一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置的制作方法

本发明涉及核聚变工程技术领域，特别是一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置。

技术背景

磁约束核聚变装置是目前研究可控核聚变的主要装置，它的研究对实现商用聚变堆起着不可估量的作用，磁约束装置是在磁场约束下等离子体在真空室内发生聚变反应，从而释放出巨大的能量，进行热电转换，转化为电能，是一种理想的能源替代方案。包层作为它的核心部件，为聚变反应提供中子、氚等必需要素，同时将聚变反应所产生的巨大热量带出真空室。包层由于其具有重要作用且随着装置运行会耗损，需要定期对其进行维护。现行的聚变装置包层设计采用小模块设计（iter约为450个），导致维护周期极长，同时由于模块太多，造成模块之间的间隙和所占空间很大，对聚变堆的氚增殖有很大影响。目前我们采用的是大模块包层（其中低场侧48个，高场侧32个）结构方案，有效的解决了维护周期长和氚增殖等问题，但是大模块包层的重量从小模块化的5吨提升到大模块的50吨，大大增加了包层在真空室内转运难度，并且真空室内部会受到放射性和有毒物质的污染。因此需要设计一种远程维护装置将位于非维护窗口区域的包层模块转运至窗口区域。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，以满足核聚变装置大包层模块的转运需求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，包括有环形的真空室，所述真空室内安装有环形的包层，所述包层包括低场侧包层和高场侧包层，其特征在于：所述真空室底部铺设有底部环向导轨，底部环向导轨上滑动配合有底部包层转运装置，底部包层转运装置上安装有多功能转运车，多功能转运车中放置有执行工具，多功能转运车上部分布有横向的前、后轨道，前、后轨道上分别滑动配合安装有液压顶杆机构以及与执行工具配合的底部多关节机械臂。

所述真空室顶部设有若干间隔分布的上颈管，每个上颈管的内壁均铺设有纵向轨道；包括有可以与每个纵向轨道均滑动配合的顶部转运平台。

顶部转运平台包括有平台支架，平台支架上设有与包层位置对应的径向导轨一，径向导轨一上滑动配合有可以与包层连接为一体的对接机构；平台支架上位于径向导轨一的两侧设有左、右径向导轨二，左、右径向导轨二上滑动配合有可升降的左、右连接杆，左、右连接杆的底部之间连接有与真空室底部环形轨道的弧度对应的顶部环向导轨，顶部环向导轨上滑动配合有用于末端对接机械臂；所述支架平台上位于左、右径向导轨二的外侧分别设有左、右径向导轨三，左、右径向导轨三上滑动配合有辅助机械臂；所述平台支架中部两侧安装有用于将包层吊起的吊装装置。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：所述真空室底部两侧分别设有用于支撑低场侧包层和高场侧包层的刚性支撑一和刚性支撑二；真空室上部内壁位于高场侧包层一侧设有环形支撑导轨，高场侧包层的侧壁上设有与环形支撑导轨位置对应的导向槽，所述导向槽套装在环形支撑导轨上且导向槽的截面尺寸比环形支撑导轨的截面尺寸大5～10mm；所述真空室上部内壁上位于低场侧包层一侧设有支撑导轨，低场侧包层与支撑导轨之间通过柔性支撑连接，所述柔性支撑连接包括有固定在低场侧包层上部外壁的固定铰接块，固定铰接块上通过碟簧组安装有活动铰接块，活动铰接块的前端卡在支撑导轨内并能在支撑导轨内滑动。所述的柔性支撑通过碟簧组的自调整机制使得活动铰接块始终与轨道充分接触，从而调整包层位姿。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：所述底部包层转运装置包括有与底部环向导轨滚动配合的主支撑块和副支撑块；主支撑块上部安装有立向的顶升千斤顶，顶升千斤顶的活塞杆向上；主支撑块腹部安装有纵向的驱动液压缸，驱动液压缸的活塞杆前端铰接在副支撑块上；副支撑块的底部两侧分别安装有横向的夹紧缸，夹紧缸的活塞杆相对并能配合夹在对应环向轨道的两侧。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：所述底部环向轨道包括有内、外环向轨道，内、外环向轨道上对应真空室窗口的部位均设有缺口，在真空室底部内、外环向轨道的缺口部位设有转运拖车，转运拖车上设有与真空室底部内、外环向轨道对应的弧形轨道段。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：对接机构的包括有与径向导轨一滑动导向配合的活塞，活塞的活塞杆端部固定有连接板一，所述连接板一上设有用于与包层固接用的若干定位孔。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：所述吊装机构包括有安装在平台支架上的卷扬机，卷扬机上吊绳的活动端安装有吊装体，吊装体包括有吊装盒体，吊装盒体内转动安装有吊装轴，吊装轴外端伸出吊装盒体外，所述吊装轴的伸出端固定有方形的吊钩；包层顶面均设有吊装部，吊装部均设有吊装腔，吊装腔的上表面均设有与吊装体尺寸对应的方形的通口，吊钩从通口进入吊装腔后，吊装轴旋装使吊装体旋装并与通口长边垂直。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：所述平台支架的顶部的收尾侧均安装有吊耳。

所述的一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：所述末端对接机械臂为工业三轴机器人，工业三轴机器人末端集成有连接板二，连接板二上有多个用于与包层之间实现对接螺栓孔。

本发明的工作原理为：

本发明的核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，包含16个上颈管，顶部转运平台在每个颈管内部维护5块包层（低场侧3块、高场侧2块），每个转运平台均先转运其正下方的低场侧包层，接着是对该低场侧包层两侧相邻的低场侧包层依次转运，然后是对转运平台正下方的高场侧包层进行转运，最后转运该高场侧包层邻侧高场侧包层。具体过程如下：

首先，转运拖车将底部转运平台沿下窗口送入真空室内部，转运拖车上的弧形轨道段与真空室底部的内、外环向轨道对接形成整体，底部转运平台沿着底部环向导轨移动到对应顶部转运平台正下方的低场侧包层下方，同时，顶部转运平台沿着上颈管内壁的纵向轨道下移至指定位置，底部转运平台上的多关节机械臂沿径向轨道运动至指定位置，将包层底部支撑拆除，拆除后，顶部转运平台上对接机构沿轨道移动至指定位置，活塞杆向下运动连接板与包层对接，通过顶部转运平台上的辅助机械臂将连接板与包层之间采用螺栓固定,顶部转运平台上的吊装机构下移，吊装机构与该低场侧包层通过辅助机械臂的作用连接为一体后，通过外部行车吊起顶部转运平台，通过顶部转运平台吊起该低场侧包层出真空室后移出。

接着，底部转运平台移动到该低场侧包层任一相邻的低场侧包层，同时，顶部转运平台沿着上颈管内壁的纵向轨道下移至指定位置，顶部转运平台上的末端机械臂沿着顶部环形导轨滑动到该相邻的低场侧包层的正上方，末端机械臂调整位姿与包层对接，辅助机械臂协助完成末端机械臂与包层之间连接固定，同时底部转运平台上的多关节机械臂将底部包层支撑拆除，接着底部转运平台上液压顶杆沿径向轨道移至包层正下方，顶起包层使包层脱离支撑，接着底部转运平台、包层及顶部末端机械臂作为整体沿上下环向轨道移动至第一块中间包层位置，重复第一块对接过程，对接装置及吊装机构与包层实现对接，辅助机械臂拆除末端机械臂与包层之间连接且末端机械臂恢复至初始位置，最后通过外部行车吊起顶部转运平台，通过顶部转运平台吊起该相邻侧低场侧包层移出真空室。

接着，按照上面同样的方法将另外一侧相邻的低场侧包层从真空室移出。

接着，底部转运平台移动到颈管正下方高场侧包层下方，底部转运平台上的多关节机械臂沿径向轨道运动至指定位置，将包层底部支撑拆除，拆除后，同时，顶部转运平台沿着上颈管内壁的纵向轨道下移至指定位置，顶部转运平台上对接机构沿轨道移动至指定位置，活塞杆像下运动连接板与包层对接，通过顶部转运平台上的辅助机械臂将连接板与包层之间采用螺栓固定,底部转运平台上液压顶杆沿径向轨道移至包层正下方，顶起包层使包层脱离支撑，接着底部转运平台、包层及顶部转运平台上对接装置作为整体沿径向轨道移动至颈管正下方，顶部转运平台上的吊装机构下移，吊装机构与该低场侧包层通过辅助机械臂的作用连接为一体后，通过外部行车吊起顶部转运平台，通过顶部转运平台吊起该低场侧包层出真空室后移出。

最后底部转运平台移动到该高场侧包层相邻的高场侧包层正下方，同时，顶部转运平台沿着上颈管内壁的纵向轨道下移至指定位置，顶部转运平台上的末端机械臂沿着顶部环形导轨滑动到合适位置，末端机械臂调整位姿与包层对接，辅助机械臂协助完成末端机械臂与包层之间连接固定，同时底部转运平台上的多关节机械臂将底部包层支撑拆除，接着底部转运平台上液压顶杆沿径向轨道移至包层正下方，顶起包层使包层脱离支撑，接着底部转运平台、包层及顶部末端机械臂作为整体沿上下环向轨道移动至高场侧第一块包层所在位置，重复第一块对接过程，对接装置及吊装机构与包层实现对接，辅助机械臂拆除末端机械臂与包层之间连接且末端机械臂恢复至初始位置，最后通过外部行车吊起顶部转运平台，通过顶部转运平台吊起该相邻侧高场侧包层移出真空室。

包层环向转运装置的工作原理为：

顶部转运平台是通过齿轮的啮合运动带动末端对接机械臂做环向运动，底部转运平台与副支撑块刚性连接，主支撑块上的驱动液压缸伸出其活塞杆推动副支撑块移动，当驱动液压缸的活塞杆伸出到极限位置后，启动副支撑块上的夹紧缸，使夹紧缸的活塞杆同时伸出并夹紧在对应环向轨道的两侧，此时副支撑块的位置得到固定。副支撑块位置固定后，驱动液压缸的活塞杆回缩带动主支撑块向副支撑块方形并拢，如此重复操作，实现了包层转运装置在对应的环形轨道上环向移动的目的。

包层顶部转运平台支架上径向分布着三组导轨滑块装置，其中径向导轨一上连接有对接机构，径向导轨二上安装有连接杆，连接杆与环向导轨直连，顶部环向导轨上连接有末端对接机械臂及环向齿条，末端对接机械臂可沿齿条环向移动，在左右径向轨道三上分别安装有辅助机械臂，辅助机械臂可沿径向轨道三移动到合适位置，进行包层管路维护、对接装置拆装等工作，在平台支架上部左右布置两吊装装置，在平台支架外部布置有与颈管内壁轨道相配合的滑块。

对接机构能够沿径向导轨一径向移动，驱动形式采用齿轮齿条结构，对接机构自身能提供垂直方向自由度，驱动方式为液压缸的伸缩。

连接杆可沿径向导轨二径向运动，驱动形式采用齿轮齿条结构，连接杆自身能提供垂直方向自由度，驱动方式为液压缸的伸缩。

辅助机械臂可沿径向导轨三进行径向移动，驱动形式采用齿轮齿条结构。

末端对接机械臂能够沿着环形导轨移动，驱动形式采用齿轮齿条机构。

多关节机械臂和液压顶杆可通过丝杆螺母沿底部转运平台上的导轨径向移动，丝杆螺母机构中的丝杆均通过电机控制转动。

所述主、副支撑块上与环形轨道相接触部位均安装有转动滚轮。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明的核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，针对16个上窗口，每个窗口维护5块包层（低场侧3块、高场侧2块）。将顶部环向转运装置集成在窗口所在空间范围内，使整个维护装置更加紧凑，通过底部、顶部转运平台协同控制，实现包层环向、径向移动，本发明采用大模块化包层结构，有效的减少了维护转运时间，且转运设备重心低，运行过程更加平稳，安全可靠。

附图说明

图1是本发明的截面示意图。

图2是本发明的顶部转运平台俯视图。

图3是本发明的顶部转运平台等轴测示意图。

图4是本发明的底部转运平台示意图。

图5a是本发明的底部高场侧环向轨道示意图。

图5b是本发明的底部低场侧环向轨道示意图。

图6a是本发明的底部环向驱动装置示意图。

图6b为本发明底部环向驱动装置仰视图。

图7为柔性支撑连接部位的结构示意图。

图8为对接机构的结构示意图。

图9a为吊装装置的结构示意图。

图9b为吊装装置底部的结构示意图。

图9c为包层上与吊装装置对应部位的结构示意图。

图10为末端对接机械臂的结构示意图。

图11为环形支撑导轨部位的放大图。

具体实施方式

如图所示：

一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，包括有环形的真空室3，所述真空室3内安装有环形的包层，所述包层包括低场侧包层2和高场侧包层3，真空室3底部铺设有底部环向导轨12、13，底部环向导轨12、13上滑动配合有底部包层转运装置7，底部包层转运装置7上安装有多功能转运车34，多功能转运车34中放置有执行工具，多功能转运车上部分布有横向的前、后轨道31、32，前、后轨道31、32上分别滑动配合安装有液压顶杆机构29以及与执行工具配合的底部多关节机械臂30。

所述真空室3顶部设有若干间隔分布的上颈管4，每个上颈管4的内壁均铺设有纵向轨道16；包括有可以与每个纵向轨道16均滑动配合的顶部转运平台5。

顶部转运平台5包括有平台支架，平台支架上设有与包层位置对应的径向导轨一19，径向导轨一19上滑动配合有可以与包层连接为一体的对接机构17；平台支架上位于径向导轨一19的两侧设有左、右径向导轨二25，左、右径向导轨二25上滑动配合有可升降的左、右连接杆26，左、右连接杆26的底部之间连接有与真空室3底部环形轨道的弧度对应的顶部环向导轨20，顶部环向导轨20上滑动配合有用于末端对接机械臂27；所述支架平台上位于左、右径向导轨二25的外侧分别设有左、右径向导轨三21，左、右径向导轨三21上滑动配合有辅助机械臂22；所述平台支架中部两侧安装有用于将包层吊起的吊装装置18。

所述真空室3底部两侧分别设有用于支撑低场侧包层2和高场侧包层3的刚性支撑一8和刚性支撑二10；真空室3上部内壁位于高场侧包层3一侧设有环形支撑导轨11，高场侧包层3的侧壁上设有与环形支撑导轨11位置对应的导向槽，所述导向槽套装在环形支撑导轨上且导向槽的截面尺寸比环形支撑导轨11的截面尺寸大5～10mm；当底部包层转运装置和顶部转运平台配合将高场侧包层提起后，所述环形支撑导轨位于导向槽的中间部位，此时高场侧包层沿着环形支撑导轨滑动时摩擦力最小。

所述真空室3上部内壁上位于低场侧包层2一侧设有支撑导轨9，低场侧包层2与支撑导轨9之间通过柔性支撑连接，所述柔性支撑连接包括有固定在低场侧包层2上部外壁的固定铰接块9-1，固定铰接块9-1上通过碟簧组9-2安装有活动铰接块9-3，活动铰接块9-3的前端卡在支撑导轨9内并能在支撑导轨9内滑动。所述的柔性支撑通过碟簧组9-2的自调整机制使得活动铰接块始终与轨道充分接触，从而调整包层位姿。

所述底部包层转运装置包括有与底部环向导轨滚动配合的主支撑块38和副支撑块39；主支撑块38上部安装有立向的顶升千斤顶38-1，顶升千斤顶38-1的活塞杆向上；主支撑块38腹部安装有纵向的驱动液压缸41，驱动液压缸41的活塞杆前端铰接在副支撑块39上；副支撑块39的底部两侧分别安装有横向的夹紧缸40，夹紧缸40的活塞杆相对并能配合夹在对应环向轨道的两侧。

底部环向轨道包括有内、外环向轨道28、35，内、外环向轨道28、35上对应真空室3窗口的部位均设有缺口，在真空室3底部内、外环向轨道28、35的缺口部位设有转运拖车，转运拖车上设有与真空室3底部内、外环向轨道对应的弧形轨道段。

对接机构17的包括有与径向导轨一滑动导向配合的活塞17-1和导向柱17-3，活塞17-1的活塞杆17-2端部固定有连接板一17-4，所述连接板一17-4上设有用于与包层固接用的若干定位孔。

所述吊装机构47包括有安装在平台支架上的卷扬机47-1，卷扬机47-1上吊绳47-2的活动端安装有吊装体47-5，吊装体47-5包括有吊装盒体，吊装盒体内转动安装有吊装轴47-3，吊装轴47-3外端伸出吊装盒体外，所述吊装轴47-3的伸出端固定有方形的吊钩47-4；包层2顶面均设有吊装部，吊装部均设有吊装腔47-6，吊装腔47-6的上表面均设有与吊装体尺寸对应的方形的通口，吊钩从通口进入吊装腔47-6后，吊装轴旋装使吊装体47-5旋装并与通口长边垂直。

所述平台支架的顶部的收尾侧均安装有吊耳23。

所述末端对接机械臂为27工业三轴机器人，工业三轴机器人末端集成有连接板二27-1，连接板二27-1上有多个用于与包层之间实现对接螺栓孔。

一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：在真空室底部内、外环向轨道28、35上对应真空室窗口的部位均设有缺口，在真空室底部内、外环向轨道28、35的缺口部位设有转运拖车42，转运拖车42上设有与真空室底部内、外环向轨道对应弧形轨道段36、37。

一种用于核聚变装置维护的包层遥操作转运装置，其特征在于：对接机构17能够沿导轨一19径向移动，驱动形式采用齿轮齿条结构，对接机构自身能提供垂直方向自由度，驱动方式为液压缸的伸缩。