强核辐射环境电动叉车设计

摘  要：本文分析强核辐射对叉车的影响，在此基础上对叉车进行适应性的开发设计，使叉车能够适应强辐射环境，在核辐射环境下正常进行搬运作业，以便用于核应急事故的处理。

关键词：叉车;核辐射;搬运;遥控

中图分类号：TM92       文献标识码：A       文章编号：2096-6903（2021）03-0000-00

0引言

随着社会的不断发展，核能的利用越来越广，核能的安全利用越来越受到国家和社会的关注。核反应堆退役、核电站检修、民用核事故应急处理等工作都具有高危险，强放射性特点。叉车作为重要的起重搬运物料设备，在工业生产中具有重要的作用，核能工业体系中也使用大量的叉车。叉车具有体积小，转弯灵活、操控方便等特点，可用于窄小的空间进行搬运作业。在民用核事故应急处理中，叉车以其小巧灵活的特性，可以承担开路先锋的作用，清理道路的障碍物，搬运危险物品等工作。本文研究对叉车产品进行核辐射环境的适应性开发，实现远距离操控，使叉车在强核辐射环境、微电子元件无法正常作业的极端环境下，能够正常工作，完成作业任务要求。

1核辐射

核辐射是指在原子核反应过程中如裂变，衰变释放出的不同能量粒子和电磁辐射，其作用于物质可引起电离和激发，最主要的核辐射有α粒子，β粒子，γ射线和中子等。高能核辐射对人体、电子设备等产生重大的危害[1]。

2核辐射对人的危害

核辐射严重损害人体器官，危害人体的健康，可导致人出现头晕、头疼、食欲不振等症状，发展下去会出现白细胞和血小板减少等症状。如超剂量的放射性物质长期作用于人体，就能使人患上肿瘤、白血病及遗传障碍等严重的疾病。如果叉车司机驾驶叉车在核辐射环境下作业，辐射会对人体的健康导致严重的问题。因此在强核磁辐射下作业，不能采用人驾驶，需采用远程操控的方式进行作业。

3核辐射对电子设备的危害

核辐射在一些半导体器件的钝化层界面上产生电离和缺陷，有时也称为表面效应。核辐射对不同原理、不同结构和工艺的元件器件又会产生不同的影响。强核辐射引起的电离效应可能会引起电子元件击穿，形成永久失效，导致设备发生故障[2]。叉车上，特别是电动叉车上，使用大量的微电子元件和MOS场效应元件。在强核辐射的环境下，这些元器件很容易受到强辐射的影响，导致电子元件发生失效故障，车辆无法正常作业。

4电子设备核辐射防护的主要方法

机械设备防止核辐射的主要方法是屏蔽法，利用核屏蔽材料对元器件屏蔽保护，防止高能射线直接照射在敏感的电气元件上，达到保护的目的。铅对高能X 射线和γ射线均有很高的衰减特性，在保护中一般采用铅作为屏蔽保护材料[3]，阻挡辐射照射在电子元件上。

5强核辐射对电动叉车主要部件的影响分析

5.1蓄电池

叉车一般采用铅酸蓄电池作为动力，在强辐射环境下，铅酸蓄电池仍能够正常放电，给电气设备提供电流，满足车辆工作需求。锂电池系统内部使用由电子元器件组成的BMS系统，在强辐射环境下存在被辐射干扰的风险。

5.2控制器

电动叉车控制器为复杂的高度集成的电子器件，内部使用二极管、三极管、CPU、MOS管等电子元件，这些电子元器件在强核辐射下易受到影响，发生故障，导致车辆停止工作。

5.3电机

叉车使用的电机的功率较大，电流较高，强核辐射对电机产生的电离效应很小，不需对电机进行特别的防护即可在强辐射环境工作。

5.4电磁阀

电磁阀是利用线圈电流磁效应，推动液压阀芯运动，控制液压阀的开启，电磁阀线圈电流一般在1-2A左右，强磁辐射无法影响其正常动作。

6强核辐射环境电动叉车设计

6.1总体设计

6.1.1车辆的主要组成

强核辐射环境电动叉车的结构如图1所示，由视频监控平台1、遥控盒2、卷线器3、控制电缆4、视频系统5、电机控制盒6、液压泵站7、蓄电池8、车架系统9、液压系统10、照明系统11、门架系统12等组成。

6.1.2车辆主要功能

行走功能：牵引电机驱动车辆，实现车辆前进后退功能。

EPS电动转向功能：转向电机驱动转向行走单元转动，实现车辆转向动作。

门架系统功能：液压泵输出高压液壓油，通过电磁阀的控制，推动油缸运动，实现门架升降运动和倾斜运动。

6.1.3车辆总体性能设计

车辆工作模式：快速行走和慢速行走双工作模式设计，模式选择开关切换到快速工作模式时，蓄电池输出24V电压，车辆进入快速工作模式，行驶速度5KM/h。工作模式开关切换到慢速工作模式时，蓄电池输出12V，车辆进入慢速工作模式，车辆最高行驶速度2kM/h。

爬坡性能设计：因场地工况复杂，满载爬坡度按照15%进行匹配设计，可使车辆满足大多数工况。

6.2车架系统设计

车架系统与普通叉车设计一致，不需要根据核辐射环境进行特别的设计，车辆满足整车作业强度要求即可。

6.3转向及行走系统设计

电动转向系统EPS采用直流无刷电机作为动力输出装置，采用继电器桥型电路进行正反转切换。电流正向时，电机顺时针转动，电流反向时，电机逆时针转动。转向电机输出轴齿轮与动力单元回转盘通过链条连接，驱动车轮左右转动，实现转向功能的控制。

如图2，行走系统采用直流他励电机作为牵引电机，牵引电机与减速箱、车轮连接，形成行走动力单元。通过切换行走电机励磁电流的方向，实现车辆前进和后退的控制。

6.4液压系统设计

（1）液压泵站设计：泵电机与电磁阀组、液压油箱集成在一起，形成液压泵站。设计中采用最容易控制的直流电机作为液压油泵电机。当接触器闭合时，蓄电池输出的电流驱动油泵电机转动，液压油泵输出高压液压油，驱动液压系统工作。

（2）液压系统设计：液压系统原理图如图3所示。液压泵站1为液压系统动力源，起升电磁阀3打开时，液压油进入举升油缸4，推动门架举升动作;下降电磁阀2打开时，液压油回流油箱，液压油缸下降，门架下降;倾斜电磁阀5线圈YV3通电时，前倾回路导通，门架实现向前倾斜动作;倾斜电磁阀5线圈YV4通电时，后倾回路导通，门架实现后倾斜动作。

6.5控制系统设计

控制系统在车辆中处于核心的位置，控制系统防辐射设计为整车设计的关键，车辆控制原理如图4所示。为消除强核辐射对控制系统的影响，在车身控制电路部分（在图1中，电机控制盒6和液压泵站7）设计中完全避免电子元件的使用。采用继电器控制电机的方式，实现车辆指令的执行。控制盒电源开关SB1、模式选择开关SB2、行走控制开关SB3、转向控制开关SB4，上升控制开关SB6、下降控制开关SB5、倾斜控制开关SB7、灯光控制开关SB8设置在遥控盒控制面板上。内部使用二极管实现逻辑的控制关系。操作人员手持遥控盒远离危险区域，进行车辆驾驶与控制。

6.6视频系统设计

车辆上安装门架摄像头，左右侧面摄像头，后部摄像头。门架摄像头拍摄车辆前部，用于观察前方路况和货叉托举动作情况。左右两侧摄像头拍摄车辆两侧的障碍物，便于车辆进行转弯操纵。车辆后部摄像头拍摄车辆后方路况情况，便于操作人员进行倒车操纵。为防止强辐射对摄像头内部敏感电子元件的影响，摄像头外部采用铅外壳进行保护。视频信号通过电缆线回传视频监控平台，操作人员可以实时观察车辆的情况。

6.7控制电缆及卷线器

选择柔软的电缆线作为控制电缆线，有利于线缆的收卷。线缆外部需有良好的防护层，防止电缆线被地面磨破。使用卷线器对车辆控制电缆进行拉伸与收缩，进行集中管理[4]。车辆往前行驶时，卷线器拉伸出控制电缆，车辆后退时，使用卷线器收卷控制电缆，防止电缆线被车轮压坏。

7结语

本文介绍的强核辐射环境电动叉车的结构简单，抗辐射能力强，操作简单，经济性好。按照本设计方法设计的叉车产品成功应用于某核应急事故的处理，负责窄小通道内障碍物的清理工作。车辆完全适应强核辐射环境，顺利完成事故处理的工作任务，同时取得良好的社会效益。

参考文献

[1]吳来安.国外半导体器件的抗幅射研究[J].半导体情报，1972（5）：1-9.

[2]万欣.功率半导体场效应器件中的辐射效应研究[D].北京：清华大学，2016.

[3]陈守东.铅基核屏蔽材料的研究现状及发展前景展望[J].材料导报，2011，25（13）：58-60+90.

[4]明富升.磁力耦合式电缆卷线器在龙门吊车上的应用[J].锅炉制造2016（1）：57+64.

收稿日期：2021-02-08

作者简介：朱海锋（1982—），男，广西容县人，本科，研究方向：工业车辆技术。

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