中國(guó)先進(jìn)研究堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改進(jìn)空程實(shí)驗(yàn)

徐鵬程 甄建霄

摘 要：中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）現(xiàn)役控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上存在一定缺陷，因而對(duì)該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了改進(jìn)。改進(jìn)型機(jī)構(gòu)空程的設(shè)計(jì)目標(biāo)為達(dá)到現(xiàn)役機(jī)構(gòu)空程一半以內(nèi)，為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用控制變量法分別針對(duì)棒速、電流、摩擦力、負(fù)載等因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的空程較現(xiàn)役驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)縮小了約一半，達(dá)到了改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)；并且確定了該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)空程的影響因素主要是銜鐵和線圈的連接剛度以及系統(tǒng)摩擦力。

關(guān)鍵詞：中國(guó)先進(jìn)研究堆 空程 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TL36216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（c）-0003-03

Experiment on Idle Stroke of Improved Control Rod Drive Mechanism in China Advance Research Reactor

Xu Pengcheng Zhen Jianxiao

（China Institute of Atomic Energy， Beijing 102413， China）

Abstract：There are some defects in the design of the control rod drive mechanism which is actively serving in China Advance Research Reactor （CARR）. Because of the defects， a method was proposed to improve the mechanism. Theoretically， idle stroke of the improved mechanism is half of that of actively serving mechanism. To verify the improvement， experiments， which were about the influence elements like the speed of the rod， current， frictional force and the load of the mechanism， were designed with control variables method.The results showed that idle stroke were reduced about two-thirds after the improvement， which had achieved the design aim.Besides， the main influencing factors， the frictional force of the system and the coupling stiffness of armature and coil， of idle stroke were determined.

Key words：China advance research reactor；Idle stroke；Experiments on improvement

中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）是一座輕水冷卻，重水慢化的反中子阱型池式多用途研究堆，既可以滿足中子散射實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)研究的需要，又能滿足核工業(yè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要，其主要性能指標(biāo)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）現(xiàn)役控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。該控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用可動(dòng)線圈傳動(dòng)方式，銜鐵處于與池殼密封相連的密封筒內(nèi)，電磁線圈處于密封筒外。當(dāng)電磁線圈通電且銜鐵處于線圈內(nèi)時(shí)，功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)PLC執(zhí)行操縱員站發(fā)出的指令，由步進(jìn)電機(jī)軸控模塊（CFY）發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（TLD）驅(qū)動(dòng)安裝在滾珠絲杠下方的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)直接轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)線圈上下運(yùn)動(dòng)，處于線圈內(nèi)的銜鐵將跟隨線圈運(yùn)動(dòng)或保持在給定的位置上。銜鐵通過檢修抓頭與連桿相連，連桿與控制棒的下端剛性連接，推動(dòng)控制棒上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁線圈斷電時(shí)，包括補(bǔ)償棒、連桿、銜鐵的運(yùn)動(dòng)組件將在重力作用下下落，直至控制棒落入堆芯。此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高的有點(diǎn)，但在堆內(nèi)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)線圈和銜鐵運(yùn)動(dòng)不同步，尤其在轉(zhuǎn)向時(shí)，出現(xiàn)線圈動(dòng)、銜鐵不動(dòng)的現(xiàn)象，即所謂的空程。

為改善這種空程現(xiàn)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出改進(jìn)，進(jìn)行了電磁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)計(jì)算與設(shè)計(jì)[2]。經(jīng)過改進(jìn)，理論上改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向空程比現(xiàn)役驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小，實(shí)際的效果如何則需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；另外，為保證安全，改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能直接入堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，搭建堆外實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)空程實(shí)驗(yàn)[3]。

堆內(nèi)現(xiàn)役驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)靜態(tài)下空程約為8mm，動(dòng)態(tài)下空程約為4mm。經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在靜態(tài)下空程小于4mm，動(dòng)態(tài)下空程小于2mm。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下位機(jī)采用Schneider公司PL7軟件完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與控制程序的編制，控制的功能有運(yùn)動(dòng)控制、位移設(shè)定、棒速設(shè)定等。上位機(jī)通過Intellution公司ifix組態(tài)軟件完成人機(jī)界面的繪制，ifix由針對(duì)于TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的MBE驅(qū)動(dòng)程序?qū)L7采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)賦予ifix數(shù)據(jù)庫(kù)，并將相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示于人機(jī)界面上，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)包括線圈位置，棒位，偏差信號(hào)，棒速，光柵尺讀數(shù)等。操作人員根據(jù)相關(guān)的操作按鈕和數(shù)據(jù)窗對(duì)補(bǔ)償棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控與監(jiān)督。Ifix同時(shí)完成歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用以繪制跟隨特性曲線。控制系統(tǒng)和控制界面如圖1和圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)定

為測(cè)定控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向空程，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：

（1）在靜態(tài)模擬（約承重74kg）下，分別進(jìn)行斷續(xù)與連續(xù)的轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)，分別測(cè)定兩種情況下的下插轉(zhuǎn)提升和提升轉(zhuǎn)下插空程；進(jìn)行改變電流、移動(dòng)速度、初始位置情況下的轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)。

（2）加載摩擦力測(cè)定轉(zhuǎn)向空程。

（3）在動(dòng)態(tài)模擬下（承重約190kg）下測(cè)定轉(zhuǎn)向空程。

2.2 數(shù)據(jù)處理背景及方法

本研究中進(jìn)行的控制棒位移轉(zhuǎn)向空程實(shí)驗(yàn)基于以下背景進(jìn)行：

（1）試驗(yàn)中讀數(shù)有線圈位置光柵尺讀數(shù)兩項(xiàng)主要讀數(shù)。線圈位置為系統(tǒng)給出的目標(biāo)位置，由旋轉(zhuǎn)編碼器控制；光柵尺的光柵讀數(shù)頭裝置在控制棒上部的砝碼箱中，跟隨控制棒絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，這里將光柵尺讀數(shù)作為控制棒棒位的絕對(duì)讀數(shù)。

（2）設(shè)定的光柵尺零點(diǎn)與線圈零點(diǎn)相同，但由于空程的存在，提升后，光柵尺讀數(shù)本身就與線圈位置讀數(shù)有差。

（3）線圈位移誤差和光柵尺讀數(shù)誤差為系統(tǒng)誤差。

根據(jù)以上背景，采用的誤差處理方法為：由于所要測(cè)定的參數(shù)就是控制棒的轉(zhuǎn)向空程，所以在試驗(yàn)中，每次轉(zhuǎn)向后將沿轉(zhuǎn)向后的方向再走一步作為實(shí)驗(yàn)調(diào)整步，以使控制棒完全脫離上一次空程的影響；每次實(shí)驗(yàn)分別得到三個(gè)提升轉(zhuǎn)下插空程和三個(gè)下插轉(zhuǎn)提升空程，求均值作為測(cè)量值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二，可得看出：由于系統(tǒng)誤差的存在（約±0.1mm），斷續(xù)測(cè)得的空程和連續(xù)測(cè)得的空程基本一致，斷續(xù)測(cè)量工作量較大，多次測(cè)量時(shí)耗嚴(yán)重，因而在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中均采用連續(xù)步長(zhǎng)測(cè)定的方法。符合靜態(tài)下空程小于4mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三，可以看出：棒速對(duì)轉(zhuǎn)向空程沒有影響或影響不可觀測(cè)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)四，可以看出：線圈的通電電流對(duì)控制棒空程有一定影響，即提高線圈的通電電流能夠使控制棒的轉(zhuǎn)向空程得到改善。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)五，可以看出：摩擦力對(duì)轉(zhuǎn)向空程有著較大的影響，增大摩擦力，空程增大。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)六，可以看出：負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)向空程有較大影響，增加負(fù)載，空程減小。

4 原理分析

首先指出空程產(chǎn)生的原因。這里給出銜鐵相對(duì)于線圈不同位置時(shí)提升力的變化曲線，如圖3所示。當(dāng)線圈向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，銜鐵受到提升力逐漸加大，此時(shí)當(dāng)線圈改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，銜鐵受到的提升力并不沿著向上的提升力曲線減小，提升力減小緩慢，只有當(dāng)其提升力減小至向下提升力曲線時(shí)，方隨著向下提升力曲線減小。當(dāng)線圈運(yùn)動(dòng)方向由下變上時(shí)，提升力增加緩慢。這種現(xiàn)象造成了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度下降，相比單一的受力曲線，這就意味著需要更大的力方能使銜鐵的相對(duì)位置發(fā)生1mm的位移。上述分析表明：由于控制棒驅(qū)動(dòng)線在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到摩擦力，雖然滑動(dòng)摩擦力可以認(rèn)為是一個(gè)常量；但在線圈發(fā)生轉(zhuǎn)向，銜鐵不動(dòng)的階段，摩擦力為靜摩擦力，是一個(gè)方向與大小都在變化著的量，在此過程中，由于銜鐵相對(duì)于線圈位置而引起的電磁提升力的變化量在被變化的摩擦力抵消，從而使銜鐵處于力學(xué)平衡狀態(tài)，導(dǎo)致空程的產(chǎn)生。

那么，當(dāng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的剛度有增加時(shí)，空程會(huì)得到改善。增加線圈的通電電流可以使提升力在銜鐵與線圈在相對(duì)位置不變時(shí)增大；增大控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載則可以使銜鐵與線圈的相對(duì)位置往最大提升力位置方向靠近，即增大負(fù)載，提升力增大。提升力增大，則剛度增加。所以上述試驗(yàn)中，可以看到：增大線圈的通電電流和增大控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載都使空程得到有效的減少。

當(dāng)我們?cè)黾域?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力時(shí)，在轉(zhuǎn)向中需要抵消的摩擦力就更多，想要打破力學(xué)平衡狀態(tài)，就需要更多的行程，這也就是摩擦力對(duì)空程的影響作用。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）在靜態(tài)模擬下改進(jìn)型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向空程約2.8mm；在動(dòng)態(tài)模擬下改進(jìn)型控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向空程約1.3mm。符合理論規(guī)律。

（2）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向空程與是否進(jìn)行斷續(xù)/連續(xù)測(cè)定無(wú)關(guān)，與棒速無(wú)關(guān)。

（3）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載和線圈通電電流對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向空程有一定影響。這是由于這兩者的增大都有利于提高線圈和銜鐵的連接剛度。

（4）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在的機(jī)械摩擦力對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向空程有較大影響。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中增加摩擦力到堆內(nèi)現(xiàn)役機(jī)構(gòu)摩擦力，測(cè)得動(dòng)態(tài)模擬下空程為1.8 mm，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)

[1] Tsutomu YORITSUNE，etc.In-vessel Type Control Rod Drive Mechanism Using Magnetic Force Latching for a Very Small Reactor[J]. Journal of NUCLEAR SCIENCE and Technology，2002，39（8）.

[2] 張繼革.反應(yīng)堆控制棒可移動(dòng)線圈電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究[D].北京：清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，2003.

[3] 馬倉(cāng)，等.控制棒可移動(dòng)線圈電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈剛度實(shí)驗(yàn)[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2006，40（3）.