強核輻射環(huán)境電動叉車設計

摘 ?要：本文分析強核輻射對叉車的影響，在此基礎上對叉車進行適應性的開發(fā)設計，使叉車能夠適應強輻射環(huán)境，在核輻射環(huán)境下正常進行搬運作業(yè)，以便用于核應急事故的處理。

關鍵詞：叉車;核輻射;搬運;遙控

中圖分類號：TM92 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：2096-6903（2021）03-0000-00

0引言

隨著社會的不斷發(fā)展，核能的利用越來越廣，核能的安全利用越來越受到國家和社會的關注。核反應堆退役、核電站檢修、民用核事故應急處理等工作都具有高危險，強放射性特點。叉車作為重要的起重搬運物料設備，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用，核能工業(yè)體系中也使用大量的叉車。叉車具有體積小，轉彎靈活、操控方便等特點，可用于窄小的空間進行搬運作業(yè)。在民用核事故應急處理中，叉車以其小巧靈活的特性，可以承擔開路先鋒的作用，清理道路的障礙物，搬運危險物品等工作。本文研究對叉車產(chǎn)品進行核輻射環(huán)境的適應性開發(fā)，實現(xiàn)遠距離操控，使叉車在強核輻射環(huán)境、微電子元件無法正常作業(yè)的極端環(huán)境下，能夠正常工作，完成作業(yè)任務要求。

1核輻射

核輻射是指在原子核反應過程中如裂變，衰變釋放出的不同能量粒子和電磁輻射，其作用于物質可引起電離和激發(fā)，最主要的核輻射有α粒子，β粒子，γ射線和中子等。高能核輻射對人體、電子設備等產(chǎn)生重大的危害[1]。

2核輻射對人的危害

核輻射嚴重損害人體器官，危害人體的健康，可導致人出現(xiàn)頭暈、頭疼、食欲不振等癥狀，發(fā)展下去會出現(xiàn)白細胞和血小板減少等癥狀。如超劑量的放射性物質長期作用于人體，就能使人患上腫瘤、白血病及遺傳障礙等嚴重的疾病。如果叉車司機駕駛叉車在核輻射環(huán)境下作業(yè)，輻射會對人體的健康導致嚴重的問題。因此在強核磁輻射下作業(yè)，不能采用人駕駛，需采用遠程操控的方式進行作業(yè)。

3核輻射對電子設備的危害

核輻射在一些半導體器件的鈍化層界面上產(chǎn)生電離和缺陷，有時也稱為表面效應。核輻射對不同原理、不同結構和工藝的元件器件又會產(chǎn)生不同的影響。強核輻射引起的電離效應可能會引起電子元件擊穿，形成永久失效，導致設備發(fā)生故障[2]。叉車上，特別是電動叉車上，使用大量的微電子元件和MOS場效應元件。在強核輻射的環(huán)境下，這些元器件很容易受到強輻射的影響，導致電子元件發(fā)生失效故障，車輛無法正常作業(yè)。

4電子設備核輻射防護的主要方法

機械設備防止核輻射的主要方法是屏蔽法，利用核屏蔽材料對元器件屏蔽保護，防止高能射線直接照射在敏感的電氣元件上，達到保護的目的。鉛對高能X 射線和γ射線均有很高的衰減特性，在保護中一般采用鉛作為屏蔽保護材料[3]，阻擋輻射照射在電子元件上。

5強核輻射對電動叉車主要部件的影響分析

5.1蓄電池

叉車一般采用鉛酸蓄電池作為動力，在強輻射環(huán)境下，鉛酸蓄電池仍能夠正常放電，給電氣設備提供電流，滿足車輛工作需求。鋰電池系統(tǒng)內部使用由電子元器件組成的BMS系統(tǒng)，在強輻射環(huán)境下存在被輻射干擾的風險。

5.2控制器

電動叉車控制器為復雜的高度集成的電子器件，內部使用二極管、三極管、CPU、MOS管等電子元件，這些電子元器件在強核輻射下易受到影響，發(fā)生故障，導致車輛停止工作。

5.3電機

叉車使用的電機的功率較大，電流較高，強核輻射對電機產(chǎn)生的電離效應很小，不需對電機進行特別的防護即可在強輻射環(huán)境工作。

5.4電磁閥

電磁閥是利用線圈電流磁效應，推動液壓閥芯運動，控制液壓閥的開啟，電磁閥線圈電流一般在1-2A左右，強磁輻射無法影響其正常動作。

6強核輻射環(huán)境電動叉車設計

6.1總體設計

6.1.1車輛的主要組成

強核輻射環(huán)境電動叉車的結構如圖1所示，由視頻監(jiān)控平臺1、遙控盒2、卷線器3、控制電纜4、視頻系統(tǒng)5、電機控制盒6、液壓泵站7、蓄電池8、車架系統(tǒng)9、液壓系統(tǒng)10、照明系統(tǒng)11、門架系統(tǒng)12等組成。

6.1.2車輛主要功能

行走功能：牽引電機驅動車輛，實現(xiàn)車輛前進后退功能。

EPS電動轉向功能：轉向電機驅動轉向行走單元轉動，實現(xiàn)車輛轉向動作。

門架系統(tǒng)功能：液壓泵輸出高壓液壓油，通過電磁閥的控制，推動油缸運動，實現(xiàn)門架升降運動和傾斜運動。

6.1.3車輛總體性能設計

車輛工作模式：快速行走和慢速行走雙工作模式設計，模式選擇開關切換到快速工作模式時，蓄電池輸出24V電壓，車輛進入快速工作模式，行駛速度5KM/h。工作模式開關切換到慢速工作模式時，蓄電池輸出12V，車輛進入慢速工作模式，車輛最高行駛速度2kM/h。

爬坡性能設計：因場地工況復雜，滿載爬坡度按照15%進行匹配設計，可使車輛滿足大多數(shù)工況。

6.2車架系統(tǒng)設計

車架系統(tǒng)與普通叉車設計一致，不需要根據(jù)核輻射環(huán)境進行特別的設計，車輛滿足整車作業(yè)強度要求即可。

6.3轉向及行走系統(tǒng)設計

電動轉向系統(tǒng)EPS采用直流無刷電機作為動力輸出裝置，采用繼電器橋型電路進行正反轉切換。電流正向時，電機順時針轉動，電流反向時，電機逆時針轉動。轉向電機輸出軸齒輪與動力單元回轉盤通過鏈條連接，驅動車輪左右轉動，實現(xiàn)轉向功能的控制。

如圖2，行走系統(tǒng)采用直流他勵電機作為牽引電機，牽引電機與減速箱、車輪連接，形成行走動力單元。通過切換行走電機勵磁電流的方向，實現(xiàn)車輛前進和后退的控制。

6.4液壓系統(tǒng)設計

（1）液壓泵站設計：泵電機與電磁閥組、液壓油箱集成在一起，形成液壓泵站。設計中采用最容易控制的直流電機作為液壓油泵電機。當接觸器閉合時，蓄電池輸出的電流驅動油泵電機轉動，液壓油泵輸出高壓液壓油，驅動液壓系統(tǒng)工作。

（2）液壓系統(tǒng)設計：液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。液壓泵站1為液壓系統(tǒng)動力源，起升電磁閥3打開時，液壓油進入舉升油缸4，推動門架舉升動作;下降電磁閥2打開時，液壓油回流油箱，液壓油缸下降，門架下降;傾斜電磁閥5線圈YV3通電時，前傾回路導通，門架實現(xiàn)向前傾斜動作;傾斜電磁閥5線圈YV4通電時，后傾回路導通，門架實現(xiàn)后傾斜動作。

6.5控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)在車輛中處于核心的位置，控制系統(tǒng)防輻射設計為整車設計的關鍵，車輛控制原理如圖4所示。為消除強核輻射對控制系統(tǒng)的影響，在車身控制電路部分（在圖1中，電機控制盒6和液壓泵站7）設計中完全避免電子元件的使用。采用繼電器控制電機的方式，實現(xiàn)車輛指令的執(zhí)行。控制盒電源開關SB1、模式選擇開關SB2、行走控制開關SB3、轉向控制開關SB4，上升控制開關SB6、下降控制開關SB5、傾斜控制開關SB7、燈光控制開關SB8設置在遙控盒控制面板上。內部使用二極管實現(xiàn)邏輯的控制關系。操作人員手持遙控盒遠離危險區(qū)域，進行車輛駕駛與控制。

6.6視頻系統(tǒng)設計

車輛上安裝門架攝像頭，左右側面攝像頭，后部攝像頭。門架攝像頭拍攝車輛前部，用于觀察前方路況和貨叉托舉動作情況。左右兩側攝像頭拍攝車輛兩側的障礙物，便于車輛進行轉彎操縱。車輛后部攝像頭拍攝車輛后方路況情況，便于操作人員進行倒車操縱。為防止強輻射對攝像頭內部敏感電子元件的影響，攝像頭外部采用鉛外殼進行保護。視頻信號通過電纜線回傳視頻監(jiān)控平臺，操作人員可以實時觀察車輛的情況。

6.7控制電纜及卷線器

選擇柔軟的電纜線作為控制電纜線，有利于線纜的收卷。線纜外部需有良好的防護層，防止電纜線被地面磨破。使用卷線器對車輛控制電纜進行拉伸與收縮，進行集中管理[4]。車輛往前行駛時，卷線器拉伸出控制電纜，車輛后退時，使用卷線器收卷控制電纜，防止電纜線被車輪壓壞。

7結語

本文介紹的強核輻射環(huán)境電動叉車的結構簡單，抗輻射能力強，操作簡單，經(jīng)濟性好。按照本設計方法設計的叉車產(chǎn)品成功應用于某核應急事故的處理，負責窄小通道內障礙物的清理工作。車輛完全適應強核輻射環(huán)境，順利完成事故處理的工作任務，同時取得良好的社會效益。

參考文獻

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[2]萬欣.功率半導體場效應器件中的輻射效應研究[D].北京：清華大學，2016.

[3]陳守東.鉛基核屏蔽材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景展望[J].材料導報，2011，25（13）：58-60+90.

[4]明富升.磁力耦合式電纜卷線器在龍門吊車上的應用[J].鍋爐制造2016（1）：57+64.

收稿日期：2021-02-08

作者簡介：朱海鋒（1982—），男，廣西容縣人，本科，研究方向：工業(yè)車輛技術。

Abstract： This paper analyzes the main impact of strong nuclear radiation on forklift， and develops and designs the adaptability of forklift， so that forklift can adapt to the strong radiation environment， carry out normal handling operation in the nuclear radiation environment， and can be used to deal with nuclear emergency accidents.

Keywords： forklift;nuclear radiation;handling;remote control