减速箱，须选用结构紧凑、减速比大、可靠性高的减

转动轴

带螺纹槽卷轮

速箱。选用德国赛威减速机，如图14。

图14 减速机

型号：K87

减速比：i=1:100

许用扭矩：M（许用）=2700NM

效率：n=95%

电机选用台达伺服电机，如图15，

图15 台达伺服电机伺服电机选型

品牌：台达；型号：ECMA-E21830HS

功率：3KW；额定扭矩：M=14.32NM

额定转速：2000rpm

3.5、线管收纳装置

由于整套装置在升降过程中要对相关的线管进行收纳，相关线管如图16所示，

图16 要求收线的电线

要收纳的线管总计三大类：

一是气管，共一条；二是弱电线，共55条；三是强电线，共5条。

现设计一个线管收纳装置，如图17所示，

线管收纳装置

图17 线管收纳装置

3.6、电气装置

中子束窗远程维护设备系统的设计方案中，严格遵循以下原则：

(1)、产品的成熟性：选择起吊设备时，更注重选用成熟的、先进的、可靠的，几年的先进性。

(2)、规范设计化：在方案设计、设备选型、图纸设计、软件设计、系统调试中，遵循行业规范，因为这一原则将给系统运行、维护、管理以及升级带来许多便利。选用成熟的技术可靠的设备。

(3)、系统可扩展性：本设计方案为系统扩展预留接口，以满足发展的需要。

升降中子束窗远程维护设备设计目标:

(1)、自动化程度高，能充分体现降低劳动强度，提高精准度；

(2)、实时性好，能及时反映升降过程中的各项参数，实现升降过程的实时控制；

(3)、可靠性要有保障，在核环境下能保持高可用性；

(4)、整个设计方案要保持最好的性价比，以最低的投入取得最好的效益；

系统工作流程：如图18

图18 系统工作流程

控制方式：

设备控制采用三级控制方式，控制级别为：现场模式（手动控制），遥控模式（远程手动控制）及自动模式（PLC控制）．控制级别由高到低为：现场手动控制、遥控控制、自动控制。当设备置于现场手动时，发出信号，远程手动控制和自动系统停止，PLC控制被屏蔽。

现场手动模式：设备的现场控制箱上的按钮实现对设备的启/停操作。

遥控模式（远程手动控制）：、控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，操作人员通过监控管理计算机的监控画面用鼠标器或键盘选择遥控方式并对设备进行启／停、开／关操作通过按钮实现对设备的启/停操作。

自动模式：现场控制箱或控制柜上的“就地／远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC根据相关信号来完成对设备的运行或开控制，而不需要人工干预。

中心控制室站组成：

PLC站

●PLC工作站控制与数据采集范围：

PLC工作站对执行机构的电度、电流、电压、功率进行检测；对水平仪的水平差作收集，对激光测距仪反馈距离进行比较。

●PLC工作站在升降过程中起到了核心作用，为保证系统的稳定性和可靠性，该工作

站采用S7-300系统。

●PLC工作站系统结构

PLC工作站与低压配电柜、电气控制柜通过RS485通讯接口连接，采集数据；

PLC工作站采用设备层工业控制总线（Controller Link）网络与监控计算机相连。

●PLC控制站与过程检测仪表之间采用标准4~20mA信号通过屏蔽电缆联接。