CN109780010B - 一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，包括有内侧盒体锁紧机构、外侧盒体锁紧机构，内侧盒体锁紧机构包括有安装在内侧环向轨道上的内罩板，内罩板的中部设有半球形槽，内罩板内侧安装有内侧定位块，内侧定位块上设有与半球形槽配合的半球形头，内侧定位块安装在支撑块上；外侧盒体锁紧机构包括有外侧定位块，外侧定位块的两端安装有可同步运动的可压缩定位块和从动挡块，外侧定位块安装在盒体外侧对应的支撑块卡槽中，且此支撑块的外侧安装有径向预紧机构。本发明方便偏滤器模块在涉核环境下的高精度自动快速定位、安装与拆卸，内外支撑都是面接触，提高了盒体锁紧机构的强度，具有省钱、省时、高效率、高精度的优点。

Description

一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构

技术领域：

本发明涉及核聚变堆的偏滤器设计领域，主要涉及一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构。

背景技术：

磁约束核聚变能被认为是未来最有可能解决人类能源危机的途径。托卡马克核聚变装置是研究磁约束核聚变能最富有成效的手段之一。偏滤器是托卡马克磁约束核聚变装置中最为核心的部件之一。它直接面对高温等离子体，承担着排除高通量能量流和粒子流的功能，此外在聚变堆中还为安装在它后面的部件如真空室和超导磁体等提供部分中子屏蔽功能。偏滤器模块承受了来自于等离子体的高热负荷，可达10MW/㎡以上，为及时排出这些能量，偏滤器靶板内设计有高效冷却结构，一般利用高温高压水将热量带出装置。由于偏滤器模块所处的特殊工作环境：高温、高辐射、高热流，真空室的偏滤器等内部部件等很容易发生损坏。在托克马克服役工作区间，偏滤器模块出现烧蚀的情形的时候就需要进行维护、更换等操作。由于氘氚聚变的反应产物的中子对材料的活化作用，即使在等离子体停止放电工作时，真空室仍然存在着辐射，因此工作人员必须在真空室外操作机器人对偏滤器模块等内部部件进行维护、更换等操作，即遥操作。所谓遥操作(Remote Handing,RH)，就是指操作人员在远离托克马克装置的安全区域，通过利用计算机平台，通过工程管理系统和集成技术，操控机器人对真空室内部部件如偏滤器等进行维护、更换的过程。对于偏滤器模块来说，其遥操作系统包括对偏滤器模块的抓取、运送、安装、拆卸等过程，因此偏滤器模块的安装，拆卸过程需要简易、方便、快捷，这就需要偏滤器模块的遥操作兼容结构设计符合这一要求，以保证遥操作的顺利进行。因此对于核聚变堆偏滤器遥操作集成设计的要求主要有以下几点：

(1)结构设计上：当对偏滤器模块进行遥操作时，能够保证外部机械臂能够对偏滤器模块进行抓取，实现偏滤器模块从真空室外到真空室内，并将偏滤器模块安装在真空室内，冷却管道等部件能够被焊接起来；更换时，能够将偏滤器模块的冷却管道等部件进行切割，然后将偏滤器模块进行拆卸，运送到真空室外；

(2)结构功能上：首先需要满足偏滤器排热等基本功能需求；其次要能够和真空室的内外轨道很好地衔接，稳固安装在真空室内，即使当等离子体破裂时产生电磁力等载荷，偏滤器结构依然不受影响；

(3)支撑结构的设计要求：当偏滤器模块安装至真空室内时，在等离子体没有工作之前，所设计的支撑结构应该能够承受偏滤器模块约10t的重力要求；满足六点定位原理，当偏滤器模块在真空室内安装时，其所有自由度必须被支撑结构完全约束住：偏滤器模块的稳定性要求，要合理规划支撑结构的位置，确保内外支撑的位置应该在重心之上，同时应该保证重心的投影在偏滤器模块的环向平分面上，使偏滤器模块横向和纵向都是稳定的；

(4)能够符合各种辅助操作工具的工作要求，如焊接工具，切割工具，检测工具等，同时需要保证偏滤器的安装精度，当需要维护、拆卸时，能够方便地将偏滤器模块拆卸下来，考虑到遥操作的可行性，偏滤器需采用模块化设计。

目前世界上托克马克聚变堆偏滤器模块的遥操作是以ITER为典型代表，它是以盒体多功能移动器(CMM)抓着偏滤器模块从真空室外沿着下窗口轨道运动到真空室内，然后对每种类型的偏滤器模块进行安装等操作。对于ITER的偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，根据其《System Design Description Document-DDD-17-Divertor》描述其内侧支撑机构采用的是鼻子型结构，外侧盒体锁紧机构采用的是大关节型结构。当偏滤器到达径向预装位置时，通过机械手抓取液压千斤顶对偏滤器外侧盒体锁紧机构上的旋转关节施加10吨的力，使外侧锁紧机构上的旋转关节旋转至与外侧轨道上的定位槽，与之匹配连接，通过机械手插入连接销，完成外侧盒体锁紧机构的安装，同时内侧盒体锁紧机构的定位块与内罩板上的球形槽啮合到位。ITER的盒体锁紧机构设计允许偏滤器在环向方向上旋转，并没有完全约束偏滤器的六个自由度，而且在偏滤器径向移动时候并没有在环向方向上进行限位，因此其外侧盒体锁紧机构的关节旋转啮合的配合对安装精度有极高的要求。其内侧盒体锁紧机构并不承受向下的作用力，偏滤器重力载荷仅由外侧盒体锁紧机构承受。因此尽管盒体锁紧机构的设计可以满足偏滤器模块基本遥操作设计要求，但是有一定的局限性。

为了满足上述各种要求和实际设计中的难题，需要设计一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，主要包括偏滤器模块的内侧盒体锁紧机构、外侧盒体锁紧机构、径向预紧机构的设计，完成对偏滤器模块在真空室内的定位，方便偏滤器模块在涉核环境下的高精度的自动快速安装、拆卸，保证偏滤器模块具有足够强的结构强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其特征在于：包括有内侧盒体锁紧机构、外侧盒体锁紧机构，所述内侧盒体锁紧机构包括有安装在内侧环向轨道上的内罩板，所述内罩板的中部设有半球形槽，所述内罩板内侧安装有内侧定位块，所述内侧定位块上设有与半球形槽配合的半球形头，所述内侧定位块安装在盒体内侧对应的内侧支撑块上；所述外侧盒体锁紧机构包括有外侧定位块，所述外侧定位块的两端安装有可同步运动的可压缩定位块和从动挡块，所述外侧定位块安装在盒体外侧对应的外侧支撑块卡槽中，且此外侧支撑块的外侧安装有径向预紧机构，所述径向预紧机构安装在真空室外侧环形轨道上。

所述的内侧盒体锁紧机构上的内侧定位块采用半球形头部结构设计，利于偏滤器模块径向移动时的自动找正和定位，所述内侧定位块上分布有安装孔，其对应安装的内侧支撑块底部与内罩板面接触。

所述的外侧定位块的中空的腔体结构，其两端面上分别设有限位块，所述限位块中部设有导向孔，所述腔体与导向孔连通，且导向孔中分别卡装有导轴，其上端面限位块中的导轴两端分别安装有可压缩定位块，其下端面限位块中的导轴两端分别安装有从动挡块，且上下对应的可压缩定位块与从动挡块之间通过连杆连接，所述可压缩定位块之间的导轴上套装有弹簧，且弹簧的两端与其两侧的可压缩定位块连接。

所述的外侧盒体锁紧机构所对应的外侧支撑块外端面上设有半球形凹槽，所述的径向预紧机构包括有安装在外侧环形轨道上的横置的L形固定座，所述L形固定座水平段的上端面与其上方外侧支撑块的底端面接触，所述L形固定座上安装有朝向外侧支撑块的顶推杆，所述顶推杆的端部设有与外侧支撑块半球形凹槽配合的半圆形球头。

所述的半球形凹槽位两处，所述顶推杆以及其端部的半圆形球头均为两个。

本发明的优点是：

本发明中的内侧定位块半球形头部结构设计有利于偏滤器模块径向移动时候的自动找正和定位，外侧盒体锁紧机构利用弹簧作用可压缩定位从动挡块，抛弃了传统的金属连接的方式，实现偏滤器模块的快速拆装，内外侧盒体锁紧机构共同作用限制了偏滤器模块的六个自由度，满足六点定位原理。径向预紧机构头部采用半球形结构设计，在推动偏滤器模块径向移动的同时，可保证偏滤器在径向移动时候的环形限位。本发明实现了偏滤器模块的遥操作过程中的高精度快速定位、安装与拆除，简化了安装步骤，内外支撑都是面接触方式，提高了盒体锁紧机构的结构强度，此结构的发明具有省钱、省时、高效率、高精度的优点。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的内侧盒体锁紧机构示意图。

图3为内罩板的结构示意图。

图4为内侧定位块的结构示意图。

图5为本发明的外侧盒体锁紧机构示意图。

图6为外侧定位块的结构示意图。

图7为外侧定位块的剖视图。

图8为本发明的径向预紧机构示意图。

附图中序号说明：1、进水管，2、出水管，3、外靶板，4、支撑盒体一，5、Dome板，6、内靶板，7、支撑盒体二，8、第一壁支撑结构，9、盒体，10、内侧盒体锁紧机构，11、内返流板，12、支撑盒体三，13、外返流板，14、CMM连接结构，15、CTM连接结构，16、外侧盒体锁紧机构，17、径向预紧机构，18、内侧环向轨道，19、内罩板，20、内侧定位块，21、内侧支撑块，22、外侧环向轨道，23、外侧定位块，24、可压缩定位从动挡块，25、弹簧。

具体实施方式：

参见附图。

如图1所示，一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，包括有内侧盒体锁紧机构10、外侧盒体锁紧机构16，所述内侧盒体锁紧机构10包括有安装在内侧环向轨道上的内罩板19，所述内罩板19的中部设有半球形槽，所述内罩板内侧安装有内侧定位块20，所述内侧定位块20上设有与半球形槽配合的半球形头，所述内侧定位块20安装在盒体内侧对应的内侧支撑块21上；所述外侧盒体锁紧机构16包括有外侧定位块23，所述外侧定位块23的两端安装有可同步运动的可压缩定位块24和从动挡块，所述外侧定位块23安装在盒体外侧对应的外侧支撑块卡槽中，且此外侧支撑块的外侧安装有径向预紧机构17，所述径向预紧机构17安装在真空室外侧环形轨道上。

所述的偏滤器结构由内靶板6、外靶板3、Dome板5、内返流板11、外返流板13、支撑盒体4、7、12、盒体9、内侧盒体锁紧机构10、外侧盒体锁紧机构16、第一壁支撑结构8、冷却水管1、2组成，在偏滤器的遥操作安装过程中，通过安装在真空室外侧轨道上的径向预紧机构17推动偏滤器径向位移，同时内侧盒体锁紧机构10安装到指定位置，然后利用多功能机械手抓取可压缩定位从动挡块24，安装外侧盒体锁紧机构16，约束核聚变堆偏滤器的六个自由度。内外侧盒体锁紧机构10、16的支撑面设置在偏滤器重心位置之上，可保持偏滤器模块安装的稳定性。

如图2所示，所述的内侧盒体锁紧机构10上的内侧定位块20采用半球形头部结构设计，利于偏滤器模块径向移动时的自动找正和定位，其内侧支撑块21底部与内侧环向轨道19上的内罩板19面接触。

如图5所示，所述的外侧盒体锁紧机构16利用弹簧25作用可压缩定位块24，实现外侧盒体锁紧机构16的简单快速拆装，对偏滤器模块进行定位。

如图8所示，所述的径向预紧机构17安装在托克马克真空室外侧环向轨道22上，其头部采用半球形结构设计，在推动偏滤器模块向内侧径向移动的同时，可保证偏滤器在径向移动时候的环形限位。

对于CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor)的偏滤器概念设计，根据CFETR规划的科学目标，考虑到遥操作的可行性，偏滤器采用模块化设计，目前单个偏滤器模块采用5度，共72个模块。偏滤器模块通过盒体多功能移动器(CMM)运输到托克马克真空室下窗口进入真空室内部，首先让内侧盒体锁紧机构10和内侧环向轨道18对齐，其次将外侧盒体锁紧机构16和外侧环向轨道22对齐，直至安装到轨道上；利用盒体环向移动器(CTM)通过盒体9上的CTM连接结构15推动偏滤器模块通过安装在聚变堆真空室上的环向轨道进行环向移动至预装位置(正对窗口模块无需此步操作)；通过安装在真空室外侧轨道22上的径向预紧机构17推动偏滤器径向移动，其头部的半球形结构可保证偏滤器在径向移动时候的环形限位，同时内侧盒体锁紧机构10上的定位块20的半球形头部自动找正嵌入到内罩板19上的半球形槽内；通过机械手夹紧外侧盒体锁紧机构16的可压缩定位从动挡块24的顶部，然后将外侧盒体锁紧机构16安装至定位槽内，机械手松开，外侧盒体锁紧机构的可压缩定位从动挡块24受弹簧25作用弹出，外侧盒体锁紧机构16的定位块23加可压缩定位从动挡块24共同作用对偏滤器模块进行定位。偏滤器模块的内外侧盒体锁紧机构10、16相结合，约束偏滤器模块的六个自由度，满足六点定位原理。同时内外侧盒体锁紧机构10、16的支撑面设置在偏滤器重心位置之上，可保持偏滤器模块安装的稳定性。

本文已经对本发明的具体实施方式进行了细节描述，为从事与核聚变堆技术领域的技术人员对偏滤器模块的设计研发提供一种方法，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其特征在于：包括有内侧盒体锁紧机构、外侧盒体锁紧机构，所述内侧盒体锁紧机构包括有安装在内侧环向轨道上的内罩板，所述内罩板的中部设有半球形槽，所述内罩板内侧安装有内侧定位块，所述内侧定位块上设有与半球形槽配合的半球形头，所述内侧定位块安装在盒体内侧对应的内侧支撑块上；所述外侧盒体锁紧机构包括有外侧定位块，所述外侧定位块的两端安装有可同步运动的可压缩定位块和从动挡块，所述外侧定位块安装在盒体外侧对应的外侧支撑块卡槽中，且此外侧支撑块的外侧安装有径向预紧机构，所述径向预紧机构安装在真空室外侧环形轨道上。

2.根据权利要求1所述的适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其特征在于：所述的内侧盒体锁紧机构上的内侧定位块采用半球形头部结构设计，利于偏滤器模块径向移动时的自动找正和定位，所述内侧定位块上分布有安装孔，其对应安装的内侧支撑块底部与内罩板面接触。

3.根据权利要求1所述的适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其特征在于：所述的外侧定位块的中空的腔体结构，其两端面上分别设有限位块，所述限位块中部设有导向孔，所述腔体与导向孔连通，且导向孔中分别卡装有导轴，其上端面限位块中的导轴两端分别安装有可压缩定位块，其下端面限位块中的导轴两端分别安装有从动挡块，且上下对应的可压缩定位块与从动挡块之间通过连杆连接，所述可压缩定位块之间的导轴上套装有弹簧，且弹簧的两端与其两侧的可压缩定位块连接。

4.根据权利要求1所述的适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其特征在于：所述的外侧盒体锁紧机构所对应的外侧支撑块外端面上设有半球形凹槽，所述的径向预紧机构包括有安装在外侧环形轨道上的横置的L形固定座，所述L形固定座水平段的上端面与其上方外侧支撑块的底端面接触，所述L形固定座上安装有朝向外侧支撑块的顶推杆，所述顶推杆的端部设有与外侧支撑块半球形凹槽配合的半圆形球头。

5.根据权利要求4所述的适用于核聚变堆偏滤器遥操作的盒体锁紧机构，其特征在于：所述的半球形凹槽为两处，所述顶推杆以及其端部的半圆形球头均为两个。

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