铅罐运输车自动交换装置设计及仿真

李荣泳，唐景恒，杨振明

（东莞理工学院 机械工程学院，广东 东莞 523808）

辐射环境下铅罐运输车自动交换装置是靶站的部件之一，由于受辐照对构件材料寿命的影响，该部件需要每5年进行更换一次。更换时，慢化器与反射体需要分段从靶站屏蔽体内的氦容器中吊出，其中插件上段由于活化程度低，可以装在临时屏蔽桶内重复使用，而插件中段和下段由于活化程度较高，则需要一块吊出氦容器，利用输运屏蔽桶，将其运到热室上方，然后通过热室上方的吊装孔，吊入到热室的维护工装台架上，通过热室设备和工装对其进行拆除、分解、封装和更换。

1 设计要求

交换装置的主要作用是把慢化器管取下来和换上新的装上去，布局如图1所示。

图1 交换装置工作布局

在遥控维护系统方案设计中，核心部件的维护操作譬如：组装、拆卸、分解、运输动作都是在靶站屏蔽体相邻的维护热室中使用主从机械手或伺服机械手以及各种工装夹具透过铅玻璃屏蔽窥视窗进行的，而非人员直接操作完成。

交换装置的主要工作内容：根据维护系统平台的功能得出交换装置的工作组成分析如下几方面：

（1）动力机械手拆卸左托架或右托架零件时，交换装置用于相关零件的抓取与固定。

（2）交换装置在工具架上取用下慢化器专用吊具（热室吊车先吊专用吊具，放在交换装置，自动定位夹紧）。

（3）交换装置将专用吊具靠近下慢化器管道，并实现和下慢化器管道之间的自动连接。

（4）交换装置将废弃的慢化器及其管线送到切割机处。

2 结构设计

X方向根据设计要求在运动方向分为X方向可以直行，Y方向横行，Z方向升降，C方向旋转这四个方向的运动。在X方向的设计由于整个空间的限制和布局的关系X方向的直行范围是3750mm，那么地轨的长度为5000mm。

传动上的设计釆用齿轮齿条传动，因为齿轮齿条传动比稳定、工作可靠，寿命长、结构紧凑、传动效率高η可达95%。这些特点刚好适合设计要求。动力源用上伺服电机，传动后加上传感器感应执行行走距离和实际的距离的比较值，这样的定位比较精确。动力输出后经过减速器减小速度，让其达到设计要求速度0.11m/min。为了不超出行程范围，要在两边加上限位开关以确定范围。

Y方向的传动跟X方向的设计类似，同样是走直线运动，横行范围925mm，速度0.12m/min。只是在齿轮齿条传动比不一样，下底轮在设计与限位上与X向相同。

Z方向由于要运交换的零件，受力较大，而且要有自锁功能。升降范围900mm，速度0.01m/min。这里釆用丝杆传动。此向运动为与交换零件相接触的地方，速度与精度要控制得恰好。由电机输出后经过减速器再通过传感器反馈输出的实际值比较与命令的差值，确保定位的准确性。

整体的设计图已完成，如图2所示。

图2 交换装置整体图

3 零件分析优化与标准件选用

支架在总体装置中起重要的支起作用，它的结构与重量都影响整的设计质量，因此要对它进行结构分析。这里主要用solidworks的simulation模块对单个零件在假设整体的条件下分析。

支架材料：45碳钢，在模型上直接测量得活塞推杆的受力面积S为：33664mm2，由设计的最大重量为1.3t则该零件端面的力F为：13000N。所得结果包括。

（1）应力。如图3所示，由应力云图可知，最大应力为7.1Mpa，而普通碳钢一般的强度极限为175Mpa～450Mpa，所以静强度设计符合要求。

（2）位移，零件变形导致的最大静位移为6.407e-2mm。因为本设计定位比较精确，设计要求要达到0.1mm，对比可知符合设计要求。

图3 应力图

定位支架用于取出零件都有很大的支撑及定位作用。现用solidworks对其进行分析优化。

材料选用1：145钢，屈服强度355MPa；材料选用2：35钢，屈服强度315MPa；材料选用3：08F，屈服强度175MPa。

（1）应力。最大应力为54Mpa，为了设计的装置更安全和耐用，所以用45钢，屈服极限为355Mpa，因此静强度设计符合要求。

（2）位移。零件变形导致的最大静位移为0.3mm。设计要求是要达到不大于0.2mm位移。所以不合理。从图中可以看出此零件的结构设计不太合钢度计算容易出现应力集中，而且位移比设计要求大一点。因此在此零件上加上两加强筋，从而改善以减少应力集中和位移减小。

4 总结

结合solidworks三维建模和动画仿真以及有限元分析是机械设计工程师以及工程设计分析人员的结构分析利器。该绘图实体造型形功能强大，直观且严格，修改容易，能快速地查错及快速重定义。利用该软件能大大地提高产品设计工作人员的工作效率。