医用自动屏蔽门结构设计

蔡蝶,葛斌,张静,高星煜,祁欢

（上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学工程，上海 200093）

在现代医学治疗和检测过程中，有时需要使用到射线和一些放射材料，有研究表明长期接受X射线会对人体造成一定的伤害，主要表现为植物神经功能紊乱，造血功能低下，进而出现内部器官功能的失调等。CT室是医院放射科的一个重要辅助科室，为避免其他患者和工作人员受辐射侵害以及防止医疗设备受电磁干扰，CT室在设计时要达到防辐射的效果，而屏蔽门是影响整个CT室屏蔽效果最重要的部位，也是整个房间中最为薄弱的环节，因此保持CT室门的屏蔽效能的稳定性尤为重要。当前医用屏蔽门的运动结构主要可以分为弧形轨道设计和平直轨道设计，其中弧形轨道设计是在机电梁的驱动下，门扇在平移运动过程中由轨道进行导向逐渐向门框靠近，并且门扇的重心也随之下沉，这样便可以实现活动门扇四周的密封条与门框的紧密压紧；平直轨道设计是通过活动门扇平移运行——垂直运行——内藏式局部下沉三步运行程序，使门扇四周的密封条受到挤压，以实现门体的密封效果。但弧形轨道结构的设计长期运动会使得密封条磨损严重，使得密封效果下降，而平直轨道设计存在的内藏式局部下沉装置也会使得密封条磨损严重。这两种屏蔽门运动只是实现了防辐射的效果，而未能同时兼顾防电磁干扰和防辐射功能。本项目采用铍青铜簧片，其在通过电流的情况下能够同时实现防电磁干扰、防屏蔽的效果；活动门扇采用以铅为主要功能材料，以不锈钢为支撑材料制作的特属铅门，门体重约500kg。由于门体质量较大，依靠人力进行开启与关闭较为不便，因此本项目特设计一种自动屏蔽门结构，以实现活动门扇的平移运动和铍青铜簧片的压紧运动，达到预期效果。

1 总体设计

本文需要设计一种全自动防辐射屏蔽推进门，该门需要满足以下各项功能：一是防辐射屏蔽推进门要具有安装承载装置；二是防辐射屏蔽推进门须有驱动执行结构；三是防辐射屏蔽门必须要实现门体上铍青铜簧片与门框的压紧，以能够同时实现防电磁干扰与防辐射的功能。在实现各个功能的前提下，还要解决防辐射屏蔽门的承重问题以及保证屏蔽门在运动过程中的平稳性与安全性。

图1 屏蔽门整体结构图

因此本设计采用步进电机驱动带动同步带实现水平方向的平移运动（设为X方向），以保证运动的平稳性；电机驱动滚珠丝杠实现水平方向垂直于门框进给压紧运动（设为Y方向），以能够实现门扇与门框的紧密压紧，图1为屏蔽门整体结构图。

该医用自动屏蔽门的开启与闭合工作原理为：在关门时，工作人员触发关门按钮，电机通过主动轮带动同步带顺时针转动，吊轨内滑轮在同步带的牵引下在轨道内滚动，从而带动门扇在平行于墙体方向上实现平移运动，当门扇到运动到与门框相对位置时，与同步带轮配套的电机停止工作；此时丝杠电机开始运行，将丝杠的旋转运动转为滑台的直线运动，带动门扇在Y轴方向实现进给运动，从而实现门扇上铍青铜簧片与门框的压紧；丝杠电机停止工作，这时为门框上的电磁锁紧装置进行通电，电磁锁会产生强大的吸力将门扇与门框紧密贴合，从而达到防辐射和防电磁干扰的目的。

开门工作原理：此时门处于紧闭状态，工作人员触发开门按钮。首先给电磁铁断电，电磁锁失去吸力后，电机驱动滚珠丝杠，使得门扇沿Y轴反方向运动，退出门框，滚珠丝杠电机停止工作，同步带电机通电带动同步带逆时针转动，门扇沿X轴方向向右运动，直到完全打开。

2 重要结构设计

2.1 承载机构

承载机构由型材安装架、滑轮吊轨装置、丝杠滑台等组成，起到承重、固定各个零件的作用。图2为承载机构结构示意图。

型材安装架：同步轮装置直接安装在型材安装架上，将型材安装架固定在墙面上。

滑轮吊轨装置：滑轮固定在吊轨固定座上，并固定在型材安装架上，其上装有滑轮与门体 Y 方向进给装置。

丝杠滑台：与滚珠丝杠连接，在丝杠的传动下，通过携门夹带动门扇进行压紧运动。

图2 承载机构结构示意图

考虑到滚珠丝杠不能承重的问题，在丝杠两端各安装有一根光轴导轨，通过滚珠直线轴承与丝杠滑台配合连接，以减小在滑台运动过程中摩擦力。在丝杠及光轴导轨的两端安装有固定支架以作为承重部件的支点，滑台下方通过携门夹将门扇固定。

2.2 驱动机构

驱动机构主要包括同步带轮驱动装置、滚珠丝杠驱动装置等，在单片机控制系统的指令下，步进电机带动同步带以及滚珠丝杠的传动，实现屏蔽门的平移运动和压紧运动。图3驱动结构示意图。

图3 驱动结构示意图

同步带轮驱动装置主要包括主动带轮装置以及从动带轮装置。同步带为封闭的环形带，具有相同的间隔齿，由主动带轮装置带动其运动，主动带轮装置包括电机、主动轮、同步带、固定板，电机与主动轮固定在型材安装架上。电机通过主动轮将力传递给同步带，进而通过连接装置带动门扇在水平X方向运动；从动带轮装置包括从动轮和固定板，从动轮将固定在型材安装架上，随主动轮运动。

同步带有以下几项特点：①传动比恒定、工作时不滑动；②传动平稳，具有缓冲、低噪声，减振能力；③传动效率高，达到98%，具有明显的节能效果；④维护方便，无润滑，维护成本低；⑤速度比范围大，具有较大的功率传递范围；⑥相对于V型传送带，其预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。

滚珠丝杠驱动装置：该装置主要包括电机、滚珠丝杠、丝杠滑台、光轴导轨等零件。其中滚珠丝杠主要是将电机的旋转运动转化为丝杠滑台的直线运动，实现进给压紧运动。

滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反相器防尘器组成，是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将回转运动转换成线性运动。

滚珠丝杠的特点为：①摩擦损失小、传动效率高。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间由很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率；②可实现高速进给和微进给。滚珠丝杠利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给；③定位精度和重复定位精度高。由于滚珠丝杠副摩擦小、升温小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度；④工作寿命长。滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度（HRC58—62）、高精度材料，具有较长的工作寿命和精度保障性。寿命约为滑动丝杠副的4～10倍以上；⑤不能自锁、具有传动的可逆性。

2.3 磁吸装置

在门框上安装有电磁锁紧装置，当门扇运动到指定位置后，给电磁锁通电，利用电生磁的原理，当电流通过硅钢片时，电磁锁会产生强大的吸力紧紧的吸住吸附门扇上的铁板达到锁门的效果。当需要开门时，给电磁铁断电，电磁锁失去吸力即可进行开门动作。

3 屏蔽门分析计算

3.1 同步带传动计算

3.2 电机驱动滚珠丝杠计算

3.3 丝杠校核

刚度验算：滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为：

4 结语

本项目针对传统防辐射屏蔽门的缺陷，设计了一种能够同时实现对电磁与射线屏蔽的自动门结构，主要对屏蔽门的驱动结构与承载装置进行了说明，并对部分零件进行了设计计算。此次设计的屏蔽门电机数量更少，结构合理可靠，行进平稳且噪声小，能够实现门扇上铍青铜簧片与门框的压紧，具有较好的屏蔽和防辐射效能，更适于医院放射科室的使用。