強(qiáng)核輻射環(huán)境電動(dòng)叉車設(shè)計(jì)

摘 ?要：本文分析強(qiáng)核輻射對叉車的影響，在此基礎(chǔ)上對叉車進(jìn)行適應(yīng)性的開發(fā)設(shè)計(jì)，使叉車能夠適應(yīng)強(qiáng)輻射環(huán)境，在核輻射環(huán)境下正常進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，以便用于核應(yīng)急事故的處理。

關(guān)鍵詞：叉車;核輻射;搬運(yùn);遙控

中圖分類號(hào)：TM92 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）03-0000-00

0引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，核能的利用越來越廣，核能的安全利用越來越受到國家和社會(huì)的關(guān)注。核反應(yīng)堆退役、核電站檢修、民用核事故應(yīng)急處理等工作都具有高危險(xiǎn)，強(qiáng)放射性特點(diǎn)。叉車作為重要的起重搬運(yùn)物料設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用，核能工業(yè)體系中也使用大量的叉車。叉車具有體積小，轉(zhuǎn)彎靈活、操控方便等特點(diǎn)，可用于窄小的空間進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)。在民用核事故應(yīng)急處理中，叉車以其小巧靈活的特性，可以承擔(dān)開路先鋒的作用，清理道路的障礙物，搬運(yùn)危險(xiǎn)物品等工作。本文研究對叉車產(chǎn)品進(jìn)行核輻射環(huán)境的適應(yīng)性開發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控，使叉車在強(qiáng)核輻射環(huán)境、微電子元件無法正常作業(yè)的極端環(huán)境下，能夠正常工作，完成作業(yè)任務(wù)要求。

1核輻射

核輻射是指在原子核反應(yīng)過程中如裂變，衰變釋放出的不同能量粒子和電磁輻射，其作用于物質(zhì)可引起電離和激發(fā)，最主要的核輻射有α粒子，β粒子，γ射線和中子等。高能核輻射對人體、電子設(shè)備等產(chǎn)生重大的危害[1]。

2核輻射對人的危害

核輻射嚴(yán)重?fù)p害人體器官，危害人體的健康，可導(dǎo)致人出現(xiàn)頭暈、頭疼、食欲不振等癥狀，發(fā)展下去會(huì)出現(xiàn)白細(xì)胞和血小板減少等癥狀。如超劑量的放射性物質(zhì)長期作用于人體，就能使人患上腫瘤、白血病及遺傳障礙等嚴(yán)重的疾病。如果叉車司機(jī)駕駛叉車在核輻射環(huán)境下作業(yè)，輻射會(huì)對人體的健康導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。因此在強(qiáng)核磁輻射下作業(yè)，不能采用人駕駛，需采用遠(yuǎn)程操控的方式進(jìn)行作業(yè)。

3核輻射對電子設(shè)備的危害

核輻射在一些半導(dǎo)體器件的鈍化層界面上產(chǎn)生電離和缺陷，有時(shí)也稱為表面效應(yīng)。核輻射對不同原理、不同結(jié)構(gòu)和工藝的元件器件又會(huì)產(chǎn)生不同的影響。強(qiáng)核輻射引起的電離效應(yīng)可能會(huì)引起電子元件擊穿，形成永久失效，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障[2]。叉車上，特別是電動(dòng)叉車上，使用大量的微電子元件和MOS場效應(yīng)元件。在強(qiáng)核輻射的環(huán)境下，這些元器件很容易受到強(qiáng)輻射的影響，導(dǎo)致電子元件發(fā)生失效故障，車輛無法正常作業(yè)。

4電子設(shè)備核輻射防護(hù)的主要方法

機(jī)械設(shè)備防止核輻射的主要方法是屏蔽法，利用核屏蔽材料對元器件屏蔽保護(hù)，防止高能射線直接照射在敏感的電氣元件上，達(dá)到保護(hù)的目的。鉛對高能X 射線和γ射線均有很高的衰減特性，在保護(hù)中一般采用鉛作為屏蔽保護(hù)材料[3]，阻擋輻射照射在電子元件上。

5強(qiáng)核輻射對電動(dòng)叉車主要部件的影響分析

5.1蓄電池

叉車一般采用鉛酸蓄電池作為動(dòng)力，在強(qiáng)輻射環(huán)境下，鉛酸蓄電池仍能夠正常放電，給電氣設(shè)備提供電流，滿足車輛工作需求。鋰電池系統(tǒng)內(nèi)部使用由電子元器件組成的BMS系統(tǒng)，在強(qiáng)輻射環(huán)境下存在被輻射干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

5.2控制器

電動(dòng)叉車控制器為復(fù)雜的高度集成的電子器件，內(nèi)部使用二極管、三極管、CPU、MOS管等電子元件，這些電子元器件在強(qiáng)核輻射下易受到影響，發(fā)生故障，導(dǎo)致車輛停止工作。

5.3電機(jī)

叉車使用的電機(jī)的功率較大，電流較高，強(qiáng)核輻射對電機(jī)產(chǎn)生的電離效應(yīng)很小，不需對電機(jī)進(jìn)行特別的防護(hù)即可在強(qiáng)輻射環(huán)境工作。

5.4電磁閥

電磁閥是利用線圈電流磁效應(yīng)，推動(dòng)液壓閥芯運(yùn)動(dòng)，控制液壓閥的開啟，電磁閥線圈電流一般在1-2A左右，強(qiáng)磁輻射無法影響其正常動(dòng)作。

6強(qiáng)核輻射環(huán)境電動(dòng)叉車設(shè)計(jì)

6.1總體設(shè)計(jì)

6.1.1車輛的主要組成

強(qiáng)核輻射環(huán)境電動(dòng)叉車的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由視頻監(jiān)控平臺(tái)1、遙控盒2、卷線器3、控制電纜4、視頻系統(tǒng)5、電機(jī)控制盒6、液壓泵站7、蓄電池8、車架系統(tǒng)9、液壓系統(tǒng)10、照明系統(tǒng)11、門架系統(tǒng)12等組成。

6.1.2車輛主要功能

行走功能：牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)車輛前進(jìn)后退功能。

EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向功能：轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向行走單元轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

門架系統(tǒng)功能：液壓泵輸出高壓液壓油，通過電磁閥的控制，推動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門架升降運(yùn)動(dòng)和傾斜運(yùn)動(dòng)。

6.1.3車輛總體性能設(shè)計(jì)

車輛工作模式：快速行走和慢速行走雙工作模式設(shè)計(jì)，模式選擇開關(guān)切換到快速工作模式時(shí)，蓄電池輸出24V電壓，車輛進(jìn)入快速工作模式，行駛速度5KM/h。工作模式開關(guān)切換到慢速工作模式時(shí)，蓄電池輸出12V，車輛進(jìn)入慢速工作模式，車輛最高行駛速度2kM/h。

爬坡性能設(shè)計(jì)：因場地工況復(fù)雜，滿載爬坡度按照15%進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，可使車輛滿足大多數(shù)工況。

6.2車架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車架系統(tǒng)與普通叉車設(shè)計(jì)一致，不需要根據(jù)核輻射環(huán)境進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，車輛滿足整車作業(yè)強(qiáng)度要求即可。

6.3轉(zhuǎn)向及行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS采用直流無刷電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，采用繼電器橋型電路進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換。電流正向時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，電流反向時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出軸齒輪與動(dòng)力單元回轉(zhuǎn)盤通過鏈條連接，驅(qū)動(dòng)車輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能的控制。

如圖2，行走系統(tǒng)采用直流他勵(lì)電機(jī)作為牽引電機(jī)，牽引電機(jī)與減速箱、車輪連接，形成行走動(dòng)力單元。通過切換行走電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，實(shí)現(xiàn)車輛前進(jìn)和后退的控制。

6.4液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）液壓泵站設(shè)計(jì)：泵電機(jī)與電磁閥組、液壓油箱集成在一起，形成液壓泵站。設(shè)計(jì)中采用最容易控制的直流電機(jī)作為液壓油泵電機(jī)。當(dāng)接觸器閉合時(shí)，蓄電池輸出的電流驅(qū)動(dòng)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓油泵輸出高壓液壓油，驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作。

（2）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)：液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。液壓泵站1為液壓系統(tǒng)動(dòng)力源，起升電磁閥3打開時(shí)，液壓油進(jìn)入舉升油缸4，推動(dòng)門架舉升動(dòng)作;下降電磁閥2打開時(shí)，液壓油回流油箱，液壓油缸下降，門架下降;傾斜電磁閥5線圈YV3通電時(shí)，前傾回路導(dǎo)通，門架實(shí)現(xiàn)向前傾斜動(dòng)作;傾斜電磁閥5線圈YV4通電時(shí)，后傾回路導(dǎo)通，門架實(shí)現(xiàn)后傾斜動(dòng)作。

6.5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)在車輛中處于核心的位置，控制系統(tǒng)防輻射設(shè)計(jì)為整車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，車輛控制原理如圖4所示。為消除強(qiáng)核輻射對控制系統(tǒng)的影響，在車身控制電路部分（在圖1中，電機(jī)控制盒6和液壓泵站7）設(shè)計(jì)中完全避免電子元件的使用。采用繼電器控制電機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)車輛指令的執(zhí)行?？刂坪须娫撮_關(guān)SB1、模式選擇開關(guān)SB2、行走控制開關(guān)SB3、轉(zhuǎn)向控制開關(guān)SB4，上升控制開關(guān)SB6、下降控制開關(guān)SB5、傾斜控制開關(guān)SB7、燈光控制開關(guān)SB8設(shè)置在遙控盒控制面板上。內(nèi)部使用二極管實(shí)現(xiàn)邏輯的控制關(guān)系。操作人員手持遙控盒遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行車輛駕駛與控制。

6.6視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛上安裝門架攝像頭，左右側(cè)面攝像頭，后部攝像頭。門架攝像頭拍攝車輛前部，用于觀察前方路況和貨叉托舉動(dòng)作情況。左右兩側(cè)攝像頭拍攝車輛兩側(cè)的障礙物，便于車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操縱。車輛后部攝像頭拍攝車輛后方路況情況，便于操作人員進(jìn)行倒車操縱。為防止強(qiáng)輻射對攝像頭內(nèi)部敏感電子元件的影響，攝像頭外部采用鉛外殼進(jìn)行保護(hù)。視頻信號(hào)通過電纜線回傳視頻監(jiān)控平臺(tái)，操作人員可以實(shí)時(shí)觀察車輛的情況。

6.7控制電纜及卷線器

選擇柔軟的電纜線作為控制電纜線，有利于線纜的收卷。線纜外部需有良好的防護(hù)層，防止電纜線被地面磨破。使用卷線器對車輛控制電纜進(jìn)行拉伸與收縮，進(jìn)行集中管理[4]。車輛往前行駛時(shí)，卷線器拉伸出控制電纜，車輛后退時(shí)，使用卷線器收卷控制電纜，防止電纜線被車輪壓壞。

7結(jié)語

本文介紹的強(qiáng)核輻射環(huán)境電動(dòng)叉車的結(jié)構(gòu)簡單，抗輻射能力強(qiáng)，操作簡單，經(jīng)濟(jì)性好。按照本設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的叉車產(chǎn)品成功應(yīng)用于某核應(yīng)急事故的處理，負(fù)責(zé)窄小通道內(nèi)障礙物的清理工作。車輛完全適應(yīng)強(qiáng)核輻射環(huán)境，順利完成事故處理的工作任務(wù)，同時(shí)取得良好的社會(huì)效益。

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收稿日期：2021-02-08

作者簡介：朱海鋒（1982—），男，廣西容縣人，本科，研究方向：工業(yè)車輛技術(shù)。

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