质子治疗装置大回转架支撑驱动系统的运动机理及分析

    质子治疗装置是粒子放射治疗的主流装备，由加速器及输运线和多个治疗室组成，治疗室分为固定治疗室和回转治疗室(Gantry 治疗室)。固定治疗室中，治疗头水平放置，固定不动；回转治疗室中，治疗头及上游临近输运线安装在大回转架(Gantry)上，围绕等中心点作±185°旋转。支撑驱动系统是 Gantry旋转的动力来源，使其进行高分辨率旋转并完成治疗头从任一角度对肿瘤照射，而不损害其他器官。Gantry 支撑驱动系统设计的优劣直接影响最终治疗效果，因此须对 Gantry 支撑驱动系统进行设计分析。

    1 结构和原理

    1.1 结构组成

    上海应用物理研究所研制的质子治疗装置Gantry 总重约 190 吨，最大直径约 15 m，长度约13 m。采用浮动叉式摩擦轮组支撑驱动方式(图 1)。支撑驱动系统底座上对称焊接枢纽轴安装支耳，该枢纽轴用于安装等腰三角形结构的大三角立板，顶角处通过回转枢纽安装在底座上。在大三角立板的底角处各有一个枢纽轴，用于安装等腰三角形结构的小三角立板，顶角处通过枢纽与大三角立板相连，在其底角处安装支撑驱动滚轮，用于承载 Gantry 的前后环。因此，每个环共有 8 个支撑驱动滚轮支撑。由于每个滚轮的重量都超过 30 吨，根据其空间结构和承载特点，选用圆柱滚子轴承连接支撑驱动滚轮与小三角立板。支撑驱动系统的大枢纽轴与 Gantry环中心组成等边三角形。同一环支撑驱动系统的底座间，用大梁连接在一起。如此的支撑组合，能达到自动取正平衡的效果。

    1.2 接触应力分析

    Gantry 环与支撑驱动滚轮接触区的压力分布符合赫兹接触理论，如图 2 所示，Gantry 环与支撑驱动滚轮的接触区域并非直线，而是一个有效宽度为2a 的矩形面。

   接触区的宽度和压力分布为^[1]

式中，P=P_Z/B₁为单位长度支撑驱动滚轮所受的正压力，B₁是接触区域长度为滚轮长度，P_Z是 Gantry环施加在支撑驱动滚轮上的接触压力(单位：N/m)；R 为 Gantry 环与支撑动滚轮相对曲率半径，与Gantry 环半径 R₂和支撑驱动滚轮半径 R有关，可 1/R=1/R₁+1/R₂计算(单位：m)；E*为 Gantry 环与支撑驱动滚轮的当量弹性模量，与支撑驱动滚轮弹性模量 E₁和泊松比 v₁及 Gantry 环弹性模量 E₂和泊松比 v2有关，由 1/E*=(1–v₁²)/E₁+(1–v²2)/E₂计算(单位：Pa)；p(x)为沿 Gantry 环与支撑驱动滚轮接触面区域切线方向的分布压力(单位：Pa)；x 是接触面区域切线方向的坐标值，接触区域中间处 x 坐标为 0。