大功率转耙电子加速器辐照储运系统的创新设计与研究

蔡文轩，祁海波，路泽永，邓志高

(1.河北省工业数据通信与自动化仪表应用技术研发中心，河北 承德 067000；2.承德技师学院 经济与现代服务系，河北 承德 067000；3.承德华实机电设备制造有限责任公司，河北 承德 067000)

大功率转耙电子加速器辐照储运系统的创新设计与研究

蔡文轩1，祁海波2，路泽永1，邓志高3

(1.河北省工业数据通信与自动化仪表应用技术研发中心，河北 承德 067000；2.承德技师学院 经济与现代服务系，河北 承德 067000；3.承德华实机电设备制造有限责任公司，河北 承德 067000)

基于比例传动技术和机械取功技术的特点，创新设计双环线反向积放输送方式在大功率转耙电子加速器辐照储运系统中的应用。从满足辐照加工工艺的要求及辐照防护的角度出发，系统阐述了大功率转耙电子加速器辐照储运系统的机械结构设计、电气控制策略和加速器互锁控制保护等诸方面内容。研究开发实践表明，双环线反向积放输送方式提高了系统可靠性及设备使用寿命，提高了储运系统运行的精确性和稳定性，也满足大功率转耙电子辐照加速器辐照工艺要求。

转靶加速器；辐照；双环线反向积放；比例传动；机械取功

辐照加工是利用放射性同位素释放的高能射线或电子加速器产生的高能电子束作用到被辐照物上，使被辐照物的物理性能和化学组成发生变化的加工手段。放射性同位素穿透性强，但有辐射危害和核废料产生等问题；高能电子束没有核废料产生的问题，但穿透性较弱；X射线具有穿透性强、剂量深度分布均匀、射线能量高、方向集中、射线源不会衰减、利用率高、安全可控以及经济优势长远等特点[1-3]。辐照加工行业中一种称为转换靶的装置可将高能电子束流转换为X射线，这种加速器产生的高能电子束打靶产生的X射线成为辐照加工领域又一种广泛应用的辐照源。过去由于辐照功率高时X射线转换效率较低，限制了转靶加速器在辐照行业的应用，随着转换靶技术的提高，这种集中综合了高能电子束和X射线辐照优点的转靶加速器辐照将成为行业发展的趋势[4，5]。

辐照储运系统是连接辐照装置的高放射区和非放射区的纽带，由于它的使用而使工作人员与辐射源隔开，是最重要的安全措施。同时，储运系统的构成设计、运行方式及控制方式等与被辐照物受照剂量均匀度、射线利用率、输送能力等对产品质量及生产效益有着及其重要的影响。本文重点研究大功率电子加速器经转靶后，对辐照储运系统的要求及特点，设计被辐照物的传输方式与工程实现。

1 辐照储运系统的传输方式

不同辐射源及辐照工艺对储运系统有不同的要求，例如单面辐照、双面辐照、一次通过或多次通过，它们都与被辐照产品的包装、密度及对均匀性要求的不同而不同，因而对储运系统的传输方式提出了不同的要求[6]。

采用放射源的不同，辐照储运系统传输方式也不尽相同。单板源γ辐照传输系统，为了使被辐照物受照剂量均匀，要求在最靠近板源的两路间，将装载被照物的吊篮水平旋转180度，主要有水平纵横推移式和可逆道岔翻转式。水平纵横推移式是通过吊篮的纵横平移，使吊篮相对单板源翻转，但水平纵横推移的动力通常采用气动和液压两种，并需要诸多电器信号的配合，而气缸、油缸、电器开关、电线电缆等材料目前在射线下都存在辐照老化问题，使设备出现无规则故障，影响设备的正常使用。可逆道岔翻转式，翻转的动力取自积放式输送机的牵引链条，小车组的首车和尾车具有相同的功能，助推链和道岔实现首车和尾车的变换，设备为单纯机械结构，解决了辐照老化问题。

高能电子辐照加速器束下传输系统，加速器作为电子束辐照源，所能产生的剂量率要比钴-60γ辐照源高出3～4个数量级，因而可以缩短照射时间，提高生产效率，适于大批量的辐照加工。传输系统主要由束下自动升降机构、被辐照物自动水平垂直翻面装置、输入输出辊机、自动对中机构、自动控制系统等组成。

伴随高能电子辐照加工领域中转换靶技术的提高，研究开发新的辐照储运系统，以更好地适应大功率转靶电子加速器辐照加工工艺的要求和需要。

2 大功率转耙电子加速器辐照储运系统设计

大功率转耙电子加速器辐照储运系统，是根据转靶电子加速器辐照特点，利用反向积放输送系统载货小车组运载量大、能够自动运行、自动停止、积放、分流、合流等优点，采用机械取功及比例传动技术，研制开发双环线反向积放辐照储运系统，其主环线负责被辐照物传输、储存、分类，副环线负责被辐照物无间隙密集排列通过射线照射，如图1所示。

2.1 反向积放输送系统结构及特点

反向积放输送系统特点是输送物品在传输设备的上方，使润滑脂及其它脏物不会掉落在输送物品上，最大限度的降低了输送物品的污染。运行轨道采用4槽钢双层轨道形式，牵引链条在下层运行，载货小车在上层运行，使载货小车组和牵引链条形成即紧密配合又相对独立的两个系统。达到载货小车组按工艺要求的状态自动运行、停止、积放、分流、合流的目的。

反向积放输送系统由轨道、牵引链条、驱动装置、张紧装置、积放小车组、停止器、道岔、直线传递装置等部件组成。牵引链条由滑架支承沿牵引轨运行，装载输送货物的支具由承载车组支承，在链条推头的推动下，沿承载轨道行走。

1)牵引链条

牵引链条是链式输送机传动机构的主要部分，链条由精密模锻件外链片、内链片、销轴、推杆外链片、链支承小车组成，这些件由优质合金结构钢，均经过热处理制成，因此具有良好的综合机械性能、高可靠性和抗辐照性。牵引链条由和内链片连接的滑架支承。

2)驱动装置

驱动装置由用于安装电机减速机的活动支架和安装驱动链条、驱动链轮、张紧链轮等的机架两部分组成。采用变频调速，以实现不同的速度输出。

3)张紧装置

张紧装置是吸收牵引链条从传动装置绕出时所产生的松弛(如因链条磨损、温度变化等原因)并使其保持一定张力的装置。张紧装置总是布置在驱动装置的绕出端并靠近驱动装置的位置上。

4)积放小车组

反向积放输送系统内，支具与在承载轨道中运行的载货小车相连接。积放小车组是沿输送线路运行的唯一物体。积放小车组的前小车具有与牵引链条啮合或脱开啮合的功能。前小车在牵引链条上的推头的带动下在轨道中运行。只要系统中前小车升降爪抬起，推杆就会与前小车升降爪啮合，积放小车组通过牵引链条的带动在系统中运行。

5)停止器

停止器安装在承载轨道的侧面，设置在输送系统中需要停下积放小车组的位置上，是输送机系统中控制载货小车停止和运行的装置。它是整个输送机系统中车流控制的核心。停止器在车流控制中起着两个重要的作用；一是对车流实行安全可靠的控制，停止器犹如十字路口的红绿灯， 对车流实行安全连锁控制，保证道岔区内的小车顺利通行；二是停止器对输送机线路中的车流实行调节作用。在车流通过水平转向段、上下坡和操作工位时，停止器等距离地释放小车，对车流起着稳定和均衡的作用。积放式输送机作为机动灵活的输送设备，在现代化生产中起着组织和管理作用。由于各生产工序间的短期不平衡性和各种偶然性，小车在系统中的流动是随机的和不规则的，停止器在总体上对系统中的物流起着均衡作用，使小车的流动在概率上趋向稳定和平衡状态，确保整个输送机系统的正常工作。当停止板动作时，小车组前小车上的升降爪就与链条脱开啮合，“止逸爪”顶在停止板上，小车停止运行。 当一个车组停在停止器上时，在其后就能陆续积存下几个车组。

6)道岔

道岔是在积放式输送机系统中控制载货小车运行路线的装置。道岔设置在轨道汇合处或转换运行路线的位置上，控制积放小车在输送机系统中的流向。

7)直线传递装置

直线传递装置用于牵引链条进行动力转换，将车组从一条动力传递到另一条动力上的装置，常用快速链到慢速链、慢速链到快速链的车组传递，它也常常起到衔接不同工作区域的作用。利用宽推头输送的特性(过渡原理同道岔)，可以顺利、可靠地将车组在不同牵引链之间进行过渡。

2.2 双环线辐照传输结构设计

根据大功率转靶电子加速器辐照特点，为了使辐照室外有间隙运行的被照物无间隙密集排列通过射线区，利用反向积放输送系统的优点，设计双环线辐照传输结构，主环线负责被辐照物传输、储存、分类，副环线负责被照物无间隙密集排列通过射线照射。

2.3 比例传动技术

为达到辐照室外有间隙运行的被照物无间隙密集排列通过射线区的目的，使被照物吸收剂量均匀，射线利用率高，节约能源。储运系统牵引部分设计为一个动力，但分为两个封闭环线，主环线负责被辐照物传输、储存、分类，副环线负责被照物密集通过射线区辐照(见图1)。假设料筐在主线以10 m/min速度，间隙1.2 m运行，料筐由主线过渡到副线(射线区)后速度变为5 m/min，间隙为0密集排列运行，通过射线区后料筐由副线(射线区)过渡到主线，速度变回10 m/min，间隙变为1.2 m。设承载被照物的料筐长度为A，料筐在主线上运行间距为B，则主副线的传动比T=B/A，例如料筐长度A=1.2 m，主线料筐运行间距B=2.4 m，则主副线的传动比T=2，即主线速度为副线速度的2倍。

如图2所示，主线链条通过链轮带动2 ∶1减速机，然后2 ∶1减速机输出轴输入1 ∶1减速机，1 ∶1减速机输出轴通过链轮带动副线链条。这样副线链条速度变为主线链条速度一半。这样设备运行时，主副线间始终绝对无误差保持2 ∶1比例速度传动。

2.4 机械取功技术

因为主副线速度比例必须绝对准确，尤其不能有累积误差，其他方式达不到这样严格的要求。研究采用由主环线提取动力和速度通过定速比传动装置即比例传动的方式提供给副环线动力和速度，保证了主副线速度比例的恒定，无累积误差。同时辐照区无电机、检测开关等不耐辐射元器件，提高了系统可靠性。

如图3所示，机械取功技术是由辐照室外电机减速机直接带动主线链条运行，副线链条运行本身无电机牵引，而是借用主线链条采用比例传动运行。

3 辐照储运系统在控制策略上的设计

3.1 控制系统总体设计

系统使用PLC作为直接控制级，联锁开关信号、变频器报警信号和现场检测信号通过PLC输入模块上的输入点输入给PLC，PLC通过输出模块上的输出点控制控制信号灯、蜂鸣器、变频器，通过模拟输出模块给定变频器频率(见图4)。

触摸屏作为人机交互界面，设置运行速度、辐照遍数等参数，同时以各种形象直观的用户界面显示实时数据、运行状态、报警信息等。PLC具备与加速器射线发生控制系统的信息传输功能。加速器控制系统可对传输系统运行参量进行设置，且按设置参量运行；同时加速器控制系统可停止传输系统运行。

3.2 系统硬件方案设计及实现

为和加速器控制系统数据交换的便利及维护方便，选择与加速器控制系统同样品牌PLC，同时所选择PLC具有2个以上通讯口，一个用于和触摸屏的通讯，另一个用于和加速器控制系统的通讯。采用光纤以太网交换技术，保证储运控制系统在强干扰情况下数据传输的可靠性。数字和模拟I/O模块用于检测开关输入和变频器运行的控制。

3.3 传输速度的控制

传输系统采用变频器控制驱动电动机的速度。速度检测方式主要采用耐辐照旋转编码器检测。为减小运行速度偏差，提高运行速度精度，在速度控制程序中引入部分速度负反馈环节，传输系统的实时速度偏差可控制在2%以内，满足辐照工艺要求。传输速度检测值及速度偏差值都实时显示在触摸屏上。

4 束下传输系统与加速器的联锁保护

按照“故障安全，安全设计原则”所完成的设计可以保证当某一部件或系统发生任何故障时均能建立起一种安全状态。这里的关键是当某一部件或系统发生任何故障时放射工作设备仍要处在辐射安全状态不会发生辐射事故。所以，辐射源、传输机械、安全设施及辅助系统，必须有全面、系统和有效的安全联锁措施来支撑。当加速器故障时，为保证被辐照物品辐照质量和受照的连续性，传输系统需立即停止运行；当传输系统出现故障时，加速器停激励，以免被辐照物品剂量太大或被烧毁。而再启动恢复辐照加工时，加速器要先正常激励，然后传输线运行。

上述的联锁保护措施，在硬件精准安装到位的基础上，主要是从辐照源和传输设备等的控制软件程序来保证并实现。

5 结论

研究开发实践表明，采用比例传动技术、机械取功技术和反向积放输送系统主副双环线的创新设计，既能够使被辐照物能够自动运行、停止、分流、合流、储存，达到产品自动分类、在线存储的目的，从而满足了多品种大批量的工业化生产需要，又使被照物无污染、无间隙密集排列通过射线区，达到了被照物吸收剂量均匀、射线利用率高、节约能源的目的；辐照区无电机、检测开关等，从安全设计角度做到了对辐照储运系统核心动力及检测部件的辐射防护，大大提高了系统可靠性及设备使用寿命；借用高能电子辐照加速器束下传输系统开发的抗辐照速度检测装置，采用部分负反馈算法的速度控制，提高储运系统运行精确性和稳定性，完全满足大功率转耙电子辐照加速器辐照工艺要求。

[1] 蔡文轩,李长久.高能电子辐照加速器束下传输系统的防护设计与研究[J]．核电子学与探测技术，2010(3)：432-435.

[2] 郭雄彬,赵敏,陈祖良,等．辐照电子直线加速器辐射剂量测定的技术研究[J]．核电子学与探测技术，2011(9)：1035-1037.

[3] 李长久,蔡文轩.基于PLC的高能电子辐照加速器束下传输系统[J]．承德石油高等专科学校学报，2008(2)：21-22.

[4] 钱文枢,郑曙昕,唐传祥,等.大功率辐照加速器X射线转耙设计[J]．清华大学学报，2008(8)：1276-1278.

[5] 莫燕,张兴宝,张亚群．电子束扫描宽度改进与扫描宽度上的剂量分布[J]．辐射研究与辐射工艺学报，2006(1)：61-62.

[6] 李长久,安宏伟,蔡文轩.PLC原理及应用[M] .北京：机械工业出版社，2006.

Innovative Design and Research of High Power Electron Accelerator Irradiation and Transportation System

CAI Wen-xuan1, QI Hai-bo2, LU Ze-yong1, DENG Zhi-gao3

(1.Research and Development Center of Industrial Data Communication and Automation Instrument Application Technology of Hebei Province, Chengde 067000, Hebei, China; 2.Department of Economy and Modern Service, Chengde Technician School, Chengde 067000, Hebei, China; 3.Chengde Huashi Mechanical and Electrical Equipment Manufacturing Limited Liability Company, Chengde 067000, Hebei, China)

Based on the characteristics of proportional drive and mechanical power technology, this paper innovatively designs the application of double loop line reverse product transportation in the high power rotary rake electron accelerator irradiation and transportation system. In order to satisfy the requirements of the irradiation process and the radiation protection, the mechanical structure design, electrical control strategy and realization, and accelerator interlock protection content as the control are described in this paper. The research and development practice shows that the method of the double loop reverse product release not only improves the system reliability and the equipment service life, but also improves the operation precision and the stability of the storage and transportation system. At the same time it satisfies the requirements of high power transfer rake electron irradiation technology.

rotating target accelerator; irradiating; reverse product of double loop line; proportional drive; mechanical power

河北省高等学校科学技术研究重点项目(大功率转耙电子加速器辐照储运技术研究)：ZD201524

2016-08-13

蔡文轩(1967-)， 男，满族，河北承德人，副教授,研究方向电气控制及其自动化，邮箱hbcdcwx@126.com。

TP273

A

1008-9446(2016)06-0049-05