醫(yī)用自動屏蔽門結(jié)構(gòu)設(shè)計

蔡蝶,葛斌,張靜,高星煜,祁歡

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程，上海 200093）

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療和檢測過程中，有時需要使用到射線和一些放射材料，有研究表明長期接受X射線會對人體造成一定的傷害，主要表現(xiàn)為植物神經(jīng)功能紊亂，造血功能低下，進(jìn)而出現(xiàn)內(nèi)部器官功能的失調(diào)等。CT室是醫(yī)院放射科的一個重要輔助科室，為避免其他患者和工作人員受輻射侵害以及防止醫(yī)療設(shè)備受電磁干擾，CT室在設(shè)計時要達(dá)到防輻射的效果，而屏蔽門是影響整個CT室屏蔽效果最重要的部位，也是整個房間中最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此保持CT室門的屏蔽效能的穩(wěn)定性尤為重要。當(dāng)前醫(yī)用屏蔽門的運動結(jié)構(gòu)主要可以分為弧形軌道設(shè)計和平直軌道設(shè)計，其中弧形軌道設(shè)計是在機(jī)電梁的驅(qū)動下，門扇在平移運動過程中由軌道進(jìn)行導(dǎo)向逐漸向門框靠近，并且門扇的重心也隨之下沉，這樣便可以實現(xiàn)活動門扇四周的密封條與門框的緊密壓緊；平直軌道設(shè)計是通過活動門扇平移運行——垂直運行——內(nèi)藏式局部下沉三步運行程序，使門扇四周的密封條受到擠壓，以實現(xiàn)門體的密封效果。但弧形軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計長期運動會使得密封條磨損嚴(yán)重，使得密封效果下降，而平直軌道設(shè)計存在的內(nèi)藏式局部下沉裝置也會使得密封條磨損嚴(yán)重。這兩種屏蔽門運動只是實現(xiàn)了防輻射的效果，而未能同時兼顧防電磁干擾和防輻射功能。本項目采用鈹青銅簧片，其在通過電流的情況下能夠同時實現(xiàn)防電磁干擾、防屏蔽的效果；活動門扇采用以鉛為主要功能材料，以不銹鋼為支撐材料制作的特屬鉛門，門體重約500kg。由于門體質(zhì)量較大，依靠人力進(jìn)行開啟與關(guān)閉較為不便，因此本項目特設(shè)計一種自動屏蔽門結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)活動門扇的平移運動和鈹青銅簧片的壓緊運動，達(dá)到預(yù)期效果。

1 總體設(shè)計

本文需要設(shè)計一種全自動防輻射屏蔽推進(jìn)門，該門需要滿足以下各項功能：一是防輻射屏蔽推進(jìn)門要具有安裝承載裝置；二是防輻射屏蔽推進(jìn)門須有驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)；三是防輻射屏蔽門必須要實現(xiàn)門體上鈹青銅簧片與門框的壓緊，以能夠同時實現(xiàn)防電磁干擾與防輻射的功能。在實現(xiàn)各個功能的前提下，還要解決防輻射屏蔽門的承重問題以及保證屏蔽門在運動過程中的平穩(wěn)性與安全性。

圖1 屏蔽門整體結(jié)構(gòu)圖

因此本設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動帶動同步帶實現(xiàn)水平方向的平移運動（設(shè)為X方向），以保證運動的平穩(wěn)性；電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)水平方向垂直于門框進(jìn)給壓緊運動（設(shè)為Y方向），以能夠?qū)崿F(xiàn)門扇與門框的緊密壓緊，圖1為屏蔽門整體結(jié)構(gòu)圖。

該醫(yī)用自動屏蔽門的開啟與閉合工作原理為：在關(guān)門時，工作人員觸發(fā)關(guān)門按鈕，電機(jī)通過主動輪帶動同步帶順時針轉(zhuǎn)動，吊軌內(nèi)滑輪在同步帶的牽引下在軌道內(nèi)滾動，從而帶動門扇在平行于墻體方向上實現(xiàn)平移運動，當(dāng)門扇到運動到與門框相對位置時，與同步帶輪配套的電機(jī)停止工作；此時絲杠電機(jī)開始運行，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為滑臺的直線運動，帶動門扇在Y軸方向?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給運動，從而實現(xiàn)門扇上鈹青銅簧片與門框的壓緊；絲杠電機(jī)停止工作，這時為門框上的電磁鎖緊裝置進(jìn)行通電，電磁鎖會產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力將門扇與門框緊密貼合，從而達(dá)到防輻射和防電磁干擾的目的。

開門工作原理：此時門處于緊閉狀態(tài)，工作人員觸發(fā)開門按鈕。首先給電磁鐵斷電，電磁鎖失去吸力后，電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，使得門扇沿Y軸反方向運動，退出門框，滾珠絲杠電機(jī)停止工作，同步帶電機(jī)通電帶動同步帶逆時針轉(zhuǎn)動，門扇沿X軸方向向右運動，直到完全打開。

2 重要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 承載機(jī)構(gòu)

承載機(jī)構(gòu)由型材安裝架、滑輪吊軌裝置、絲杠滑臺等組成，起到承重、固定各個零件的作用。圖2為承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

型材安裝架：同步輪裝置直接安裝在型材安裝架上，將型材安裝架固定在墻面上。

滑輪吊軌裝置：滑輪固定在吊軌固定座上，并固定在型材安裝架上，其上裝有滑輪與門體 Y 方向進(jìn)給裝置。

絲杠滑臺：與滾珠絲杠連接，在絲杠的傳動下，通過攜門夾帶動門扇進(jìn)行壓緊運動。

圖2 承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到滾珠絲杠不能承重的問題，在絲杠兩端各安裝有一根光軸導(dǎo)軌，通過滾珠直線軸承與絲杠滑臺配合連接，以減小在滑臺運動過程中摩擦力。在絲杠及光軸導(dǎo)軌的兩端安裝有固定支架以作為承重部件的支點，滑臺下方通過攜門夾將門扇固定。

2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包括同步帶輪驅(qū)動裝置、滾珠絲杠驅(qū)動裝置等，在單片機(jī)控制系統(tǒng)的指令下，步進(jìn)電機(jī)帶動同步帶以及滾珠絲杠的傳動，實現(xiàn)屏蔽門的平移運動和壓緊運動。圖3驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

同步帶輪驅(qū)動裝置主要包括主動帶輪裝置以及從動帶輪裝置。同步帶為封閉的環(huán)形帶，具有相同的間隔齒，由主動帶輪裝置帶動其運動，主動帶輪裝置包括電機(jī)、主動輪、同步帶、固定板，電機(jī)與主動輪固定在型材安裝架上。電機(jī)通過主動輪將力傳遞給同步帶，進(jìn)而通過連接裝置帶動門扇在水平X方向運動；從動帶輪裝置包括從動輪和固定板，從動輪將固定在型材安裝架上，隨主動輪運動。

同步帶有以下幾項特點：①傳動比恒定、工作時不滑動；②傳動平穩(wěn)，具有緩沖、低噪聲，減振能力；③傳動效率高，達(dá)到98%，具有明顯的節(jié)能效果；④維護(hù)方便，無潤滑，維護(hù)成本低；⑤速度比范圍大，具有較大的功率傳遞范圍；⑥相對于V型傳送帶，其預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷小。

滾珠絲杠驅(qū)動裝置：該裝置主要包括電機(jī)、滾珠絲杠、絲杠滑臺、光軸導(dǎo)軌等零件。其中滾珠絲杠主要是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠滑臺的直線運動，實現(xiàn)進(jìn)給壓緊運動。

滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反相器防塵器組成，是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動。

滾珠絲杠的特點為：①摩擦損失小、傳動效率高。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間由很多滾珠在做滾動運動，所以能得到較高的運動效率；②可實現(xiàn)高速進(jìn)給和微進(jìn)給。滾珠絲杠利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進(jìn)給；③定位精度和重復(fù)定位精度高。由于滾珠絲杠副摩擦小、升溫小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度；④工作壽命長。滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度（HRC58—62）、高精度材料，具有較長的工作壽命和精度保障性。壽命約為滑動絲杠副的4～10倍以上；⑤不能自鎖、具有傳動的可逆性。

2.3 磁吸裝置

在門框上安裝有電磁鎖緊裝置，當(dāng)門扇運動到指定位置后，給電磁鎖通電，利用電生磁的原理，當(dāng)電流通過硅鋼片時，電磁鎖會產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力緊緊的吸住吸附門扇上的鐵板達(dá)到鎖門的效果。當(dāng)需要開門時，給電磁鐵斷電，電磁鎖失去吸力即可進(jìn)行開門動作。

3 屏蔽門分析計算

3.1 同步帶傳動計算

3.2 電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠計算

3.3 絲杠校核

剛度驗算：滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量為：

4 結(jié)語

本項目針對傳統(tǒng)防輻射屏蔽門的缺陷，設(shè)計了一種能夠同時實現(xiàn)對電磁與射線屏蔽的自動門結(jié)構(gòu)，主要對屏蔽門的驅(qū)動結(jié)構(gòu)與承載裝置進(jìn)行了說明，并對部分零件進(jìn)行了設(shè)計計算。此次設(shè)計的屏蔽門電機(jī)數(shù)量更少，結(jié)構(gòu)合理可靠，行進(jìn)平穩(wěn)且噪聲小，能夠?qū)崿F(xiàn)門扇上鈹青銅簧片與門框的壓緊，具有較好的屏蔽和防輻射效能，更適于醫(yī)院放射科室的使用。