Разработка привода рамы поворотной и системы укладки высоковольтных кабелей комплекса лучевой терапии

Engineering of rotary frame drive and high-voltage cable management system for the radiation therapy complex.

Конструкция кабелепровода должна обеспечивать ввод электрических сигналов и питания из неподвижной во вращающуюся часть комплекса.

Основные технические требования системе кабелепровода:

·     Не допускается скручивание кабеля;

·     Длина электрокоммуникаций не должна превышать 4,0 м;

·     Минимально допустимый радиус сгиба кабеля не менее чем 100 мм.

 

Вариант с использованием системы вращающихся колец

В ходе информационного поиска был найден вариант компоновки кабель-канала, показанный на рисунке 1:

2

Рисунок 1 – Аналог конструкции двух колец

На его основе было принято решение использовать трубу как часть элемента кабелепровода, представленное на рисунке 2:   Безымянный

Рисунок 2 – Система вращающихся колец

1 – Переднее звено кабель-канала; 2 – Бортик; 3 – Кабель-канал; 4 – Внутреннее кольцо; 5 – Труба; 6 – Внешнее кольцо

Переднее звено кабель-канала (1) жестко крепилось с краем бортика (2) и при повороте гантри подтягивало остальной канал (3) по внутреннему кольцу (4), расположенному внутри трубы (5). Хвост канала проходил по внешнему кольцу (6) системы. Однако при повороте гантри на максимальный угол в 370°, кабель-канал входил в себя же во внутреннем кольце.


Впоследствии система была доработана, как показано на рисунке 3:

Безымянный 4

Рисунок 3 – Доработанная версия сборки

1-                 Переднее звено кабель-канала; 2- Внутренний бортик; 3 – Труба; 4 – Внутреннее кольцо; 5 – Внешний бортик; 6 – Кабель-канал; 7 – Внешнее кольцо;

Переднее звено кабель-канала (1) так же было закреплено внутри внутреннего кольца (4) и прижималось внутренним бортиком (2). В отличие от предыдущей версии, кабель-канал (6) наматывался на трубу (3) и прижимался к ней внешним бортиком (5), приваренным к внешнему кольцу (7). Данное решение позволило частично решить проблему захода кабель-канала сам на себя.


Вариант с использованием отклоняющего крыла

В процессе работы был предложен вариант с использованием отклоняющего крыла.

Вариант с использованием отклоняющего крыла показан на рисунке 4:

крыло

Рисунок 4 – Версия с использованием отклоняющего крыла

1 – Переднее звено кабель-канала; 2 – Отклоняющее крыло;3 – Хвост канала;

         Переднее звено кабель-канала (1) закреплено внутри отклоняющего крыла (2). При повороте трубы на 270 градусов, крыло приподнимает тянущийся хвост (3), тем самым решая проблему с пересечением кабель-канала собой же.


Моделирование поведения системы

         На основании вышеизложенного варианта было промоделировано поведение кабель-канала в условиях эксплуатации, что показано на рисунке 5:

          3

Рисунок 5 – Компоновка системы кабелепровода в установке

1 – Двигатель; 2 – Редуктор; 3 – Конечный элемент кабедь-канала;4 – Хвост канала; 5 – Передний элемент кабель-канала

         Двигатель (1) при помощи редуктора (2) приводил систему во вращение. Конечный элемент кабель-канала (3) жестко крепился в точке, выделенной красным цветом. Передний элемент кабель-канала (5) крепился внутри отклоняющего крыла. При повороте рамы кабель скручивался вокруг трубы, подтягивая хвост (4) вверх.

         В представленной модели суммарная длина кабель-канала в смотанном состоянии равнялась 2670 мм. Длина же доступной зоны для размотанного состояния была меньше, что приводило к тому, что передний элемент кабель-канала был выше необходимого уровня и не заходил в крыло, что можно видеть на участке рисунка, выделенным коричневым цветом. Так же необходимо было следить за тем, чтобы хвост канала, выделенный синим цветом, не опускался ниже 1330 мм от точки соединения кабель-канала с крылом.


Применение модели в условиях полной сборки показано на рисунке 6:

4

Рисунок 6 – Компоновка системы кабелепровода вместе с опорной станиной

1 – Труба; 2 – Боковая опора; 3 – Кабель-канал

Следующей проблемой стала нехватка места для кабель-канала внутри опорной станины, как можно видеть из рисунка. Расстояние от оси вращения трубы (1) до боковой опоры (2) составляло 325 мм. Расстояние же от оси до внешней стороны петли кабель-канала (3) составляло 337 мм.


В качестве решения был создан вариант, представленный на рисунке 7:

2

Рисунок 7 – Вариант с размещением двигателя в центре

1 – Кабель-канал; 2 - Двигатель

Кабель-канал (1) пущен так, чтобы он опоясывал двигатель (2), который был перемещен в центр. Таким образом удалось добиться правильной компоновки кабель-канала путем обеспечения большего расстояния для зоны его размотки. Помимо этого, был использован кабель-канал меньшей толщины. Таким образом удалось уменьшить расстояние от оси до внешней стороны петли кабель-канала до 327 мм, что, однако, все еще было недостаточно для его полноценного размещения внутри станины.


Следующим шагом стало увеличение длины трубы на 50 мм. Результат показан на рисунке 8:

5

Рисунок 8 – Вариант с удлиненной трубой. Вид справа

1 – Кабель-канал; 2 - Укосина

Это позволило частично избавиться от проблемы нехватки места до опоры. В точке касания кабель-канала (1) с укосиной (2) предполагалось установить отклоняющую пластинку. Ввиду появления дополнительного места, связанного с размещением двигателя в центре, данное отклонение не сильно повлияло бы на возможность размещения кабель-канала.

 

Следующий вариант компоновки поворотного узла показан на рисунке 9:

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – 3D-модель компоновки поворотного узла

         В ходе информационного поиска был найден двигатель (1) меньших размеров, размещенный в центре компоновки. При помощи цепной передачи (6) от вала двигателя (2) приводится в движение ведущий вал (3) редуктора (4). Ведомый же вал (5) при помощи ремня (7) вращает трубу (8). Двигатель закреплен при помощи крепежных уголков (9) с лицевой пластиной (10) при помощи винтового соединения. Торможение системы производится при помощи тормозной муфты (11).

         В представленном варианте длина используемого кабель-канала составляет 3182 мм, длина доступной зоны размотки равна 3285 мм.


Переработка трубы

В целях окончательного решения проблемы нехватки места для кабель-канала труба была переработана так, как показано на рисунке 10:

170618 2

Рисунок 10 – Переработанная труба в разрезе

1 – Фланец крепежный к поворотной раме; 2 – Фланец крепежный к звезде; 3 – Участок трубы диаметра 523мм; 4 – Фланец переходный; 5 – Участок трубы диаметра 458 мм; 6 – Участок крепежа переднего элемента кабель-канала с трубой;

         Труба теперь представляет из себя сборку, включающую в себя участок трубы большего диаметра для соединения с поворотной рамой (3) и участок меньшего диаметра, использующегося для намотки на него кабель-канала (5). Соединение всей трубы с поворотной рамой производится винтовым соединением с использованием фланца (1). Фланец к трубе крепится сварным соединением по контуру в зоне, обозначенной красным цветом. Соединение двух участков трубы производится с использованием фланцев (2) и (4) при помощи винтов. Фланец 2 сваривается с трубой большего диаметра по контуру в зоне, обозначенной синим цветом и используется так же для крепления поворотной звезды. Фланец (4) сваривается с трубой меньшего диаметра по контуру в зоне, обозначенной фиолетовым цветом. При применении участка трубы значительно меньшего диаметра, удалось достигнуть возможности полноценного размещения кабель-канала внутри опорной станины и крепежа его переднего элемента с трубой в нужной зоне (6).

Размещение кабель-канала с переработанной трубой внутри опорной станины показано на рисунке 11:

170618 3170618 5

              Размотанный кабель-канал                  Смотанный кабель-канал

                    Рисунок 11 – Размещение кабель-канала с переработанной трубой

            В представленном варианте используется 42 элемента кабель-канала. Длина используемой зоны составляет 3010 мм при доступной 3085 мм.


Компоновка узлов внутри опорной станины

На данном этапе от заказчика получено требование установить привод поворотной рамы внизу опорной станины. В связи с этим необходимо было переработать приводной узел. В результате на рисунке 12 показан финальный вариант привода поворотной рамы:

5170618 4

Рисунок 12 – Привод поворотной рамы

1 – Двигатель; 2 – Редуктор; 3 – Приводная звезда; 4 – Установочная пластина;

 5 - Поддерживающая плата

         Привод устанавливается внизу опорной станины при помощи установочной пластины (4). Пластина в свою очередь удерживает поддерживающую плату (5), на которой размещаются двигатель (1) и редуктор (2), приводящий поворотную раму в движение при помощи приводной звезды (3).


         Итоговая компоновка системы укладки кабеля, привода поворотной рамы и модулятора показана на рисунке 13:

170618 6

Рисунок 13 – Итоговая компоновка

1 – Модулятор; 2 – Опорная станины; 3 – Привод рамы поворотной; 4 – Кабель-канал; 5 – Поворотная звезда; 6 – Труба; 7 – Поворотная рама; 8 – Лицевая пластина

         Удалось разместить все функциональные блоки внутри опорной станины (2) так, чтобы они не мешали друг другу. Расстояние от модулятора (1) до трубы (6) составляет 16 мм. Кабель-канал (4) в полностью развернутом состоянии проходит относительно привода (3) на расстоянии 31,2 мм. Приводная звезда состоит с поворотной звездой (5) в одной плоскости, которая располагается в 29,8 мм от лицевой пластины (8). Поворотная рама (7) способна совершать поворот на ±185° относительно положения равновесия.


 

Список использованных источников

1.                 Специальные крупногабаритные подшипники- опорно-поворотные устройства. Публ. 9/2001-OTO-R для АО “PSL” издал MANAGEMENT ART, г. Жилина, 2005.

2.                 Жанысбекова Ж.Ж. РАСЧЕТ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ ПОДШИПНИКОВ. DOI: 10.18698/2541-8009-2017-7-119. Поступила в редакцию 31.05.2017 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.

3.                 Иванов А.С. Конструируем машины. Шаг за шагом. В 2-х ч. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.  

4.                 Спецификация продукции фирмы Varian medical systems для продукта Varian Unique.  

5.                 ГОСТ Р МЭК 61217-2013 Аппараты дистанционные для лучевой терапии. Координаты, перемещения и шкалы.

6.                 СЕМИКОЗ, Н. Г. et al. ЛУЧЕВАЯ ТЕРАПИЯ ПЕРВИЧНЫХ И МЕТАСТАТИЧЕСКИХ ОПУХОЛЕЙ ГОЛОВНОГО МОЗГА НА ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЯХ.

7.                 Костылев В.А. – Мед. Физика 2008г №2

8.                 Радиология и практика №6 2009г

9.                 Артюшенко В.М., Енютин К.А., Буткевич М.Н. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ МЕЖКАБЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПОМЕХ В ЭКРАНИРОВАННЫХ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ, Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2009