控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳動件耐磨性研究

李維　楊方亮　楊曉晨　孫啟航　張智峰　劉佳

【摘 要】控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）是反應(yīng)堆本體中唯一的運(yùn)動設(shè)備，其結(jié)構(gòu)可靠性直接關(guān)系到反應(yīng)堆啟動、功率調(diào)節(jié)、功率維持、正常停堆及事故工況下的安全停堆等。滾輪與絲杠是CRDM的關(guān)鍵傳動部件，磨損失效是其最主要的失效模式。本文在研究傳動件耐磨可靠性分析方法的基礎(chǔ)上，對其建立了耐磨性分析的數(shù)學(xué)模型。通過分析傳動件的結(jié)構(gòu)特性和材料特性，在研究過程中采用材料特性試驗(yàn)和設(shè)備磨損試驗(yàn)的方法進(jìn)行結(jié)果對比，獲取重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效指導(dǎo)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于提高控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的耐磨性具有重要指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】CRDM；滾輪；試驗(yàn)研究；磨損

【Abstract】The control rod drive machine（CRDM） is the unique equipment which owns relative motion in a pressurized water reactor，and its reliability makes great influence on reactor startup， power regulation， power operation， reactor shutdown and emergency shutdown and so on. Abrasion is primary invalidation way of trolley and screw which is important drive of CRDM. Based on the research of analytical method on reliability in driver part， the paper established a mathematical model of wearing analysis. Through the analysis of the structure characteristics and material properties of driver of CRDM， we got the important result on the method of material properties test and wearing test of CRDM. Then it instructed the design of CRDM. The theory this paper introduced is significant to improve the wearing of driver of CRDM.

【Key words】Control Rod Drive Mechanism（CRDM）； Trolley； Test； Wearing

0 引言

磨損失效是機(jī)械設(shè)備主要失效形式之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1-2]，約有1/3～1/2的能源損耗于摩擦與磨損，約80%的機(jī)器零件失效是由磨損引起的。近年來，提高機(jī)械部件耐磨性的研究越來越受到國內(nèi)外的廣泛重視?？刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)作為反應(yīng)堆中唯一的活動部件，安全性和可靠性直接影響到反應(yīng)堆的安全與運(yùn)行，而采用滾輪絲杠螺旋副傳動原理的反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)，磨損是其主要的失效模式。因此，提高其傳動件部件耐磨性具有重要意義。

1 通用磨損可靠性模型

磨損可靠性是指設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的使用條件下，摩擦副的實(shí)際磨損量在許用磨損量范圍內(nèi)的可能性。對于磨損可靠性，工程上常用的失效判斷準(zhǔn)則為實(shí)際磨損量大于許用磨損量，即當(dāng)實(shí)際磨損量小于許用磨損量時(shí)正常；當(dāng)實(shí)際磨損量大于許用磨損量時(shí)失效。設(shè)摩擦副在某一時(shí)刻t時(shí)的許用磨損量和實(shí)際磨損量分別為Wmax、W，則該摩擦副可靠性計(jì)算的極限狀態(tài)方程為：

2 傳動件磨損可靠性模型

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳動件形式如圖1所示。對滾輪絲杠傳動副而言，在其整個(gè)運(yùn)行周期中，滾輪每個(gè)輪齒一直處于嚙合狀態(tài)，而絲杠的輪齒則處于交替滾輪運(yùn)行；按照單個(gè)行程往返時(shí)間計(jì)算，每個(gè)滾輪輪齒的磨損時(shí)間約為絲杠輪齒的100倍。因此，對于傳動件的耐磨性分析實(shí)際就是對滾輪零件的耐磨性分析。

磨損是一個(gè)多階段的損傷過程，按照經(jīng)典理論磨損過程可分為3個(gè)階段[3]：跑合磨損階段Ⅰ、穩(wěn)定磨損階段Ⅱ、劇烈磨損階段III。對于滾輪絲杠螺旋副，其表面加工質(zhì)量較好、精度高，也遵循這個(gè)經(jīng)典規(guī)律。當(dāng)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，滾輪磨損量與其使用周期的線性關(guān)系可表示為：

滾輪磨損量與磨損周期關(guān)系可以用磨損曲線來表示，典型的磨損曲線如圖2所示。根據(jù)滾輪絲螺旋副的傳動特點(diǎn)，跑合磨損階段和劇烈磨損階段周期較短。如忽略跑合磨損階段和劇烈磨損階段的情況下，滾輪磨損是一個(gè)均勻磨損過程，磨損量按照公式1呈線性增長。

3 傳動件耐磨因素分析

基于傳動件磨損可靠性分析模型，在承受額定載荷下，影響滾輪耐磨性的主要因素為滾輪零件的結(jié)構(gòu)特性和材料特性。

3.1 結(jié)構(gòu)特性

滾輪與絲杠的嚙合關(guān)系簡化模型如圖3所示。根據(jù)滾輪絲杠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在不改變結(jié)構(gòu)外部接口的條件下，滾輪與絲杠的齒形越厚，即滾輪耐磨損量越大，滾輪的耐磨周期越長。

3.2 材料特性

根據(jù)金屬材料性能分析，材料的硬度與耐磨性能直接相關(guān)，材料基體硬度越高，零件耐磨性越好。對于滾輪絲杠傳動副中，合理匹配滾輪與絲杠的硬度關(guān)系，對降低滾輪磨損量具有重要意義。

基于以上分析，在磨損機(jī)上按照硬度高材料承載，開展了兩組不同硬度材料試樣的對磨試驗(yàn)，采用稱重法進(jìn)行評估。

對比試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖4所示，其中試驗(yàn)選取的基準(zhǔn)硬度以X表示，硬度差以△X表示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)一（硬度差為2△X HRC）的磨損量少于試驗(yàn)二（硬度差為△X HRC），增大兩種材料硬度差大能減少對磨損耗。因此，滾輪作為主要損耗件，應(yīng)選擇硬度較高材料；在與絲杠材料硬度匹配關(guān)系上，應(yīng)考慮增大兩種材料的硬度差。

綜上所述，對于滾輪零件的設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮加大齒形厚度，選材上應(yīng)考慮提高材料硬度，且應(yīng)合理增大滾輪材料與絲杠材料硬度差值。

4 模擬試驗(yàn)研究

由于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)使用的特殊環(huán)境，要求易損件具有良好的抗震性能、耐磨性能和耐腐蝕性能，因此在選材上對各項(xiàng)性能的均衡性要求較高。在充分對比相關(guān)金屬材料特性基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)合理增大了滾輪齒形厚度，選擇兩種硬度不同的沉淀硬化型不銹鋼材料作為選材對象，進(jìn)行深入試驗(yàn)研究。

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料：（X+△X）HRC與（X+2△X）HRC不同硬度的兩種金屬材料。

試樣尺寸：按照零件尺寸1：1加工，試件1（X+△X）HRC、試件2（X+2△X）HRC。

試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)本體與控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)整機(jī)。

試驗(yàn)方法：按照滾輪實(shí)際運(yùn)行條件，配合設(shè)備整機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，比較不同硬度下的材料耐磨性能。

評定方法：以磨損最嚴(yán)重的齒形的厚度損耗量作為磨損率的評定標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）運(yùn)行至約1個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期轉(zhuǎn)時(shí)試件1（X HRC）磨損率62.76%，試件2（48HRC）磨損率為14.97%；

（2）運(yùn)行至約1.4個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期時(shí)試件1齒形失效，磨損量為100%；試件2運(yùn)行至約2個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期時(shí)磨損率為31.95%；

（3）試件2運(yùn)行至約3個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期轉(zhuǎn)時(shí)磨損率為37.83%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試件1在運(yùn)行至1.4個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期時(shí)齒形失效，而試件2在運(yùn)行至3個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期時(shí)，磨損量不足50%，運(yùn)行壽命遠(yuǎn)高于試件1，且使用裕量充足。

4.4 小結(jié)

（1）根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，滾輪的磨損趨勢與傳動件的可靠性分析模型基本保持一致；

（2）通過試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)傳動件材料硬度差，有利于提高易損件使用壽命；

（3）選擇試件2材料較適合控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)滾輪工程應(yīng)用。

5 結(jié)論

（1）本文在機(jī)械磨損失效原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合磨損可靠性基本理論，提出了滾輪絲杠螺旋副磨損可靠性分析模型。通過分析確定了影響傳動件耐磨性的主要因素，并開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

（2）通過材料對比試驗(yàn)與整機(jī)磨損試驗(yàn)研究，有效驗(yàn)證了分析模型的準(zhǔn)確性，并有效指導(dǎo)了控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫志禮，王超.磨損的模糊可靠性設(shè)計(jì)[J].東北工學(xué)院學(xué)報(bào)，Vol.13，NO.4，1992.

[2]劉洪志.磨損與磨損可靠性[J].中國制造業(yè)信息化，2009，38（17）：65-67.

[3]劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996：281-287.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]