剛性鏈系統在熱室設備上的應用探究

摘要：針對核工業行業熱室空間有限的條件，熱室及進出熱室的設備要求小的體積。剛性鏈在長行程運動中，拉動時可以像普通鏈條一樣卷曲，推動時又有千斤頂一般的剛性，并且體積小，將其應用于熱室設備，可以減小設備的整體體積。介紹了剛性鏈、氣缸、油缸、電缸的應用特點，對比其在動作方向上的安裝尺寸、出力大小、系統復雜程度等參數，從對比數據中可以看出剛性鏈的應用優勢，特別是在動作方向上的安裝尺寸小這一優勢明顯。熱室軌道式運輸車采樣剛性鏈作為其升降驅動，可以實現其小體積，滿足熱室設備的要求。

關鍵詞：熱室"剛性鏈"氣缸"油缸

Exploration"of"the"Application"of"Rigid"Chain"System"in"Hot"Chamber"Equipment

SHEN"Yuxiang"""QI"Jiuquan"""ZHANG"Shuangming

CNNC"Qinshan"Isotope"Co.，"Ltd.，"Jiaxing，"Zhejiang"Province，"314300"China

Abstract："In"response"to"the"limited"space"of"the"hot"chamber"in"the"nuclear"industry，"small"volumes"are"required"for"the"hot"chamber"and"the"equipment"entering"and"exiting"the"hot"chamber."In"long-distance"motion，"rigid"chains"can"curl"like"ordinary"chains"when"pulled，"and"have"thenbsp;rigidity"of"a"jack"when"pushed."They"are"also"small"in"size"and"can"be"applied"to"hot"chamber"equipment"to"reduce"the"overall"volume"of"the"equipment."This"article"introduces"the"respective"application"characteristics"of"rigid"chains，"cylinders，"hydro-cylinders，"and"electric"cylinders，"and"compares"their"installation"dimensions，"output"size，"system"complexity，"and"other"parameters"in"the"direction"of"action."From"the"comparative"data，"it"can"be"seen"the"application"advantages"of"rigid"chains，"especially"the"small"installation"size"in"the"direction"of"action，"which"has"obvious"advantages."The"hot"chamber"rail"transport"vehicle，"with"a"sampling"rigid"chain"as"its"lifting"drive，"can"achieve"a"small"volume"and"meet"the"requirements"of"hot"chamber"equipment.

Key"Words："Hot"chamber;"Rigid"chain;"Cylinder;"hydro-cylinder

在核工業行業，熱室[1]是進行高放射性實驗和操作的屏蔽小室，是核工業行業中非常重要的用于科學研究的實驗室。由于熱室空間有限，要求熱室設備[2]有高度的自動化和小的體積。剛性鏈在直線運動中，拉動時可以像普通鏈條一樣卷曲，推動時又有千斤頂一般的剛性。因剛性鏈的這一獨特優點，將其用于熱室設備的長行程直線運動，可以大大節約安裝空間，減小設備的整體外形體積。本文對比研究了有相似直線驅動功能的氣缸、油缸、電缸等執行器在垂直升降運動中的應用，確認剛性鏈在直線驅動機構中具有直線運動方向的安裝尺寸小、出力大等凸出優勢。

1"剛性鏈與氣缸、油缸和電缸的應用對比研究

1.1"剛性鏈介紹

剛性鏈條又稱推拉鏈條，是一種特殊鏈條，它既可以像普通鏈條一樣卷曲，又可以像千斤頂等那樣傳遞推力（如圖1所示）。

剛性鏈條具有柔性，可以卷曲貯存，相比齒輪齒條傳動和螺旋傳動，可以大大節約安裝空間或降低對安裝空間的要求，這在長行程的推拉運動或升降運動等某些應用場合顯示出其獨特的優點。由于剛性鏈條既有普通鏈條一樣的柔性，又有千斤頂一般的剛性，在一定場合的應用顯示出其獨特的優點，因此，其獲得國內外重視，并將其開發成一種工業化的傳動器件，供工業部門或其他部門應用。

1.1.1"剛性鏈的研究現狀

在國外，有些廠家如法國的Serapid公司、德國的Framo公司和加拿大的Trans-Quip公司將剛性鏈開發成工業化、系列化的傳動通用部件投放市場，應用于眾多行業，如生產線上的物料搬運和輸送、舞臺機械中的升降臺（垂直運動）和車臺（水平運動）、包裝機械、木材加工機械、核電站設備、軍隊設備等領域的線性動作器或自動化裝置等。

在國內，剛性鏈的研發處于跟隨階段，很多企業都是利用現有的成熟技術生產剛性鏈并應用于眾多行業。

1.1.2"剛性鏈系統的工作原理

剛性鏈實現剛柔轉換，用作遠距離作業時所需要的“伸縮臂”。剛性鏈系統由儲存鏈條箱體、鏈條、驅動裝置、前端附板等組成。剛性鏈各個矩形鏈節的結構相同，并可以借助縱向兩側的凸緣與凹槽相互插接，使其不能相互運動而成“剛性”；當剛性鏈節運動到驅動裝置轉向處時，兩側的凸緣與凹槽脫離插接，鏈節間可自由運動而呈“柔性”[3]。剛性鏈在升降運動方向上的小尺寸是通過把剛性鏈垂直方向的鏈節轉換成水平方向的鏈節而實現。

剛性鏈采用伺服電機驅動，可以實現高精度控制，也可以實現多個剛性鏈的同步動作控制，重復精度小于0.5～1"mm，并可在任一行程位置自鎖。

1.2""氣缸、油缸、電缸的介紹

氣缸、油缸、電缸的技術都比較成熟，應用也比較普遍。下面只介紹其各自在使用方面的優、缺點。

氣缸是將壓縮氣體的壓力能轉換為往復直線運動（此處只探討直線運動）機械能的氣動執行元件。氣缸有結構簡單、輕便、安裝維護便捷、成本低、動作速度快等優點，但有出力小、多個氣缸動作的同步控制不易、不能在任一行程位置自鎖、軸向安裝尺寸大等缺點。

油缸在結構和原理上與氣缸相似，只是把氣缸的壓縮空氣換成了高壓液壓油。油缸有結構簡單、安裝維護便捷、出力大等優點，但油缸不能單獨工作，要配相應的液壓站，因此，油缸有成本高、控制系統復雜、軸向安裝尺寸大、不能在任一行程位置自鎖、多個油缸動作的同步控制不易等缺點[4]。

電缸是使用伺服電機通過絲桿傳動實現其軸軸向直線運動的執行機構。電缸有結構簡單、輕便、安裝維護便捷、出力大、控制精度高、在任一行程位置自鎖等優點，但有成本高、軸向安裝尺寸大等缺點。

1.3"剛性鏈與氣缸、油缸和電缸的應用對比

剛性鏈與氣缸、油缸、電缸的應用對比是在同一個系統中比較其使用參數，如安裝空間、系統復雜程度等。

剛性鏈系統具有在大行程直線運動驅動工況下實現小體積、大驅動力這一獨特優點，已經被廣泛用于核工業行業的大行程直線驅動機構和大行程升降驅動機構中。熱室的軌道式運輸車的升降臺也采用了剛性鏈驅動機構，剛性鏈升降臺系統運行穩定[5]、安全可靠。結構見圖2所示。

該升降平臺技術參數要求：升降行程800"mm，平臺上表面在最低點時高400"mm，最大負載8"000"kg，安全系數K取2.0。

1.3.1"剛性鏈與其它直線運動執行機構對比

根據上述實例的技術參數，若采用氣缸、油缸、電缸的方案，則無法實現。因為氣缸、油缸、電缸的安裝空間超過其本身的動作行程，即在該實例中，其本體動作方向的尺寸會大于800"mm，無法滿足平臺上表面在最低點時高400"mm的要求，所以，對于在動作方向上的小尺寸安裝空間且動作行程比較大的工況，使用剛性鏈是唯一選擇。

1.3.2"剛性鏈系統與氣缸出力對比

實例中8"000"kg負載，氣缸的參數（壓縮空氣壓力=0.6"MPa），內徑D=2√KT/πP=2√2*80000/3.14*600"000≈0.58284"m≈600"mm。如此大的氣缸不能買到標準產品，氣缸方案在大負載的應用中不太容易實現。

2"剛性鏈驅動舉升機構面板的靜力學仿真

實例中，舉升機構面板額定負載8"t，為確保機構面板變形在安全范圍，對上述面板進行有限元分析。

利用Solidworks-Simulation軟件進行仿真計算和求解，通過仿真計算，得到受力分析圖（如圖3所示），顯示機構在兩條剛性鏈的支撐下，在上述負載作用情況下，材料最大應力在兩個支撐面邊緣處為1.78×108"Pa"，遠低于材料Q235B的屈服極限2.35×108"pa。受力分析圖見下。

通過變形仿真分析，得到圖4所示的變形圖，顯示兩個對角線角上最大變形為1.990"mm，原始長度（1"220"mm）×（拉伸率26%/100）=3.2"mm，仍然處于安全范圍。

由以上仿真分析，可以得出以下結論：舉升機構面板在負載大于8"t的載荷下，面板變形和所受應力處于安全范圍。

3"結語

根據剛性鏈的特點，特別是其在動作方向上的體積小的特點，熱室設備引入剛性鏈系統，可以在狹窄工況空間下使用。通過熱室軌道式運輸車的實例，對比各機構的應用參數，剛性鏈機構優點突出：在動作方向上，安裝尺寸小；出力大，可以在大出力的工況下使用；結構簡單，便于維護；動作靜音，停機自鎖性強；運行平穩，多組剛性鏈可以實現同步運行，保證了良好的同步性；運行精度高，控制系統可實現精準便捷的調控。

參考文獻

[1]"張志鵬，茍家元，孫宇，等.移動式屏蔽檢查熱室輻射防護解決方案[J].科學技術創新，2020（7）：1-3.

[2]"張英子，秦凱.剛性鏈式直線推動裝置的設計與動力學仿真分析[J].機械制造與自動化，2020，49（5）：91-94.

[3]"火照晶.剛性鏈升降組合臺穩定性分析[J].機械研究與應用，2020，33（1）：99-101.

[4]"賀虎成，譚阜琛，劉博濤，等.剛性聯接雙電機系統功率平衡控制策略[J].電機與控制學報，2024，28（2）：162-173.

[5]"趙斌，吳慶春，汪連城，等.堆積剛性鏈條下降的多次碰撞求解[J].物理通報，2021（1）：70-72.