托卡馬克是一種受控核聚變技術(shù)研究裝置,其利用磁約束原理將高溫等離子體聚集在裝置內(nèi)部超高真空狀態(tài)的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中進(jìn)行聚變反應(yīng)相關(guān)的研究實驗。其中,托卡馬克環(huán)形腔內(nèi)側(cè)的第一壁結(jié)構(gòu)在研究實驗中高溫等離子體放電過程的不斷沖擊作用下可能發(fā)生損壞現(xiàn)象,這對于研究實驗的順利進(jìn)行乃至整個托卡馬克實驗系統(tǒng)的安全都是嚴(yán)重威脅。因此,有必要定期在腔內(nèi)高溫等離子體放電實驗的間歇期內(nèi)對環(huán)形腔第一壁結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行全方位快速檢查,在不破壞腔內(nèi)原有實驗環(huán)境狀態(tài)的前提下完成環(huán)形腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的維護工作,保證高溫等離子體研究實驗的安全、順利進(jìn)行。本文在已有腔內(nèi)作業(yè)機械臂方案基礎(chǔ)上,針對“先進(jìn)實驗超導(dǎo)托卡馬克”腔內(nèi)超大環(huán)形作業(yè)空間的第一壁維護工作需求提出了一種基于自鋪軌道原理的弧形伸縮大臂結(jié)構(gòu)機械臂解決方案。機械臂主要由進(jìn)腔平臺、套筒式弧形伸縮大臂、平面小臂以及末端執(zhí)行器等四個部分組成,具有托卡馬克環(huán)形腔狹窄操作窗口的進(jìn)腔能力、腔內(nèi)超大環(huán)形作業(yè)空間的覆蓋能力以及腔內(nèi)D形作業(yè)截面復(fù)雜幾何約束條件的適應(yīng)能力。加工制造了機械臂原型樣機并在托卡馬克真實比例模型腔中進(jìn)行了模擬腔內(nèi)超大環(huán)形作業(yè)空間完整維護作業(yè)過程的驗證實驗。針對機械臂原型... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

托卡馬克環(huán)形腔內(nèi)部和腔內(nèi)作業(yè)機械臂系統(tǒng)

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文—2—所示），一方面可能會給實驗過程中的等離子體帶來雜質(zhì)污染影響而導(dǎo)致等離子體熄滅，另一方面可能會導(dǎo)致環(huán)形腔外側(cè)更大范圍的托卡馬克結(jié)構(gòu)損傷，破壞托卡馬克裝置的完整性甚至引起更嚴(yán)重的安全事故。因此，有必要定期對環(huán)形腔內(nèi)部第一壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查維護以確保其完整性，從而保證腔內(nèi)等離子體實驗過程的順利進(jìn)行乃至整個托卡馬克實驗裝置的安全[8,9]。圖1-2托卡馬克真空腔第一壁磚塊損壞圖例[10]Fig.1-2Thetokamakvacuumvesselfirstwalldamageexamples然而，托卡馬克環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中的等離子體放電研究實驗需要在超高潔凈度的真空環(huán)境下進(jìn)行，這種腔內(nèi)狀態(tài)的達(dá)到和維持都需要非常高昂的成本。將環(huán)形腔內(nèi)部環(huán)境恢復(fù)到常溫常壓的普通環(huán)境狀態(tài)以進(jìn)行檢查維護工作、之后再調(diào)整到實驗需要的超高潔凈度真空環(huán)境狀態(tài)可能需要3-6個月時間之久[11,12]。此外，等離子體放電過程中產(chǎn)生的中子會對環(huán)形腔壁面材料引起活化效性，導(dǎo)致腔內(nèi)環(huán)境長時間處于危險的殘留輻射狀態(tài)，整個輻射消退過程可達(dá)數(shù)月之久�？紤]到托卡馬克裝置的整體復(fù)雜程度，在等離子體放電實驗研究實際進(jìn)行過程中通過開腔方法，在常溫、常壓、無輻射狀態(tài)來進(jìn)行第一壁結(jié)構(gòu)的人工維護作業(yè)，將會嚴(yán)重阻礙其中開展的等離子體放電實驗研究進(jìn)程。因此，期望在不開腔的狀態(tài)下、在環(huán)形腔內(nèi)部等離子體放電研究實驗的間歇期內(nèi)直接完成對于第一壁結(jié)構(gòu)的完整性檢查以及進(jìn)一步的維護操作，比如取樣、拆卸、裝配、搬運等——此時環(huán)形腔內(nèi)部將會處于一種具有高溫、高真空、強核輻射條件的綜合極端環(huán)境。一種能夠通過托卡馬克裝置內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間快速部署到環(huán)形腔內(nèi)部，能夠適應(yīng)環(huán)形腔內(nèi)部綜合極端工作環(huán)境且不會影響到腔內(nèi)原有的超高潔凈度真空狀態(tài)，在等離子體放電實?

第一章緒論—3—機械臂（如圖1-3所示），將極大的提升托卡馬克實驗裝置的實際運行效率、降低維護成本。圖1-3腔內(nèi)檢查機械臂案例：常規(guī)環(huán)境（左）和真空環(huán)境（右）[13]Fig.1-3In-vesselinspectionmanipulatorexmaple:airstate(left)andvacuumstate(right)本文為解決托卡馬克環(huán)形腔內(nèi)部極端環(huán)境下的第一壁結(jié)構(gòu)維護任務(wù)需求，提出了一種基于自鋪軌道原理的弧形伸縮大臂結(jié)構(gòu)腔內(nèi)作業(yè)機械臂方案，并完成了原型樣機的設(shè)計和制造。采用原型樣機進(jìn)行了托卡馬克環(huán)形腔作業(yè)模擬實驗，機械臂作業(yè)過程大臂結(jié)構(gòu)變形研究，以及機械臂整機高溫環(huán)境適應(yīng)性研究。針對機械臂腔內(nèi)綜合極端環(huán)境作業(yè)的關(guān)節(jié)驅(qū)動需求，采用彈性金屬波紋管結(jié)構(gòu)包裹轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)核心伺服驅(qū)動元器件的方式實現(xiàn)了對于腔內(nèi)綜合極端環(huán)境因素的主動防護設(shè)計，現(xiàn)場實驗測試結(jié)果表明了防護方案的有效性和可靠性。1.2課題來源本課題的研究開展得到了以下項目的資助和支持：（1）科技部國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃專項——托卡馬克遙操作柔性內(nèi)窺機械臂的研究，課題編號：2012GB102001；（2）國家自然科學(xué)基金項目，面向托卡馬克腔內(nèi)維護作業(yè)的自鋪軌道式機械臂宏動平臺剛度優(yōu)化及動態(tài)構(gòu)型控制，課題編號：51275286；（3）國家自然科學(xué)基金項目，飛機復(fù)合材料裝配中協(xié)調(diào)形變與內(nèi)應(yīng)力耦合作用機理和工藝控制研究，課題編號：51775350。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀核聚變是一種清潔的可再生能源利用形式，將有望替代核裂變反應(yīng)堆以解決目前核能利用過程中的潛在核污染危害[14-16]。目前人類在受控核聚變技術(shù)上的研究依

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