ICS 27.120.99 F 91 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 31792018 超导回旋加速器 输运线旋转机架设计准则 Superconducting cyclotron Design criteria for rotating gantry of beam line 文稿版次选择 2018-08-08发布 2018-09-08实施安徽省质量技术监督局 发布 DB34/T 31792018 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。本标准由合肥中科离子医学技术装备有限公司提出。本标准由安徽省超导回旋加速器标准化技术委员会归口。本标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、安徽省质量和标准化研究院、中国科学院等离子体物理研究所。本标准主要起草人：郑金星、宋云涛、谷鹏飞、李明、程瑶、朱雷、张午权、刘海洋、沈俊松、陈永华、张俊生、王明、张卢锐。DB34/T 31792018 1 超导回旋加速器 输运线旋转机架设计准则 1 范围 本标准规定了超导回旋加速器输运线旋转机架设计的术语和定义、设计要求、设计步骤、结构设计、关键参数计算。本标准适用于超导回旋加速器质子治疗360度等中心型旋转机架的设计。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 16823.1-1997 螺纹紧固件应力截面积和承载面积 GB/T 25306-2010 辐射加工用电子加速器工程通用规范 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。3.1 束流线 beamline 根据束流光学计算，在满足束流偏转条件以及治疗需求的束流强度的情况下得到的束流走线。注：束流强度的检测应按 GB/T 25306-2010 中 9.2.3.2 中所述的两种方法之一实施。3.2 旋转机架束流线 rotating gantry beamline 在旋转机架段，实现束流从水平面到垂直面偏转，并且束流性质不随机架旋转而变化的束流线。注：起始段为直线，起始点为束流光学耦合点，位于水平面；终点段位于竖直平面。3.3 束流光学等中心点 beam optics iso-centric point 旋转机架束流线终点段与旋转机架旋转轴线的交点。注：束流光学等中心点示意图见图 1。DB34/T 31792018 2 图1 束流光学等中心点 3.4 变直径主体圆筒结构 variable diameter cylinder body structure 在旋转机架的束流输入端，带有一定厚度的卷曲圆筒结构，根据旋转机架束流线的走向，采取不同的直径，通过锥形过度筒体连接而成的结构。注：变直径主体圆筒结构示意图见图 2。图2 变直径主体圆筒结构 3.5 支撑环结构 supportting ring 可旋转、承载筒体重量的环形结构。注：支撑环内环面和端面与变直径圆筒主体结构连接。变直径主体圆筒结构由两个支撑环支撑，示意图见图 3。DB34/T 31792018 3 图3 支撑环结构 3.6 多平台维护桁架结构 multi-platform maintenance truss structure 安装于旋转机架上方，沿着旋转机架束流线布置，并预留多个平台进行设备维护的结构。3.7 可调磁体支撑结构 adjustable magnet support structure 安装于磁体两侧，固定磁体并实现磁体 XYZ 水平调整以及绕 XYZ 轴旋转调整的结构。注：可调磁体支撑结构见图 4。图4 可调磁体支撑结构 3.8 配重 adjustable counter balance 安装在与磁体呈 180 度对称的位置，可通过增减配重块进行旋转机架平衡调整的结构。4 设计原则 4.1 总体要求 4.1.1 工况要求：应保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构无阻碍运动件通过的突起；设置执行某一工况所必需的平台；保证人工方便及安全的操作。DB34/T 31792018 4 4.1.2 强度要求：材料的屈服强度应大于实际所受屈服应力，抗拉强度应大于拉应力。齿轮弯曲疲劳强度安全系数为 2，接触疲劳强度安全系数为 1.6，螺栓抗拉强度安全系数为 2，齿轮销轴抗剪强度安全为5。4.1.3 机架旋转稳定性好。4.1.4 旋转机架外壁喷涂涂料，防腐蚀等级 Sa 2.5。齿轮表面防腐蚀等级 Sa 3。4.1.5 机架内部散热性好。4.2 设计要求 4.2.1 结构要求 4.2.1.1 选择相对轻质的材料，如部分零件可选用铝合金材料。4.2.1.2 结构便于制造，便于零部件安装、调整、修理和更换。4.2.1.3 工艺性好，机架本身的内应力小，由温度变化引起的变形应力小。4.2.2 性能指标 4.2.2.1 旋转性能应满足：最大机架旋转角度宜大于 360；最大旋转速度宜大于 6/s；最大旋转加速度宜大于 2/s2；紧急制动路径：全速宜小于 3，减速宜小于 1。4.2.2.2 角位置偏差：实际机架角度与指令机架角度的偏差，见图 5。最大机架旋转角度偏差宜小于0.1。图5 机架的角位置偏差 4.2.2.3 机械等中心点偏差：机械等中心点是由理论束流中心线（由机头中机械部件所规定，特别是狭缝）与机架旋转轴的交叉点，见图 6。机架旋转的形变会导致机械等中心点偏离理想位置。机械等中心点的最大径向偏差宜小于 0.5 mm。DB34/T 31792018 5 图6 机械等中心点偏差 5 设计步骤 5.1 根据设计准则和一般要求，初步确定机架结构的形状和尺寸。5.2 初定制造工艺。5.3 分析载荷情况，载荷包括机架上的设备重量、机架本身重量、设备运转的动载荷等。5.4 确定结构的形式和主要参数。5.5 画出结构简图。5.6 确定本机架结构所允许的挠度和应力。5.7 进行详细校核计算或做模型试验，对设计进行修正，确定最终结构和尺寸。6 结构设计 6.1 机架的主要结构组成 旋转机架由主体结构和支撑结构组成，主体结构包括变直径主体圆筒结构、可调磁体支撑结构、支撑环结构、多平台维护桁架结构、线缆拖链、配重，主体结构图见图 7。支撑结构是指用于承载大、小支撑环的两个多滚轮自定心结构。图7 旋转机架主体结构 DB34/T 31792018 6 6.2 变直径主体圆筒结构 6.2.1 大环结构 大环设计为等直径的结构，见图 8。内部应预留增加强度结构的空间，半径宜满足式（1）的要求。mm 200 L Rmm 100 L RL R Rn 1m 1t 1.(1)式中：R1 大环半径，单位为毫米（mm）；Rt 治疗室半径，单位为毫米（mm）；L 强度结构的尺寸，单位为毫米（mm）；Lm 最后一个扫描磁铁端部到等中心点的距离，单位为毫米（mm）；Ln 治疗头的长度，单位为毫米（mm）。图8 大环结构 6.2.2 中间环结构 中间环用于支撑旋转机架束流线上升段的磁体，中间环宜设计为变直径主体圆筒结构，可以降低重量，见图 9。中间环直接与小支撑环连接。中间环尺寸宜满足式（2）的要求。mm L RR RP50031 2.(2)式中：R1 大环半径，单位为毫米（mm）；R2 中间环大直径段半径，单位为毫米（mm）；R3 中间环小直径段半径，单位为毫米（mm）；LP 旋转机架束流线入口段的磁体外部结构到旋转机架轴线的最大距离，单位为毫米（mm）。DB34/T 31792018 7 图9 中间环结构 6.2.3 小环结构 小环与小支撑环连接，用于支撑端部的四极铁以及线缆拖链。小环尺寸宜满足式（3）的要求。mm 100 R R3 4.(3)式中：R4 小环的半径，单位为毫米（mm）；R3 中间环小直径段半径，单位为毫米（mm）。6.3 可调磁体支撑结构 6.3.1 精度要求 磁体的作用是对束流进行偏转和聚焦，磁体的安装精度应满足：a)在 X,Y,Z 方向的尺寸误差应不大于 0.1 mm；b)各个轴向的偏转精度应不大于 0.1 mrad。6.3.2 设计要求 磁体布局见图10，设计应：a)满足强度要求，精度高，且便于进行位置调整；b)偏转磁体 1 的支撑宜考虑在中间环提供的安装平台进行支撑结构设计，满足磁体的位置调整要求；c)偏转磁体 2 和偏转磁体 3 宜在磁体支撑与主体圆筒结构之间设计过渡支撑结构，过渡支撑提供一个安装平面来支撑偏转磁体 2 和偏转磁体 3 的磁体支撑结构。DB34/T 31792018 8 图10 磁体布局 6.4 支撑环结构 6.4.1 精度要求 旋转机架支撑环用于支撑全部旋转部分，宜满足如下技术要求：a)在旋转机架束流线入口处的位置采用小直径支撑环，在旋转机架靠近治疗室的位置采用大直径支撑环；b)同轴度应不大于 0.1 mm；c)圆度应不大于 0.2 mm。6.4.2 结构设计 6.4.2.1 大支撑环设计的参考因素：a)宽度设计应考虑支撑环与支撑滚轮之间的压力和旋转机架整体的支撑平稳性；b)直径设计应考虑变直径主体圆筒结构的大环外径和旋转过程中部件之间的干涉。6.4.2.2 小支撑环设计的参考因素：a)宽度应与大支撑环宽度相等；b)直径设计应考虑中间环的小直径段和旋转过程中部件之间的干涉。6.5 多平台维护桁架结构 主要的设计准则为：a)轻便性，采取轻质型材；b)易拆装；c)操作、维护方便。6.6 线缆拖链 6.6.1 线缆拖链用于将旋转机架全部电气设备的电源、水冷、控制等方面的线缆接入地面，且在机架旋转过程中保证线缆不缠绕，长期运行中线缆不破损。6.6.2 宜进行标准件选型。6.7 配重 设计要求应满足：DB34/T 31792018 9 a)靠近旋转机架轴线的位置应采取中空式设计，将配重布置在远离旋转机架轴线的位置，在实现相同转矩的情况下，应降低旋转机架重量；b)根据旋转机架磁体的分布，沿着旋转机架轴线方向合理布置配重；c)在配重结构最外部设计安装孔，保证后期配重的可调节性。6.8 多滚轮自定心支撑结构 多滚轮自定心支撑结构用于承载支撑环，相对于旋转机架竖直中平面呈对称分布，支撑环对该结构的支撑滚轮施加径向力，支撑滚轮绕其支点进行自定心位置调整，从而保证了支撑滚轮和支撑环外表面的良好接触，结构见图11、图12。支撑环与支撑滚轮之间压力主要遵循的设计原则应满足式（4）的要求。)min(g 1，h.(4)式中：1 支撑环与支撑滚轮之间压应力，单位为兆帕（Mpa）；h 支撑环的许用应力，单位为兆帕（Mpa）；g 支撑滚轮的许用应力，单位为兆帕（Mpa）。图11 多滚轮自定心支撑结构 图12 支撑滚轮与支撑环接触状态 7 关键参数 7.1 驱动参数 7.1.1 驱动转矩参数 DB34/T 31792018 10 7.1.1.1 大支撑滚轮及小支撑滚轮所受压力按式（5）计算：g m Fg m Fxd21.(5)式中：Fd 大支撑滚轮所受压力，单位为牛顿（N）；Fx 小支撑滚轮所受压力，单位为牛顿（N）；m1 旋转机架大支撑端质量，单位为千克（kg）；m2 旋转机架小支撑端质量，单位为千克（kg）；g 重力加速度，g=9.8,单位为米每二次方秒（m/s2）。7.1.1.2 大支撑端力矩、小支撑端力矩及总力矩按式（6）计算：x dx xdM M Mr f F MR f F M d.(6)式中：Md 大支撑端力矩，单位为牛米（Nm）；Mx 小支撑端力矩，单位为牛米（Nm）；M 总力矩，单位为牛米（Nm）；f 摩擦系数；R 大支撑环半径，单位为米（m）；r 小支撑环半径，单位为米（m）。7.1.1.3 旋转机架正常启动和停止时需要的最大转矩及旋转机架紧急停车时的最大转矩按式（7）计算：）M a J（S M）m a J（S Md 3 23 1 1.(7)式中：M1 旋转机架正常启动和停止时需要的最大转矩，单位为牛米（Nm）；M2 旋转机架紧急停车时的最大转矩，单位为牛米（Nm）；S 安全系数；J 旋转机架转动惯量，单位为千克每二次方秒（kgm2）；a1 旋转机架正常启动时角加速度，单位为弧度每二次方秒（rad/s2）；m 3 旋转机架转矩,单位为牛米（Nm）；a3 旋转机架正常停止时角加速度,单位为弧度每二次方秒（rad/s2）；Md 大支撑端力矩，单位为牛米（Nm）。7.1.2 齿轮传动参数 7.1.2.1 选择齿轮精度等级为 7 级。7.1.2.2 齿轮材料的参数包括：材料种类、表面硬度、弯曲疲劳强度极限、压力角、齿宽系数、许用应力、载荷系数、齿形系数。7.1.2.3 齿轮模数应满足式（8）和式（9）的要求：DB34/T 31792018 11 321 d12S FFPY YZKTm.(8)Fmm FPm FP/.(9)式中：m 齿轮模数；K 载荷系数；T1 作用在齿轮上的转矩，单位为牛米（Nm）；P 齿轮传递功率，单位为千瓦（kW）；n 齿轮的转速，单位为转每分钟（r/min）；d 齿轮的转速，单位为转每分钟（r/min）；z1 小齿轮齿数；YF 复合齿形系数；YS 应力校正系数；FP 许用弯曲应力，单位为兆帕（Mpa）；FPm 齿轮的弯曲疲劳极限，按机械设计手册查取；Fmm 齿轮弯曲疲劳强度最小安全系数。7.1.3 驱动电机参数 7.1.3.1 电机参数 电机转矩按式（10）计算：n P T/9550.(10)式中：T 电机转矩，单位为牛米（Nm）；9550 常用计算系数；P 电机输出功率，单位为千瓦（kW）；n 输出转速，单位为转每分钟（r/min）。7.1.3.2 减速机参数 选用齿轮箱减速机，确定减速比，减速机减速比按式（11）计算：x dn n i/.(11)式中：i 减速比；nd 电机转速，单位为转每分钟（r/min）；nx 小齿轮转速，单位为转每分钟（r/min）。7.2 关键部件连接螺栓校核 7.2.1 输入条件 根据整个结构的特点，选取连接载荷最大的位置大环和中间环的法兰面安装螺栓为计算对象，对螺栓进行校核。DB34/T 31792018 12 7.2.2 拧紧力矩 装配时需要预紧，可用力矩扳手法控制力矩。拧紧力矩和预紧力按式（12）、式（13）计算：2 1T T T.(12)d0kTF.(13)式中：T 拧紧力矩，单位为牛米（Nm）；T1 克服螺纹副的阻力矩，单位为牛米（Nm）；T2 螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩，单位为牛米（Nm）；F0 预紧力，单位为牛顿（N）；k 拧紧力矩系数，见表 1；d 螺纹公称直径，单位为毫米（mm）。表1 拧紧力矩系数表 摩擦表面状态 k值 有润滑 无润滑 精加工表面 0.10 0.12 一般工表面 0.130.15 0.180.21 表面氧化 0.20 0.24 镀锌 0.18 0.22 粗加工表面-0.260.30 7.2.3 承受预紧力螺栓强度 7.2.3.1 螺纹的应力截面积应按 GB/T 16823.1-1997中 3.1 中规定进行计算，见式（14）。21 2S264 Hd dA.(14)式中：As 螺纹的应力截面积，单位为平方毫米（mm2）；d2 螺纹中径的基本尺寸，单位为毫米（mm）；H 螺纹原始三角形高度（H=0.866025P），单位为毫米（mm）；P 螺距，单位为毫米（mm）；圆周率，=3.1416。7.2.3.2 螺栓的最大拉伸应力按式（15）计算：SAF01.(15)式中：1 螺纹的最大拉伸应力，单位为兆帕（MPa）；DB34/T 31792018 13 F0 预紧力,单位为牛顿（N）；As 螺纹的应力截面积，单位为平方毫米（mm2）。7.2.3.3 根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下应力按式（16）计算：2 213 ca.(16)式中：ca 螺栓在预紧状态下应力，单位为兆帕（MPa）；1 螺栓所受最大拉伸应力,单位为兆帕（MPa）；螺栓所受切应力,单位为兆帕（MPa）。7.2.3.4 拧紧后螺纹连接件的预紧应力 ca应不大于其材料的屈服极限 S 的 80。7.2.4 工作载荷 根据旋转机架结构，进行螺栓工作载荷计算，得到单个螺栓承受的最大拉应力应满足式（17）的要求：min b bolt.(17)式中：bolt 单个螺栓实际承受的最大拉应力，单位为兆帕（MPa）；bmin 单个螺栓所能承受的最小拉力载荷，单位为兆帕（MPa）。_