高溫氣冷堆控制棒圓環(huán)鏈提升裝置設(shè)計(jì)與分析

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(1.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312;2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

高溫氣冷堆是以石墨為慢化劑、氦氣為冷卻劑的高溫反應(yīng)堆，是一種固有安全性好、發(fā)電效率高的先進(jìn)核反應(yīng)堆[1-3]。在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，控制棒系統(tǒng)用以進(jìn)行反應(yīng)性控制，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式[4]。圓環(huán)鏈實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)與控制棒的連接，控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動圓環(huán)鏈上下運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)控制棒在堆芯內(nèi)的上下運(yùn)動。控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于壓力容器頂蓋上方，共有24組，每4組為1個(gè)單元，每個(gè)單元包括2組直通式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)和2組外置式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

在長期運(yùn)行過程中，因控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)可能會出現(xiàn)故障，故存在對控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)解體維修的需求。在控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)拆卸過程中，由于操作空間狹小，結(jié)構(gòu)干涉可能性較大，且控制棒懸掛長度較長，由此需有專用裝置輔助快速處理圓環(huán)鏈，安全可靠地實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)與控制棒的快速拆卸分離。在此過程中，應(yīng)保證控制棒、圓環(huán)鏈、驅(qū)動機(jī)構(gòu)及專用裝備均與周圍結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生干涉，且圓環(huán)鏈提升控制棒過程中不能產(chǎn)生較大擺動。當(dāng)故障嚴(yán)重，無法使用提升裝置時(shí)，需要剪斷圓環(huán)鏈，無法再回收，只能作為最后的處理措施。

本文針對高溫氣冷堆控制棒驅(qū)動系統(tǒng)解體維修處理需求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種圓環(huán)鏈提升裝置，使其滿足功能性、通用性、安全性和可操作性等各方面要求，并通過ADAMS多體動力學(xué)仿真軟件，對環(huán)鏈提升過程中圓環(huán)鏈橫向振動情況進(jìn)行模擬。

1 控制棒檢修提升裝置設(shè)計(jì)要求

高溫氣冷堆控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)殼體是一回路壓力邊界的一部分，一旦拆除驅(qū)動機(jī)構(gòu)，就破壞了一回路壓力邊界，導(dǎo)致原有的氦氣氣氛被破壞。故控制棒驅(qū)動系統(tǒng)解體維修時(shí)，首先需要建立氣氛隔離系統(tǒng)，然后使用氣氛隔離系統(tǒng)中的起吊裝置拆除并提升驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在保證一回路內(nèi)氣氛不外泄的前提下，氣氛隔離系統(tǒng)內(nèi)部固定安裝專用的圓環(huán)鏈提升裝置，實(shí)現(xiàn)控制棒提升，最終進(jìn)行控制棒與驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間快速拆卸，完成控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的解體維修。

當(dāng)直通式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要檢修時(shí)，可由環(huán)鏈提升裝置配合氣氛隔離裝置直接將其豎直提升。當(dāng)外置式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要檢修時(shí)，由于其上方存在直通式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的法蘭結(jié)構(gòu)，其豎直提升高度的極限為205 mm，圓環(huán)鏈處理裝置需要能在高度為205 mm、寬度為390 mm的狹窄通道內(nèi)完成所有操作輔助快速提升圓環(huán)鏈。

因此,圓環(huán)鏈處理裝置主要用于控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)拆裝過程中輔助快速提升圓環(huán)鏈，實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)與控制棒的快速拆卸分離，使控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)能夠離線維修，避免維修人員長時(shí)間面對放射性風(fēng)險(xiǎn)。在有限的空間中，環(huán)鏈處理裝置必須滿足以下要求：

a.功能要求。在控制棒驅(qū)動系統(tǒng)無法正常工作并需解體維修時(shí)，圓環(huán)鏈提升裝置需具備自主提升圓環(huán)鏈的功能，使控制棒升至高溫氣冷堆頂蓋開孔處。

b.通用要求。圓環(huán)鏈提升裝置需滿足直通式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)和外置式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)2種控制棒解體維修需求，具備通用性。

c.空間要求?？刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)布置極其緊湊，尤其是外置式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)，由于其上方存在直通式控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的法蘭結(jié)構(gòu)，其提升高度受限，故圓環(huán)鏈提升裝置設(shè)計(jì)和操作邊界值僅為205 mm，如圖1所示。

d.安全要求。控制棒通過504節(jié)φ10×30圓環(huán)鏈與控制機(jī)構(gòu)相連，圓環(huán)鏈與控制棒組件質(zhì)量為262.5 kg，為防止控制棒提升過程中出現(xiàn)動力故障等安全事故，圓環(huán)鏈提升裝置需考慮機(jī)械自鎖。

2 環(huán)鏈提升裝置結(jié)構(gòu)組成

圓環(huán)鏈提升裝置由運(yùn)載單元、卷鏈單元和升降單元3個(gè)部分組成。圓環(huán)鏈提升裝置整體寬度為380 mm，在工作過程中其長度可達(dá)1 107 mm，最大高度為201 mm，整體模型如圖2所示。

圖2 圓環(huán)鏈提升裝置整體模型

2.1 運(yùn)載單元

運(yùn)載單元主要由運(yùn)載平臺、鎖定機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌組成，如圖3所示。導(dǎo)軌固定在氣氛隔離裝置內(nèi)部，為運(yùn)載平臺運(yùn)動提供行走軌道并導(dǎo)向。鎖定機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)載平臺上，當(dāng)運(yùn)載平臺到達(dá)指定位置時(shí)，通過該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的固定支撐。運(yùn)載平臺主體呈平板狀，其尾部裝有2塊推板，便于工作人員在氣氛隔離裝置外部推動小車，其頭部裝有2塊豎板，用于安裝直線導(dǎo)軌，使卷鏈單元可相對運(yùn)載單元垂直運(yùn)動。

圖3 運(yùn)載單元模型

2.2 卷鏈單元

卷鏈單元通過直線導(dǎo)軌與運(yùn)載單元連接，由驅(qū)動電機(jī)+減速器+蝸輪蝸桿+鏈輪傳動鏈路，實(shí)現(xiàn)環(huán)鏈的提升，其中蝸輪蝸桿傳動可實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動自鎖。由于圓環(huán)鏈的提升是通過鏈輪與環(huán)鏈間的嚙合實(shí)現(xiàn)，需保證鏈輪卷鏈時(shí)不發(fā)生跳鏈，并使圓環(huán)鏈在鏈輪上具有足夠的嚙合包角，因此卷鏈機(jī)構(gòu)上還設(shè)有2個(gè)輔助壓緊輪，如圖4所示。

圖4 輔助壓緊輪示意

壓緊輪主要由壓緊輪軸及安裝在壓緊輪軸末端的2個(gè)軸承組成，兩軸承之間有1個(gè)軸套。圓環(huán)鏈卷繞過程，始終與兩軸承及軸套所形成的環(huán)槽面接觸配合，從而防止圓環(huán)鏈橫向擺動或跳鏈。卷鏈提升初期，由操作人員手動壓入左側(cè)壓緊輪，該壓緊輪設(shè)置1個(gè)插銷鎖定機(jī)構(gòu)，可在鏈輪帶動下轉(zhuǎn)動90°，之后鎖定機(jī)構(gòu)在預(yù)緊彈簧作用下與鏈輪斷開連接，左側(cè)壓緊輪不再隨鏈輪轉(zhuǎn)動，此后由操作人員再壓入右側(cè)壓緊輪，從而保證圓環(huán)鏈在鏈輪上具有90°以上的轉(zhuǎn)動包角。

2.3 升降單元

當(dāng)環(huán)鏈提升達(dá)到指定長度時(shí)，為便于控制棒與圓環(huán)鏈之間拆卸分離后進(jìn)行插銷固定，必須使控制棒的插銷孔從高溫氣冷堆頂蓋開孔處露出足夠的高度，因此需通過升降單元將卷鏈單元整體提升。

升降單元主要由絲杠螺母和2條直線導(dǎo)軌組成，其中絲杠螺母安裝在卷鏈機(jī)構(gòu)內(nèi)部，直線導(dǎo)軌安裝在運(yùn)載單元和卷鏈單元之間，保證兩者相互連接且卷鏈單元可相對運(yùn)載單元上下運(yùn)動。操作人員在氣氛隔離裝置外部可使用棘輪扳手驅(qū)動升降單元絲杠螺母機(jī)構(gòu)，使卷鏈單元整體提升100 mm，以輔助完成控制棒的插銷任務(wù)，如圖5所示。

圖5 輔助壓緊輪示意

3 操縱穩(wěn)定性仿真分析及模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，為了增加提升鏈輪和圓環(huán)鏈的包角，環(huán)鏈鏈輪需抵靠垂直圓環(huán)鏈[5]。在環(huán)鏈鏈輪和圓環(huán)鏈接觸的瞬間，環(huán)鏈鏈輪會對圓環(huán)鏈產(chǎn)生一定大小的瞬時(shí)沖擊力，引起圓環(huán)鏈及其懸掛的控制棒橫向振動。同時(shí)，在圓環(huán)鏈的提升過程中，由于鏈傳動多邊形效應(yīng)，控制棒也會有一定的橫向振動。為了避免圓環(huán)鏈及控制棒橫向振動振幅過大，在堆芯中發(fā)生碰撞，保證控制棒的安全以及環(huán)鏈的順利提升，需要對圓環(huán)鏈和控制棒的振幅大小和振動規(guī)律進(jìn)行研究。因此，本文通過ADAMS多體動力學(xué)軟件，對以下2個(gè)問題進(jìn)行模擬研究：

a.圓環(huán)鏈提升裝置的卷繞鏈輪在接觸圓環(huán)鏈瞬間，圓環(huán)鏈及其懸掛的控制棒橫向振動情況。

b.圓環(huán)鏈在鏈輪卷繞提升過程中，由于鏈傳動多邊形效應(yīng)，圓環(huán)鏈及其懸掛的控制棒橫向振動情況。

3.1 鏈輪接觸瞬間對圓環(huán)鏈橫向振動影響仿真

3.1.1 模型建立

分析對象由504節(jié)圓環(huán)鏈組成，為了保證仿真結(jié)果的可靠性，同時(shí)適當(dāng)減小仿真計(jì)算量，本文選擇40個(gè)圓環(huán)鏈組成的圓環(huán)鏈。在CATIA中建立圓環(huán)鏈仿真模型，并導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，默認(rèn)重力的存在。

3.1.2 參數(shù)和邊界條件設(shè)置

選擇ADAMS軟件中已有的材料類型“steel”，對每個(gè)環(huán)鏈定義材料屬性。選擇創(chuàng)建圓柱體，其中圓柱體頂端在第40個(gè)圓環(huán)鏈的中心上，作為控制棒模型。計(jì)算控制棒的質(zhì)量，以及控制棒相對于第40個(gè)圓環(huán)鏈的慣性矩，并將這些參數(shù)輸入到控制棒的屬性中。

圓環(huán)鏈之間的連接處建立空間鉸，首先選擇相鄰2個(gè)圓環(huán)鏈實(shí)體，再輸入相鄰2個(gè)環(huán)鏈接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，作為空間鉸所在位置。依次對相鄰的2個(gè)環(huán)鏈創(chuàng)建空間鉸。

空間鉸上添加摩擦力，根據(jù)鋼與鋼之間的常見摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，動摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1。

第1個(gè)圓環(huán)鏈和地面創(chuàng)建固定副，第40個(gè)圓環(huán)鏈和控制棒創(chuàng)建固定副，并對圓環(huán)鏈上端鏈輪與環(huán)鏈初始接觸位置，施加如圖6所示橫向脈沖力，保守計(jì)算，該力大小為100 N。

圖6 橫向脈沖力

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

步長設(shè)置為0.01，仿真時(shí)間為150 s，進(jìn)行仿真計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果，分別如圖7～圖9所示。

圖7 控制棒振動位移

圖8 圓環(huán)鏈20振動位移

圖9 圓環(huán)鏈30振動位移

由仿真結(jié)果可知：

a.振動幅度較小。由于控制棒以及總體環(huán)鏈的慣性較大，所以脈沖力引起的振幅較小，振幅在安全范圍之內(nèi)。

b.振動呈衰減趨勢。由于摩擦等因素造成了能量的消耗，使控制棒的振動呈現(xiàn)衰減的趨勢，與工程實(shí)際相符。

3.2 提升過程中環(huán)鏈橫向振動仿真

3.2.1 模型建立

鏈輪卷鏈提升仿真需要較大的計(jì)算量，為了保證仿真結(jié)果的可靠性，同時(shí)適當(dāng)減小仿真計(jì)算量，此處選擇20個(gè)圓環(huán)鏈組成的鏈條。在CATIA中建立鏈條仿真模型，嚴(yán)格保證各個(gè)圓環(huán)鏈之間沒有干涉，并導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，默認(rèn)重力的存在。

3.2.2 參數(shù)和邊界條件設(shè)置

在ADAMS仿真軟件中，選擇ADAMS軟件中已有的材料類型“steel”，對鏈輪和每個(gè)圓環(huán)鏈定義材料屬性。選擇創(chuàng)建圓柱體，其中圓柱體頂端在第20個(gè)圓環(huán)鏈的中心上，作為控制棒模型，并在第20個(gè)圓環(huán)鏈和控制棒之間創(chuàng)建固定副。將控制棒的質(zhì)量以及控制棒相對于第20個(gè)圓環(huán)鏈的慣性矩輸入到控制棒的屬性中。

在圓環(huán)鏈同鏈輪之間創(chuàng)建接觸力避免穿透。為了保證仿真計(jì)算能簡化并穩(wěn)步進(jìn)行，只在平鏈與鏈輪之間設(shè)置接觸[6-7]，選擇接觸碰撞模型。在ADAMS軟件中，利用step函數(shù)提供接觸碰撞模型的計(jì)算公式為

(1)

最后在環(huán)鏈鏈輪和地面之間創(chuàng)建轉(zhuǎn)動副，并對鏈輪添加驅(qū)動使其勻速轉(zhuǎn)動。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

步長設(shè)置為0.001，仿真時(shí)間為8 s，進(jìn)行仿真計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果，分別如圖10和圖11所示。

圖10 控制棒振動位移

圖11 圓環(huán)鏈12振動位移

由圖10和圖11可知，由于多邊形效應(yīng)，控制棒和圓環(huán)鏈會產(chǎn)生一定的橫向振動，但由于控制棒慣性較大，振動幅度較小，故滿足工程要求。

3.3 模擬實(shí)驗(yàn)

制造樣機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)布置如圖12所示。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)布置在距地面6.0 m高處，通過圓環(huán)鏈對50 kg的重物進(jìn)行提升，將重物從距提升裝置5.5 m處提升4.0 m，提升過程中使用激光測距儀對重物的橫向位移進(jìn)行測量。

圖12 樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)過程如圖13所示。通過激光測距儀測量發(fā)現(xiàn)，隨著提升裝置與重物的距離拉近，重物的橫向位移逐漸增大，橫向位移的最大值為10 mm。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是隨著重物的提升，懸掛部分環(huán)鏈及重物的重心越來越靠近提升裝置，受到鏈輪多邊形效應(yīng)的影響越來越大。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)提升過程中重物橫向擺動的規(guī)律一致，說明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)說明提升裝置能夠安全完成圓環(huán)鏈提升，滿足工程實(shí)際要求。

圖13 實(shí)驗(yàn)過程

4 結(jié)束語

對高溫氣冷堆核電站示范工程的控制棒系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了快速處理圓環(huán)鏈的專用裝置。圓環(huán)鏈處理裝置由運(yùn)載單元、卷鏈單元和升降單元3個(gè)部分組成，能夠安全可靠地實(shí)現(xiàn)堆芯內(nèi)剩余圓環(huán)鏈的提升，無需人員進(jìn)入氦氣氛圍，即可快速拆除控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

在圓環(huán)鏈的提升過程中，由于環(huán)鏈鏈輪和圓環(huán)鏈接觸以及鏈傳動多邊形效應(yīng)，控制棒也會產(chǎn)生橫向振動。對圓環(huán)鏈、控制棒的提升過程做了動力學(xué)仿真，對圓環(huán)鏈和控制棒的振幅大小和振動規(guī)律進(jìn)行研究。物理實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明,控制棒和圓環(huán)鏈的振動幅度較小，滿足提升過程中的安全性要求。