控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鉤爪組件動(dòng)作時(shí)間影響因素分析

李維+楊博+張智峰+陳剛+鄧強(qiáng)+于天達(dá)

【摘 要】針對(duì)磁力提升型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)冷熱態(tài)性能試驗(yàn)中鉤爪組件動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間波動(dòng)較大的問(wèn)題，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鉤爪組件的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并以緩沖軸動(dòng)作狀態(tài)為例。分析了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在提升和下插運(yùn)動(dòng)過(guò)程中緩沖軸的不同動(dòng)作狀態(tài)；建立了緩沖軸依靠彈簧力和重力下插運(yùn)動(dòng)時(shí)間的數(shù)值計(jì)算模型；通過(guò)MATLAB軟件編程計(jì)算獲得了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下間隙、彈簧剛度、負(fù)載與緩沖軸下插運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線，分析了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)作時(shí)間的影響，找到了引起鉤爪組件運(yùn)動(dòng)時(shí)間大幅度波動(dòng)的關(guān)鍵因素。

【關(guān)鍵詞】控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；鉤爪組件；動(dòng)作時(shí)間；間隙

【Abstract】In this paper，latch assemblys motion time of Magnetic Lifting Control Rod Drive Mechanism（CRDM） in the stepping process are studied，which has significant fluctuation in the cold and hot test. Analyzed the different motion state of the movable latch support in stepping process. Built numerical calculation model of movable latch supports interpolated motion under gravity and the spring force. By Matlab the influence factors of movement time are obtained ，such as clearance size of the mechanism，spring stiffness and load in different state，found the key structure parameters which make the moment time of the movable latch support has significant fluctuation.

【Key words】Control Rod Drive Mechanism； Latch assembly； Motion time； Clearance

0 引言

國(guó)內(nèi)壓水堆核電站普遍采用控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為磁力提升型結(jié)構(gòu)，主要工作原理是通過(guò)三組電磁線圈按照給定的時(shí)序通電和斷電帶動(dòng)鉤爪組件對(duì)應(yīng)的磁極和銜鐵機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿組件上、下運(yùn)動(dòng)或靜止不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的調(diào)節(jié)功率或安全停堆。因此，鉤爪組件作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件中唯一的運(yùn)動(dòng)部件，其動(dòng)作的準(zhǔn)確性和及時(shí)性直接影響到了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。本文主要以鉤爪組件緩沖軸的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間為例，進(jìn)行控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間影響因素分析。

本文通過(guò)鉤爪組件動(dòng)作原理及受力分析，建立了緩沖軸工作狀態(tài)下的數(shù)值計(jì)算模型；分析影響緩沖軸動(dòng)作的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，繪制相關(guān)參數(shù)與緩沖軸動(dòng)作時(shí)間的曲線；確定了影響控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉤爪組件動(dòng)作時(shí)間的的主要因素。

1 基本運(yùn)動(dòng)原理

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的提升或下插是通過(guò)線圈組件接收指定指令，三組線圈按照一定時(shí)序通電斷電，帶動(dòng)鉤爪組件內(nèi)對(duì)應(yīng)的磁極和銜鐵動(dòng)作，通過(guò)鉤爪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在鉤爪組件進(jìn)行提升和下插動(dòng)作中，均會(huì)重力和彈簧力的作用下引起緩沖軸的下降運(yùn)動(dòng)，因此存在緩沖軸動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間。其主要?jiǎng)幼鬟^(guò)程如下：

（1）在提升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，保持鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿嚙合后，提升線圈斷電，提升銜鐵及緩沖軸在彈簧力和重力作用下做一個(gè)空載向下的擠水運(yùn)動(dòng)。

（2）在下插運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，移動(dòng)鉤爪與驅(qū)動(dòng)桿嚙合后，提升線圈斷電，提升銜鐵、緩沖軸及驅(qū)動(dòng)桿在彈簧力和重力作用下做一個(gè)負(fù)載向下的擠水運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作（提升或下插）狀態(tài)分析，可以確定影響緩沖軸動(dòng)作狀態(tài)的主要因素應(yīng)包括：彈簧力、負(fù)載狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中溫度和擠水間隙影響。

2 數(shù)學(xué)模型

緩沖軸下落擠水運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要受到重力、彈簧力、浮力、機(jī)械阻力與流體阻力的影響，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。

3 受力分析及數(shù)值求解

3.1 受力分析

1）重力F重力

緩沖軸受到的重力主要包括空載時(shí)本身重力或負(fù)載時(shí)本身重力與負(fù)載重力之和兩種狀態(tài)。

2）浮力F浮力

整個(gè)鉤爪組件都浸沒(méi)在冷卻劑中，受到浮力作用，可取常數(shù)。

3）機(jī)械阻力F機(jī)械阻力

根據(jù)工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)中，緩沖軸空載向下時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械阻力趨近于0，緩沖軸帶載下插運(yùn)動(dòng)時(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)線機(jī)械阻力最大約10N，在此忽略機(jī)械阻力的影響。

4）彈簧力F彈簧力

3.2 關(guān)鍵參數(shù)取值方法

緩沖軸在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)存在一定差異性，包括空載和負(fù)載狀態(tài)下負(fù)荷的不同，冷態(tài)和熱態(tài)狀態(tài)下彈簧剛度的不同、流體密度和粘度的不同，緩沖軸與保持磁極名義間隙的不同。因此，在進(jìn)行計(jì)算前，確定了關(guān)鍵參數(shù)的取值方法：

1）空載或負(fù)載下的重力依據(jù)實(shí)測(cè)取值；

2）彈簧剛度可通過(guò)計(jì)算獲得；

3）流體的密度和粘度可查表取值；

4）冷態(tài)下的間隙采用名義設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算；

5）熱態(tài)下的間隙采用材料熱膨脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.3 數(shù)值求解

將數(shù)值計(jì)算模型通過(guò)MATLAB編程計(jì)算，可以得到緩沖軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下間隙、彈簧剛度與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線以及冷熱態(tài)環(huán)境條件下不同負(fù)載與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線。

3.3.1 間隙-時(shí)間關(guān)系曲線

緩沖軸不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的間隙-時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。通過(guò)圖3可以看出：

（1）在冷態(tài)或熱態(tài)狀態(tài)下，緩沖軸空載運(yùn)動(dòng)時(shí)間均大于負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)間；

（2）在冷態(tài)或熱態(tài)狀態(tài)下，緩沖運(yùn)動(dòng)時(shí)間都隨間隙增加而較為平緩地減??；

（3）在間隙大于0.19mm時(shí)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨間隙增加而較為平緩地減小，空載狀態(tài)下間隙每增加0.01mm將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)時(shí)間減小約10ms；在間隙小于0.19mm時(shí)，緩沖軸在各種狀態(tài)下的擠水運(yùn)動(dòng)時(shí)間均有較大幅度的增加，冷態(tài)空載狀態(tài)下間隙每減小0.01mm將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加約90ms，熱態(tài)空載狀態(tài)下間隙每減小0.01mm將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加約35ms。

3.3.2 彈簧剛度-時(shí)間關(guān)系曲線

彈簧剛度-時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。通過(guò)圖4可以看出：

（1）在負(fù)載狀態(tài)下，負(fù)載重力起主要作用，緩沖軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間受彈簧剛度影響可以忽略；

（2）在空載狀態(tài)下，由于不受負(fù)載影響，緩沖軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨彈簧剛度的增加而減小，彈簧剛度每增加1N/mm將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)時(shí)間減小約3ms。

3.3.3 負(fù)載-時(shí)間關(guān)系曲線

負(fù)載-時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。通過(guò)圖5可以看出，無(wú)論在冷態(tài)還是熱態(tài)狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨負(fù)載的增加而減小，當(dāng)負(fù)荷增加到100kg后，負(fù)載每增加10kg將導(dǎo)致緩沖軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間減小約2.5～3ms。

3.4 結(jié)果分析

通過(guò)以上計(jì)算分析，彈簧剛度和負(fù)載影響對(duì)緩沖軸動(dòng)作時(shí)間影響較小，而擠水間隙對(duì)緩沖軸動(dòng)作過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間的影響最大。同時(shí)，由于冷、熱態(tài)狀態(tài)下緩沖軸擠水間隙的不同，也決定了緩沖軸在冷、熱態(tài)試驗(yàn)條件下的動(dòng)作時(shí)間存在差異性。

4 影響分析

通過(guò)對(duì)鉤爪組件緩沖軸動(dòng)作時(shí)間影響因素的分析，根據(jù)鉤爪組件各活動(dòng)部件動(dòng)作狀態(tài)相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以得到以下推論：

（1）鉤爪組件的彈簧剛度和負(fù)載影響對(duì)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較小，而鉤爪組件的關(guān)鍵間隙尺寸對(duì)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間影響較大。

（2）由于冷、熱態(tài)試驗(yàn)條件下金屬材料的熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致鉤爪組件關(guān)鍵間隙尺寸變化，以致冷、熱態(tài)試驗(yàn)條件下鉤爪組件的動(dòng)作時(shí)間存在差異性。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]