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        質(zhì)子治療裝置旋轉(zhuǎn)機架滾輪支撐結(jié)構(gòu)及本體穩(wěn)定性分析

        2022-10-21 13:45:08張午權(quán)程義悅沈俊松
        科學技術(shù)創(chuàng)新 2022年28期
        關(guān)鍵詞:圓筒滾輪機架

        張午權(quán),程義悅,沈俊松,李 明

        (1.中科院合肥物質(zhì)科學院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031;2.合肥中科離子醫(yī)學技術(shù)裝備有限公司,安徽 合肥 230000)

        引言

        質(zhì)子治療目前作為癌癥腫瘤治療的前沿科技和熱點,質(zhì)子其獨特的布拉格峰特性,與傳統(tǒng)的放療手段相比有較大的優(yōu)勢[1-2]。質(zhì)子治療裝置中,旋轉(zhuǎn)機架作為重要的組成部件,其尺寸大、重量大、慣量大,且作為三類醫(yī)療器械要求具備整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高,運動定位精度高等特點。

        一種質(zhì)子治療裝置旋轉(zhuǎn)機架見圖1,其整體是一個圓筒結(jié)構(gòu),在前端伺服電機的驅(qū)動下沿中心線轉(zhuǎn)動(圓桶結(jié)構(gòu)的優(yōu)點:圓筒結(jié)構(gòu)使得旋轉(zhuǎn)機架受力更加均勻,在保證治療空間以及機架剛度的前提下,最大限度地減小旋轉(zhuǎn)機架的重量)。旋轉(zhuǎn)機架整體重量由前后兩組自定心滾輪支撐系統(tǒng)支撐。由于旋轉(zhuǎn)機架整體重量均施加在滾輪支撐結(jié)構(gòu)上,且旋轉(zhuǎn)機架本體旋轉(zhuǎn)環(huán)的尺寸影響到旋轉(zhuǎn)機架旋轉(zhuǎn)部分整體重量十分明顯的部分,還是保障整個旋轉(zhuǎn)機架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要部分,為保證旋轉(zhuǎn)機架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠且控制機架整體重量,有必要對滾輪支撐結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。本研究主要運用Ansysworkbench 對不同接觸寬度的支撐結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析[6],在減小支撐尺寸的同時,保證支撐系統(tǒng)足夠的安全裕度。

        圖1 旋轉(zhuǎn)機架結(jié)構(gòu)圖

        1 支撐滾輪接觸受力分析

        如圖2 所示為旋轉(zhuǎn)機架自定心支撐滾輪結(jié)構(gòu),其中大支撐端為6 支撐滾輪結(jié)構(gòu),兩側(cè)各均布3 個滾輪,其中兩側(cè)的中間滾輪與旋轉(zhuǎn)機架軸線的夾角為30°,單側(cè)各滾輪之間的夾角為12°;小支撐端為4支撐滾輪結(jié)構(gòu),兩側(cè)各布置2 個滾輪,單側(cè)滾輪等角線與旋轉(zhuǎn)機架軸線的夾角為30°,單側(cè)滾輪之間的夾角為16°。這種滾輪布局使得每個滾輪承受的重量基本上保持一致,對旋轉(zhuǎn)部件可靠支撐,同時保證了大支撐環(huán)下端具有充足的空間用于安裝驅(qū)動裝置。

        圖2 旋轉(zhuǎn)機架支撐滾輪分布

        根據(jù)Hertz 接觸理論[3],假設(shè):

        (1) 接觸作用力與接觸面垂直,接觸區(qū)域內(nèi)不存在摩擦;

        (2) 旋轉(zhuǎn)機架支撐環(huán)與支撐滾輪產(chǎn)生的微小變形是彈性變形;

        (3) 接觸區(qū)域的尺寸遠小于支撐環(huán)及滾輪的尺寸。由于支撐環(huán)直徑比滾輪直徑大很多,近似認為滾輪與支撐環(huán)的接觸為圓柱與平面接觸模型。當支撐環(huán)與滾輪材料的彈性模量及泊松比相同,即E1=E2=21000 N/mm2,μ1=μ2=0.3 時,支撐環(huán)與滾輪的最大接觸應(yīng)力為

        式中,Pi為旋轉(zhuǎn)機架在各個滾輪上的載荷分量。

        旋轉(zhuǎn)機架自重m,通過對旋轉(zhuǎn)機架的三維模型進行分析可得到旋轉(zhuǎn)機架大小支撐所需承受的重量為m1,m2。

        則每個滾輪與大支撐環(huán)之間的正壓力為

        每個滾輪與小支撐環(huán)之間的正壓力為

        則支撐環(huán)作用在支撐滾輪上的力密度為

        式中,B 為支撐環(huán)與支撐滾輪之間的實際接觸寬度。

        2 不同接觸寬度下的旋轉(zhuǎn)機架本體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

        通過旋轉(zhuǎn)機架在不同角度(對旋轉(zhuǎn)機架在0°即治療頭向下正對地面方向,到旋轉(zhuǎn)機架±180°即治療頭向上正對地面方向)的結(jié)構(gòu)分析來看,在機架旋轉(zhuǎn)到±90°(即治療頭在左右兩側(cè)呈水平姿態(tài))時,沿重力方向的剛度最小,變形最大,因此本研究選取在治療頭水平工況下分析支撐環(huán)寬度對變形的影響,見圖3。支撐環(huán)寬度取500 mm,600 mm,700 mm,分別分析旋轉(zhuǎn)機架圓筒結(jié)構(gòu)、支撐環(huán)以及旋轉(zhuǎn)機架上束流傳輸線設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形,取如圖4 所示路徑來顯示旋轉(zhuǎn)機架的變形。圖4(a)(b)顯示的是旋轉(zhuǎn)機架圓筒主體結(jié)構(gòu)關(guān)注變形的路徑,主要為圓筒的邊緣部分;圖4(c)(d)顯示的是旋轉(zhuǎn)機架大大支撐環(huán)外緣與內(nèi)緣的變形關(guān)注路徑,主要分析大支撐環(huán)的變形結(jié)果;圖4(e)顯示的是磁體支撐結(jié)構(gòu)邊界的變形關(guān)注路徑,主要分析磁體支撐結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果。

        圖3 旋轉(zhuǎn)機架變形加載條件

        圖4 旋轉(zhuǎn)機架變形分析路徑選取

        根據(jù)上述加載條件,分析得到支撐環(huán)在寬度分別為500 mm,600 mm,700 mm 下旋轉(zhuǎn)機架整體變形見圖5,可以看出旋轉(zhuǎn)機架整體變形分布較為一致,且最大值接近;同時,根據(jù)上述關(guān)注路徑,得到不同支撐環(huán)寬度下旋轉(zhuǎn)機架變形比較情況,見圖6,可以看出,各個路徑上旋轉(zhuǎn)機架變形趨勢及大小均十分接近,因此,在旋轉(zhuǎn)機架主體圓筒結(jié)構(gòu)剛度滿足要求時,支撐環(huán)的寬度變化對于旋轉(zhuǎn)機架的變形影響很小。

        圖5 不同寬度支撐環(huán)下旋轉(zhuǎn)機架變形云圖

        圖6 不同寬度支撐環(huán)下旋轉(zhuǎn)機架變形比較

        由于在旋轉(zhuǎn)機架支撐設(shè)計中,支撐滾輪的寬度與支撐環(huán)的寬度正相關(guān),支撐環(huán)過窄會導(dǎo)致支撐滾輪受到的應(yīng)力增大。因此,需要對支撐滾輪進行應(yīng)力變形分析,通過前文Hertz 接觸理論計算得到每個滾輪受到的壓力大小,施加在滾輪與支撐環(huán)的接觸線上進行分析[4-5]結(jié)果見圖7。

        圖7 支撐滾輪接觸變形云圖

        圖8 給出了支撐滾輪寬度由400 mm 到550 mm變化過程中支撐滾輪受到的應(yīng)力大小變化,可以看出隨著支撐滾輪寬度增加,其受到的應(yīng)力明顯下降。本設(shè)計中旋轉(zhuǎn)機架支撐滾輪采取的是45 鋼,其屈服極限σs為353 MPa;同時考慮旋轉(zhuǎn)機架是醫(yī)療器械,故選取安全系數(shù)為S=4,因此可得滾輪的許用應(yīng)力為:

        圖8 滾輪變形與應(yīng)力隨寬度的影響曲線

        因此,本設(shè)計選擇支撐滾輪寬度為550 mm,對應(yīng)支撐環(huán)寬度為600 mm。

        3 結(jié)論

        本研究基于Hertz 接觸理論對旋轉(zhuǎn)機架支撐結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力進行了分析,并通過有限元仿真方法研究了旋轉(zhuǎn)機架支撐環(huán)寬度與旋轉(zhuǎn)機架整體結(jié)構(gòu)及支撐滾輪的應(yīng)力和變形的關(guān)系。結(jié)果表明,當結(jié)構(gòu)剛度足夠時,支撐環(huán)的寬度對旋轉(zhuǎn)機架本體的變形影響較小,但支撐環(huán)寬度較小則支撐滾輪寬度變窄,導(dǎo)致支撐滾輪受到的應(yīng)力增大。結(jié)合支撐滾輪材料強度,最終選取支撐環(huán)寬度為600 mm。本研究的分析結(jié)果為旋轉(zhuǎn)機架支撐裝置的設(shè)計提供了參考,在控制設(shè)備成本的同時確保足夠的安全裕度。

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