控制棒驅動機構動鉤爪組件動作時間影響因素分析

李維+楊博+張智峰+陳剛+鄧強+于天達

【摘 要】針對磁力提升型控制棒驅動機構冷熱態性能試驗中鉤爪組件動作響應時間波動較大的問題，對控制棒驅動機構步進運動過程中鉤爪組件的運動特性進行了研究，并以緩沖軸動作狀態為例。分析了驅動機構在提升和下插運動過程中緩沖軸的不同動作狀態；建立了緩沖軸依靠彈簧力和重力下插運動時間的數值計算模型；通過MATLAB軟件編程計算獲得了不同運動狀態下間隙、彈簧剛度、負載與緩沖軸下插運動時間的關系曲線，分析了相關結構參數對動作時間的影響，找到了引起鉤爪組件運動時間大幅度波動的關鍵因素。

【關鍵詞】控制棒驅動機構；鉤爪組件；動作時間；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

國內壓水堆核電站普遍采用控制棒驅動機構為磁力提升型結構，主要工作原理是通過三組電磁線圈按照給定的時序通電和斷電帶動鉤爪組件對應的磁極和銜鐵機械運動，從而帶動驅動桿組件上、下運動或靜止不動，實現反應堆的調節功率或安全停堆。因此，鉤爪組件作為控制棒驅動機構部件中唯一的運動部件，其動作的準確性和及時性直接影響到了控制棒驅動機構運行的可靠性。本文主要以鉤爪組件緩沖軸的動作響應時間為例，進行控制棒驅動機構動作時間影響因素分析。

本文通過鉤爪組件動作原理及受力分析，建立了緩沖軸工作狀態下的數值計算模型；分析影響緩沖軸動作的關鍵結構參數，繪制相關參數與緩沖軸動作時間的曲線；確定了影響控制棒驅動機構鉤爪組件動作時間的的主要因素。

1 基本運動原理

驅動機構的提升或下插是通過線圈組件接收指定指令，三組線圈按照一定時序通電斷電，帶動鉤爪組件內對應的磁極和銜鐵動作，通過鉤爪帶動驅動桿進行步進運動實現的。

驅動機構在鉤爪組件進行提升和下插動作中，均會重力和彈簧力的作用下引起緩沖軸的下降運動，因此存在緩沖軸動作的響應時間。其主要動作過程如下：

（1）在提升運動過程中，保持鉤爪與驅動桿嚙合后，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空載向下的擠水運動。

（2）在下插運動過程中，移動鉤爪與驅動桿嚙合后，提升線圈斷電，提升銜鐵、緩沖軸及驅動桿在彈簧力和重力作用下做一個負載向下的擠水運動。

通過對驅動機構運動的動作（提升或下插）狀態分析，可以確定影響緩沖軸動作狀態的主要因素應包括：彈簧力、負載狀態以及運動過程中溫度和擠水間隙影響。

2 數學模型

緩沖軸下落擠水運動過程中，主要受到重力、彈簧力、浮力、機械阻力與流體阻力的影響，其運動簡化模型見圖2。

3 受力分析及數值求解

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本身重力或負載時本身重力與負載重力之和兩種狀態。

2）浮力F浮力

整個鉤爪組件都浸沒在冷卻劑中，受到浮力作用，可取常數。

3）機械阻力F機械阻力

根據工程試驗經驗，驅動機構步進運動中，緩沖軸空載向下時驅動機構機械阻力趨近于0，緩沖軸帶載下插運動時整個驅動線機械阻力最大約10N，在此忽略機械阻力的影響。

4）彈簧力F彈簧力

3.2 關鍵參數取值方法

緩沖軸在不同運動狀態下的計算參數存在一定差異性，包括空載和負載狀態下負荷的不同，冷態和熱態狀態下彈簧剛度的不同、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，在進行計算前，確定了關鍵參數的取值方法：

1）空載或負載下的重力依據實測取值；

2）彈簧剛度可通過計算獲得；

3）流體的密度和粘度可查表取值；

4）冷態下的間隙采用名義設計尺寸計算；

5）熱態下的間隙采用材料熱膨脹系數進行計算。

3.3 數值求解

將數值計算模型通過MATLAB編程計算，可以得到緩沖軸運動狀態下間隙、彈簧剛度與運動時間的關系曲線以及冷熱態環境條件下不同負載與運動時間的關系曲線。

3.3.1 間隙-時間關系曲線

緩沖軸不同運動狀態下的間隙-時間關系曲線見圖3。通過圖3可以看出：

（1）在冷態或熱態狀態下，緩沖軸空載運動時間均大于負載運動時間；

（2）在冷態或熱態狀態下，緩沖運動時間都隨間隙增加而較為平緩地減小；

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

3.3.2 彈簧剛度-時間關系曲線

彈簧剛度-時間關系曲線見圖4。通過圖4可以看出：

（1）在負載狀態下，負載重力起主要作用，緩沖軸運動時間受彈簧剛度影響可以忽略；

（2）在空載狀態下，由于不受負載影響，緩沖軸運動時間隨彈簧剛度的增加而減小，彈簧剛度每增加1N/mm將導致運動時間減小約3ms。

3.3.3 負載-時間關系曲線

負載-時間關系曲線見圖5。通過圖5可以看出，無論在冷態還是熱態狀態下，運動時間隨負載的增加而減小，當負荷增加到100kg后，負載每增加10kg將導致緩沖軸的運動時間減小約2.5～3ms。

3.4 結果分析

通過以上計算分析，彈簧剛度和負載影響對緩沖軸動作時間影響較小，而擠水間隙對緩沖軸動作過程中的響應時間的影響最大。同時，由于冷、熱態狀態下緩沖軸擠水間隙的不同，也決定了緩沖軸在冷、熱態試驗條件下的動作時間存在差異性。

4 影響分析

通過對鉤爪組件緩沖軸動作時間影響因素的分析，根據鉤爪組件各活動部件動作狀態相似的結構特點可以得到以下推論：

（1）鉤爪組件的彈簧剛度和負載影響對動作響應時間相對較小，而鉤爪組件的關鍵間隙尺寸對動作響應時間影響較大。

（2）由于冷、熱態試驗條件下金屬材料的熱膨脹效應導致鉤爪組件關鍵間隙尺寸變化，以致冷、熱態試驗條件下鉤爪組件的動作時間存在差異性。

【參考文獻】

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[2]Akio Tanaka，Development of a 3-D simulation analysis system for PWR control rod drive mechanism[J].Japan：ational Journal of Pressure Vessels and Piping，2008：659-660.

[責任編輯：王楠]