鉛罐運(yùn)輸車(chē)自動(dòng)交換裝置設(shè)計(jì)及仿真

李榮泳，唐景恒，楊振明

（東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808）

輻射環(huán)境下鉛罐運(yùn)輸車(chē)自動(dòng)交換裝置是靶站的部件之一，由于受輻照對(duì)構(gòu)件材料壽命的影響，該部件需要每5年進(jìn)行更換一次。更換時(shí)，慢化器與反射體需要分段從靶站屏蔽體內(nèi)的氦容器中吊出，其中插件上段由于活化程度低，可以裝在臨時(shí)屏蔽桶內(nèi)重復(fù)使用，而插件中段和下段由于活化程度較高，則需要一塊吊出氦容器，利用輸運(yùn)屏蔽桶，將其運(yùn)到熱室上方，然后通過(guò)熱室上方的吊裝孔，吊入到熱室的維護(hù)工裝臺(tái)架上，通過(guò)熱室設(shè)備和工裝對(duì)其進(jìn)行拆除、分解、封裝和更換。

1 設(shè)計(jì)要求

交換裝置的主要作用是把慢化器管取下來(lái)和換上新的裝上去，布局如圖1所示。

圖1 交換裝置工作布局

在遙控維護(hù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，核心部件的維護(hù)操作譬如：組裝、拆卸、分解、運(yùn)輸動(dòng)作都是在靶站屏蔽體相鄰的維護(hù)熱室中使用主從機(jī)械手或伺服機(jī)械手以及各種工裝夾具透過(guò)鉛玻璃屏蔽窺視窗進(jìn)行的，而非人員直接操作完成。

交換裝置的主要工作內(nèi)容：根據(jù)維護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)的功能得出交換裝置的工作組成分析如下幾方面：

（1）動(dòng)力機(jī)械手拆卸左托架或右托架零件時(shí)，交換裝置用于相關(guān)零件的抓取與固定。

（2）交換裝置在工具架上取用下慢化器專(zhuān)用吊具（熱室吊車(chē)先吊專(zhuān)用吊具，放在交換裝置，自動(dòng)定位夾緊）。

（3）交換裝置將專(zhuān)用吊具靠近下慢化器管道，并實(shí)現(xiàn)和下慢化器管道之間的自動(dòng)連接。

（4）交換裝置將廢棄的慢化器及其管線(xiàn)送到切割機(jī)處。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

X方向根據(jù)設(shè)計(jì)要求在運(yùn)動(dòng)方向分為X方向可以直行，Y方向橫行，Z方向升降，C方向旋轉(zhuǎn)這四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。在X方向的設(shè)計(jì)由于整個(gè)空間的限制和布局的關(guān)系X方向的直行范圍是3750mm，那么地軌的長(zhǎng)度為5000mm。

傳動(dòng)上的設(shè)計(jì)釆用齒輪齒條傳動(dòng)，因?yàn)辇X輪齒條傳動(dòng)比穩(wěn)定、工作可靠，壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高η可達(dá)95%。這些特點(diǎn)剛好適合設(shè)計(jì)要求。動(dòng)力源用上伺服電機(jī)，傳動(dòng)后加上傳感器感應(yīng)執(zhí)行行走距離和實(shí)際的距離的比較值，這樣的定位比較精確。動(dòng)力輸出后經(jīng)過(guò)減速器減小速度，讓其達(dá)到設(shè)計(jì)要求速度0.11m/min。為了不超出行程范圍，要在兩邊加上限位開(kāi)關(guān)以確定范圍。

Y方向的傳動(dòng)跟X方向的設(shè)計(jì)類(lèi)似，同樣是走直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，橫行范圍925mm，速度0.12m/min。只是在齒輪齒條傳動(dòng)比不一樣，下底輪在設(shè)計(jì)與限位上與X向相同。

Z方向由于要運(yùn)交換的零件，受力較大，而且要有自鎖功能。升降范圍900mm，速度0.01m/min。這里釆用絲桿傳動(dòng)。此向運(yùn)動(dòng)為與交換零件相接觸的地方，速度與精度要控制得恰好。由電機(jī)輸出后經(jīng)過(guò)減速器再通過(guò)傳感器反饋輸出的實(shí)際值比較與命令的差值，確保定位的準(zhǔn)確性。

整體的設(shè)計(jì)圖已完成，如圖2所示。

圖2 交換裝置整體圖

3 零件分析優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)件選用

支架在總體裝置中起重要的支起作用，它的結(jié)構(gòu)與重量都影響整的設(shè)計(jì)質(zhì)量，因此要對(duì)它進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。這里主要用solidworks的simulation模塊對(duì)單個(gè)零件在假設(shè)整體的條件下分析。

支架材料：45碳鋼，在模型上直接測(cè)量得活塞推桿的受力面積S為：33664mm2，由設(shè)計(jì)的最大重量為1.3t則該零件端面的力F為：13000N。所得結(jié)果包括。

（1）應(yīng)力。如圖3所示，由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力為7.1Mpa，而普通碳鋼一般的強(qiáng)度極限為175Mpa～450Mpa，所以靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求。

（2）位移，零件變形導(dǎo)致的最大靜位移為6.407e-2mm。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)定位比較精確，設(shè)計(jì)要求要達(dá)到0.1mm，對(duì)比可知符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 應(yīng)力圖

定位支架用于取出零件都有很大的支撐及定位作用。現(xiàn)用solidworks對(duì)其進(jìn)行分析優(yōu)化。

材料選用1：145鋼，屈服強(qiáng)度355MPa；材料選用2：35鋼，屈服強(qiáng)度315MPa；材料選用3：08F，屈服強(qiáng)度175MPa。

（1）應(yīng)力。最大應(yīng)力為54Mpa，為了設(shè)計(jì)的裝置更安全和耐用，所以用45鋼，屈服極限為355Mpa，因此靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求。

（2）位移。零件變形導(dǎo)致的最大靜位移為0.3mm。設(shè)計(jì)要求是要達(dá)到不大于0.2mm位移。所以不合理。從圖中可以看出此零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合鋼度計(jì)算容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，而且位移比設(shè)計(jì)要求大一點(diǎn)。因此在此零件上加上兩加強(qiáng)筋，從而改善以減少應(yīng)力集中和位移減小。

4 總結(jié)

結(jié)合solidworks三維建模和動(dòng)畫(huà)仿真以及有限元分析是機(jī)械設(shè)計(jì)工程師以及工程設(shè)計(jì)分析人員的結(jié)構(gòu)分析利器。該繪圖實(shí)體造型形功能強(qiáng)大，直觀(guān)且嚴(yán)格，修改容易，能快速地查錯(cuò)及快速重定義。利用該軟件能大大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作人員的工作效率。