行波电子直线加速器鼓式机架的传动设计

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医用电子直线加速器是当代肿瘤放疗的主要设备，主要分为行波加速结构与驻波加速结构。行波加速结构的束流负载特性、频率特性、温度特性相对缓和，极限场强高不易击穿，能谱特性好，射频- 电子束能量转换效率高等优点，在外部条件相同时能获得更好的关键性指标；但行波加速结构的空间尺寸较大，按 16MV双光子设计的行波加速管有2m多长。目前加速器的机架主要有转轴式机架与鼓式机架两种 ，根据行波加速管结构特点，如果采用转轴式机架就会悬臂很长，偏心力矩大，对回转轴承和支撑结构的承载能力与加工精度要求很高，而鼓式机架则将行波加速管置于机架的腹腔内，与机架转动部分成为-个整体。而且，鼓式机架等中心精度很容易达到小于 1mm的精度要求，并且在加速器的长期运行中，等中心精度可以保持长期稳定。因此，行波加速结构的电子直线加速器的机架优先采用鼓式机架。

2 鼓式机架的传动特点鼓式机架的末级传动属于圆柱摩擦轮传动，该传动方式具有结构简单、维修方便、传动平衡、噪声低及过载保护等优点。加速器的机架旋转速度较低，转速范围为0.60/s～6o/s，由于鼓式机架的末级传动比较大，则驱动机构的减速比较小，相应的减速器结构简单，减速器的体积与重量明显减小，收稿日期：2013-06-13医疗装备2013第 9期机架驱动的可靠性好、价格低。鼓式机架的传动布局如图 1所示。

3 鼓式机架的传动设计3.1 研究对象鼓式机架的传动主要包括末级的圆柱摩擦轮传动、平行轴外啮合渐开线圆柱直齿轮传动及行星齿轮传动。平行轴外啮合渐开线圆柱直齿轮传动属于常用的齿轮计算方式，行星齿轮传动则主要根据电机转速、机架转速、驱动功率等因素选择相关厂商的货架产品，不作为本文的研究对象，本文主要对鼓式机架末级传动的设计进行研究。

鼓式机架图 1 鼓式机架的传动布局3.2 材料选择摩擦轮传动的主要失效形式是疲劳点蚀和磨损，要求摩擦轮材料具有高的接触疲劳强度和耐磨性、摩擦系数大、高的弹性模量。

如 图 2所 示，鼓 式 机 架 直 径 (D2) 为2080mm，轮缘宽度 (b)为 80mm，机架总宽为800mm，驱动轮直径 (D1)为400ram，机架本身及安装在机架上面的各部件总重量有数吨之重，特别要求机架在 ±185。的旋转范围内保持等中心精度小于 1mm，因此，主动轮与从动轮的材质都采用金属材料。

加速器机架的转速低，主动轮兼具传动与支承的作用，尺寸相对较小，易于加工，在传动过程中相对于从动轮的接触频次低高，因此，主动轮选用淬火钢 GCrl5。鼓式机架兼具从动轮与器件安装机架的作用，结构尺寸较大，考虑加工的可行性与经济性，采用焊接结构，要求机架材料具有焊接性能、加工性能与热处理性能好，因此，机架选用低合金高强度结构钢 Q345A。

圈2 最式机架的传动衙图机构中瞬时输入速度与输出速度的比值称为机构的传动比，对于摩擦轮传动，其传动比就是主动轮转速与从动轮转速的比值。传动比用符号 i表示 ，表达式为： l (1-1)凡2式中：n1--主动轮转速，r/rain；n2--从动轮转速，r/min。

如图2所示，传动时如果两摩擦轮在接触处P点没有相对滑移，则两轮在P点处的线速度相等，即 vlv2。

因 (m/s)27rD2凡2， 、2 -100-60 L rn/。J所以n D ：凡：D 或 Fbl D2由此可知，两摩擦轮的转速之比等于它们直径的反比。与式 (1-1)比较，则鼓式机架传动比为：. l Dl 2080-Dz -400式中：D --主动轮直径，400mm；D --从动轮直径，2080mm。

3.4 法向压紧力计算从鼓式机架传动简图 (图2)中可知，鼓式机架支承在两只轮子上，当两轮跨度 (L)越大时，机架的等中心高度 (o2相对对地面高度)就越低，两轮支承的接触点 (P)间的距离越大，机架的稳定性也就越高，但支承轮上的法向压紧力 (Fn)也就越大，对机架轮缘、支承轮与支承轴的材料与加工要求也就越高。因此，选择适当的支承轮跨度，是对机架等中心高度、机架的稳定性、机架材料与加工的综合平衡的结果。

由理论力学可知，鼓式机架及其上安装部件的重量之和等于各支承轮在接触点 (P)处的法 向压紧力 (rn)的垂直方向上的分力之和。

已知鼓式机架及其上安装的各部件重量如下表所示 ：表 1序号 项目名称 质量 (kg)l 鼓 l8002 支臂 2603 加速管组件 3804 偏转系统 805 微波 1006 治疗头 5o07 屏蔽铅 6508 配电盘 809 电源 。8010 控制箱 loo11 电缆 5012 绕线盘 ( 8013 小配重 36014 配重组件 16o015 主变压器 (2只) 200l6 3A架等 5017 治疗附件 50合计 6420由鼓式机架的传动布局 (图1)可知，鼓式机Medical Equipment Vo1.26.Nn 9架及其上安装各部件的总重量由4只轮子共同支承，每只轮子支承的重量为总重量的1/4，即1605kg。

如图 2所示，支承轮上的法向压紧力 (Fn)与重力 (G)之间的夹角为 ，其相互关系为：： ： ：璺4c0. 万4 × - - - - - 1于：- (1-2)√(D1D2) -(D1JD2)式中 D --主动轮直径，400ram；D2--从动轮直径，2080mm；G--鼓式机架及其上安装各部件的总重量，6420kg；L--两轮跨度，1422mm。

则法向压紧力为：： ：箜 ： ：箜 Q二卫至(D1D2) (4002080) 19199 (N)3.5 最大接触应力计算轴线平行的两圆柱体接触时，变形前二者沿-条直线接触，受压力后，接触处发生了弹性变形，接触线变成了-定宽度的矩形面，接触面上的单位压力按椭圆柱规律分布，如图3。

图3 两圆柱体接触其最大接触应力or 遵循赫兹定律，即O"Hm医疗装备 2013第9期(1-3)根据 3.2材料选择要求可知，鼓式机架与驱动轮均为钢， 1 20.3；EE1E2206 (GPa)由3.4计算可得，单只支承轮上的压紧力 F为19199(N)由加速等中心、机架布局、传动 比等条件限制，式 (1-3)中，p1200mm ，P21040mm，b80mm比较式 (1-3)及已知条件得：综合曲率半径p 半 20 x 1040P2 Z，U。 p1十 十lu斗u168(mm)线性载荷q詈 240(N/mm)接触应力 o.4 √警0.418×f240 x206 x109· 0.23 (MPa)计及机架前后重量不平衡及装配、 加工误差引起的 附 加 接 触 应 力 系 数 2，则 接 触 应 力 为0.46MPa，远小于-般钢的许用接触应力 320MPa。

4 结论本文对行波电子直线加速器的结构特点进行了分析，论述了采用鼓式传动机架的优点。根据机架等中心精度要求、机架转速要求及鼓式机架的传动特点，确定摩擦轮选用金属材质。再依据机架等中心参数及结构布局参数，计算出鼓式机架的传动比。最后，赫兹定律计算轴线平行的两圆柱体接触应力，在考虑机架不平衡、加工误差和装配误差等引起的附加接触应力系数后，即使采用常用钢材也能满足接触应力要求。

因此，通过以上分析与计算结果可知，鼓式机架在设计加工时可考虑选用常用金属材料，既满足了性能要求，又降低了加速器的制造成本。