刚性链系统在热室设备上的应用探究

刚性链系统在热室设备上的应用探究摘要：针对核工业行业热室空间有限的条件，热室及进出热室的设备要求小的体积。刚性链在长行程运动中，拉动时可以像普通链条一样卷曲，推动时又有千斤顶一般的刚性，并且体积小，将其应用于热室设备，可以减小设备的整体体积。介绍了刚性链、气缸、油缸、电缸的应用特点，对比其在动作方向上的安装尺寸、出力大小、系统复杂程度等参数，从对比数据中可以看出刚性链的应用优势，特别是在动作方向上的安装尺寸小这一优势明显。热室轨道式运输车采样刚性链作为其升降驱动，可以实现其小体积，满足热室设备的要求。关键词：热室"刚性链"气缸"油缸Exploration"of"the"Application"of"Rigid"Chain"System"in"Hot"Chamber"EquipmentSHEN"Yuxiang"""QI"Jiuquan"""ZHANG"ShuangmingCNNC"Qinshan"Isotope"Co.，"Ltd.，"Jiaxing，"Zhejiang"Province，"314300"ChinaAbstract："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在核工业行业，热室[1]是进行高放射性实验和操作的屏蔽小室，是核工业行业中非常重要的用于科学研究的实验室。由于热室空间有限，要求热室设备[2]有高度的自动化和小的体积。刚性链在直线运动中，拉动时可以像普通链条一样卷曲，推动时又有千斤顶一般的刚性。因刚性链的这一独特优点，将其用于热室设备的长行程直线运动，可以大大节约安装空间，减小设备的整体外形体积。本文对比研究了有相似直线驱动功能的气缸、油缸、电缸等执行器在垂直升降运动中的应用，确认刚性链在直线驱动机构中具有直线运动方向的安装尺寸小、出力大等凸出优势。1"刚性链与气缸、油缸和电缸的应用对比研究1.1"刚性链介绍刚性链条又称推拉链条，是一种特殊链条，它既可以像普通链条一样卷曲，又可以像千斤顶等那样传递推力（如图1所示）。刚性链条具有柔性，可以卷曲贮存，相比齿轮齿条传动和螺旋传动，可以大大节约安装空间或降低对安装空间的要求，这在长行程的推拉运动或升降运动等某些应用场合显示出其独特的优点。由于刚性链条既有普通链条一样的柔性，又有千斤顶一般的刚性，在一定场合的应用显示出其独特的优点，因此，其获得国内外重视，并将其开发成一种工业化的传动器件，供工业部门或其他部门应用。在国外，有些厂家如法国的Serapid公司、德国的Framo公司和加拿大的Trans-Quip公司将刚性链开发成工业化、系列化的传动通用部件投放市场，应用于众多行业，如生产线上的物料搬运和输送、舞台机械中的升降台（垂直运动）和车台（水平运动）、包装机械、木材加工机械、核电站设备、军队设备等领域的线性动作器或自动化装置等。在国内，刚性链的研发处于跟随阶段，很多企业都是利用现有的成熟技术生产刚性链并应用于众多行业。刚性链实现刚柔转换，用作远距离作业时所需要的“伸缩臂”。刚性链系统由储存链条箱体、链条、驱动装置、前端附板等组成。刚性链各个矩形链节的结构相同，并可以借助纵向两侧的凸缘与凹槽相互插接，使其不能相互运动而成“刚性”；当刚性链节运动到驱动装置转向处时，两侧的凸缘与凹槽脱离插接，链节间可自由运动而呈“柔性”[3]。刚性链在升降运动方向上的小尺寸是通过把刚性链垂直方向的链节转换成水平方向的链节而实现。刚性链采用伺服电机驱动，可以实现高精度控制，也可以实现多个刚性链的同步动作控制，重复精度小于0.5～1"mm，并可在任一行程位置自锁。1.2""气缸、油缸、电缸的介绍气缸、油缸、电缸的技术都比较成熟，应用也比较普遍。下面只介绍其各自在使用方面的优、缺点。气缸是将压缩气体的压力能转换为往复直线运动（此处只探讨直线运动）机械能的气动执行元件。气缸有结构简单、轻便、安装维护便捷、成本低、动作速度快等优点，但有出力小、多个气缸动作的同步控制不易、不能在任一行程位置自锁、轴向安装尺寸大等缺点。油缸在结构和原理上与气缸相似，只是把气缸的压缩空气换成了高压液压油。油缸有结构简单、安装维护便捷、出力大等优点，但油缸不能单独工作，要配相应的液压站，因此，油缸有成本高、控制系统复杂、轴向安装尺寸大、不能在任一行程位置自锁、多个油缸动作的同步控制不易等缺点[4]。电缸是使用伺服电机通过丝杆传动实现其轴轴向直线运动的执行机构。电缸有结构简单、轻便、安装维护便捷、出力大、控制精度高、在任一行程位置自锁等优点，但有成本高、轴向安装尺寸大等缺点。1.3"刚性链与气缸、油缸和电缸的应用对比刚性链与气缸、油缸、电缸的应用对比是在同一个系统中比较其使用参数，如安装空间、系统复杂程度等。刚性链系统具有在大行程直线运动驱动工况下实现小体积、大驱动力这一独特优点，已经被广泛用于核工业行业的大行程直线驱动机构和大行程升降驱动机构中。热室的轨道式运输车的升降台也采用了刚性链驱动机构，刚性链升降台系统运行稳定[5]、安全可靠。结构见图2所示。该升降平台技术参数要求：升降行程800"mm，平台上表面在最低点时高400"mm，最大负载8"000"kg，安全系数K取2.0。根据上述实例的技术参数，若采用气缸、油缸、电缸的方案，则无法实现。因为气缸、油缸、电缸的安装空间超过其本身的动作行程，即在该实例中，其本体动作方向的尺寸会大于800"mm，无法满足平台上表面在最低点时高400"mm的要求，所以，对于在动作方向上的小尺寸安装空间且动作行程比较大的工况，使用刚性链是唯一选择。实例中8"000"kg负载，气缸的参数（压缩空气压力=0.6"MPa），内径D=2√KT/πP=2√2*80000/3.14*600"000≈0.58284"m≈600"mm。如此大的气缸不能买到标准产品，气缸方案在大负载的应用中不太容易实现。2"刚性链驱动举升机构面板的静力学仿真实例中，举升机构面板额定负载8"t，为确保机构面板变形在安全范围，对上述面板进行有限元分析。利用Solidworks-Simulation软件进行仿真计算和求解，通过仿真计算，得到受力分析图（如图3所示），显示机构在两条刚性链的支撑下，在上述负载作用情况下，材料最大应力在两个支撑面边缘处为1.78×108"Pa"，远低于材料Q235B的屈服极限2.35×108"pa。受力分析图见下。通过变形仿真分析，得到图4所示的变形图，显示两个对角线角上最大变形为1.990"mm，原始长度（1"220"mm）×（拉伸率26%/100）=3.2"mm，仍然处于安全范围。由以上仿真分析，可以得出以下结论：举升机构面板在负载大于8"t的载荷下，面板变形和所受应力处于安全范围。根据刚性链的特点，特别是其在动作方向上的体积小的特点，热室设备引入刚性链系统，可以在狭窄工况空间下使用。通过热室轨道式运输车的实例，对比各机构的应用参数，刚性链机构优点突出：在动作方向上，安装尺寸小；出力大，可以在大出力的工况下使用；结构简单，便于维护；动作静音，停机自锁性强；运行平稳，多组刚性链可以实现同步运行，保证了良好的同步性；运行精度高，控制系统可实现精准便捷的调控。[1]"张志鹏，苟家元，孙宇，等.移动式屏蔽检查热室辐射防护解决方案[J].科学技术创新，2020（7）：1-3.[2]"张英子，秦凯.刚性链式直线推动