一種用于線性接力驅動的彈簧離合器結構設計

楊仲元　李修園

【摘 要】燃料轉運裝置是核電站內燃料操作與貯存系統的重要換料設備之一。它的主要功能是在反應堆停堆換料期間，通過燃料轉運通道在反應堆廠房和燃料廠房之間往返運輸燃料組件。由于“華龍一號”三代核電機組采用了雙層安全殼設計，導致燃料轉運裝置原有的驅動方式無法滿足廠房布置要求。本文基于接力驅動設計理念，研究了一套全新的離合器結構設計，滿足“華龍一號”燃料轉運裝置驅動機構的全新要求，更可適用于其他線性接力驅動的工作環境。

【關鍵詞】接力驅動；離合器；線性；彈簧

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0008-003

【Abstract】Fuel Transfer Facility is one of the most significant facilities in Fuel Handling and Storage System. Its main function is to transfer the fuel assemblies through the fuel transfer tube between the reactor building and fuel building. Because of the double-shell design in HPR1000， the 3rd generation nuclear power station， the original drive mode cant meet the requirements of the buildings arrangement. So based on the design concept of relay drive， we designed a brand new structure of clutch to meet the driven requirements of Fuel Transfer Facility in HPR1000， which also could be used in other linear drive mode.

【Key words】Relay drive； Clutch； Linear； spring

1 概述

燃料轉運裝置是燃料操作與貯存系統的重要換料設備之一，它的主要服務對象是燃料組件。它的主要功能是：

（1）在反應堆停堆換料期間，在反應堆廠房和燃料廠房之間轉運新燃料組件和乏燃料組件；

（2）在反應堆運行期間，將反應堆廠房與燃料廠房隔離開，確保安全殼的密封性和完整性。

“華龍一號”核電機組由于三代核電站雙層安全殼的設計，燃料轉運通道的長度與二代核電站相比有了很大的增加，原有的驅動運輸方式在受限的廠房空間內已無法滿足使用要求[1]。通過查閱相關資料，調研國內外情況，多個方案論證，最終確定通過兩套驅動機構接力驅動的辦法來完成運輸小車從反應堆廠房到燃料廠房運輸燃料組件的工作。

為解決接力驅動過程中的碰撞、干涉和不同步問題，響應國家關于“一帶一路”中自主知識產權的政策，研發了一種用于線性接力驅動的彈簧離合器結構設計，應用于接力驅動的每套驅動機構中，滿足“華龍一號”燃料轉運裝置驅動機構的全新需求，更可適用于其他線性接力驅動的工作環境。

2 接力驅動介紹

接力驅動理念，即設置多套（≥2）驅動裝置，通過運輸對象首尾在前后驅動裝置上的搭接，接力完成其長行程的運輸。

將接力驅動理念應用到燃料轉運裝置的線性運輸領域，即為：

在反應堆廠房和燃料廠房設置兩套運輸小車驅動裝置，每套驅動裝置各設置一套彈簧離合器，通過運輸過程中齒輪齒條搭接完成整個傳動過程，依靠兩個傳動鏈完成一個傳動動作，如圖3所示[2]。

接力驅動對于驅動機構有如下要求：

（1）在齒輪與齒條接觸瞬間，避開嚙合死區，防止機構卡死；

（2）在齒輪與齒條初始嚙合階段，提供超越空間，避免剛性碰撞；

（3）在雙驅動過程中，不因雙驅動的不同步而產生剛性碰撞，同時良好傳遞扭矩，保證齒條穩定前進；

（4）在雙驅動結束階段，齒輪齒條能夠平穩脫離嚙合，空載齒輪復位。

因此，需要在每套驅動機構上設置一套離合器，來解決以上問題，保證設備在接力驅動過程的良好運行。

3 零部件結構

3.1 驅動軸

驅動軸結構如圖4所示，在端部設有一個鍵槽用于安裝軸鍵。軸鍵與齒輪內齒位于同一軸向平面內，在特定位置時二者側向接觸配合并產生相互作用力，此時離合器處于接合狀態，否則離合器處于超越狀態。鍵槽側面設置彈簧環形導向槽，當彈簧繞驅動軸產生拉伸變形時，利用彈簧的回彈力將彈簧緊緊箍在導向槽里，從而限制彈簧軸向竄動，避免對其他零部件產生影響。導向槽內開有彈簧定位通孔，提供彈簧的安裝空間，通過限制簧身來軸向固定彈簧的運動平面。

3.2 齒輪

齒輪結構如圖5所示，采用環形中空結構，供驅動軸穿過，其內徑尺寸保證驅動軸與齒輪在一定角度范圍內各自獨立運動而不采用常規剛性連接。在通孔上下設有兩個彈簧固定柱，提供彈簧的安裝支撐點。齒輪中空內部設有內齒，在特定位置與軸鍵接觸配合，使離合器接合，其余狀態下離合器超越。

3.3 拉伸彈簧

空載狀態時，彈簧保持筆直狀態。當彈簧繞驅動軸纏繞產生變形時，為離合器提供復位彈性勢能，當離合器空載時，該彈性勢能使離合器復位。

4 結構原理

在離合器空載狀態下，拉伸彈簧處于筆直狀態，拉伸彈簧、齒輪內齒、軸鍵位于同一徑向面上，離合器整體為對稱結構。因此，驅動軸與齒輪之間具有雙向旋轉自由度，其角度相同且小于180°，自由度的大小由齒輪內齒自身的外形角度決定。在負載狀態下，驅動軸軸鍵與齒輪內齒配合傳遞驅動力矩。

以燃料轉運裝置中應用的彈簧離合器為例，離合器提供順時針、逆時針方向上共計300°的旋轉自由度：以軸鍵作為基準點，在逆時針方向上從軸鍵到齒輪輪齒的夾角為？漬逆，？漬逆即為離合器在逆時針方向上的超越空間；在順時針方向上從軸鍵到齒輪輪齒的夾角為？漬順=300°-？漬逆，？漬逆即為離合器在順時針方向上的超越空間。

如圖7所示，若驅動軸相對于齒輪逆時針旋轉，則拉伸彈簧在環形槽內產生瞬時針方向的拉伸，此時拉伸彈簧提供給齒輪的復位力將為逆時針方向；若驅動軸相對于齒輪順時針旋轉，則拉伸彈簧在環形槽內產生逆時針方向的拉伸，此時拉伸彈簧提供給齒輪的復位力將為順時針方向。

5 工作流程

以彈簧離合器在燃料轉運裝置上的應用為例，一個單向接力驅動工作流程基本可以分為四個階段，具體如下：

（1）齒輪齒條接觸瞬間

如圖8所示，右側驅動軸轉動，通過右側齒輪驅動齒條前進，至接觸左側齒輪輪齒的瞬間。此時若接觸作用力通過左側齒輪的輪齒表面指向齒輪中心時，即出現受力卡死現象。因此基于彈簧離合器超越和復位的功能，可通過儀控手段控制左側驅動軸，從而進一步控制左側齒輪輪齒的迎接角度，使左側齒輪保持在圖8所示的設定位置，即可使輪齒與齒條的接觸避開嚙合死區。

（2）進入完全嚙合過程

如圖9所示，當齒條和左側齒輪的初始接觸避開嚙合死區之后，為了讓二者進入良好的嚙合狀態，需要有一個自適應過程，即齒條推動左側齒輪轉動，直至完全嚙合。在此自適應過程中，要求僅左側齒輪被驅動，左側齒輪內部的驅動軸靜止。齒條在右側齒輪的驅動下向左側齒輪前進，在接觸后左側齒輪將在齒條的帶動下做逆時針旋轉，左側離合器的超越空間保證了嚙合過程的順利進行。

當齒輪在齒條的帶動下相對于空載時的位置旋轉了100°時，可視為進入完全嚙合狀態，此時左側齒輪的驅動軸啟動，右側的驅動軸依舊維持原有轉速，進入雙驅動過程。

（3）雙驅動過程

進入雙驅動過程后，左側驅動軸開始啟動進行逆時針旋轉，轉速高于右側驅動軸，在此過程中，保持右側驅動軸驅動右側齒輪、右側齒輪驅動齒條、齒條驅動左側齒輪狀態，左側離合器的逆時針超越空間？漬逆減小，直至變為0°。在一個短暫的過渡之后，由于左側驅動軸轉速高于右側驅動軸轉速，完成驅動狀態的切換，即：

右側驅動軸驅動右側齒輪、右側齒輪驅動齒條、齒條驅動左側齒輪 →

左側驅動軸驅動左側齒輪，左側齒輪驅動齒條，齒條驅動右側齒輪。

當左側離合器的逆時針旋轉自由度？漬逆變為0時，左側齒輪由齒條驅動轉變為左側齒輪驅動。之后過程中，保持左側驅動軸驅動左側齒輪、左側齒輪驅動齒條、齒條驅動右側齒輪的狀態。同時，右側離合器的超越空間？漬逆由0°不斷增大，？漬順由300°不斷減小，直至齒條脫離右側齒輪。

（4）齒條脫離齒輪→下一次準備進入嚙合

當齒條脫離右側齒輪后，右側驅動軸繼續旋轉，至設定位置后停止。在此過程中，由于右側離合器內部拉伸彈簧的彈性勢能，右側齒輪將相對于右側驅動軸做逆時針旋轉，完成復位。當右側驅動軸靜止后，復位后的右側離合器為齒條從左向右運動產生的再次嚙合做好準備。

6 結論

本文針對燃料轉運裝置在“華龍一號”三代核電機組廠房布置下的應用問題，設計了一種彈簧離合器，并詳細地介紹了其結構特點，對其應用原理進行了解析說明。該離合器結構簡單，性能可靠，具有對稱的雙向接合、超越功能，自復位性能良好，不止滿足“華龍一號”燃料轉運裝置驅動機構的全新要求，更可適用于其他線性接力驅動的工作環境。

【參考文獻】

[1]唐興貴，李建奇，等.“華龍一號”燃料操作與貯存系統關鍵設備設計.《中國核電》雜志社.中國核電，2017年12月第10卷第4期.

[2]李建奇，張鑫，等.雙安全殼燃料轉運裝置研制總結報告[R].北京：中國核電工程有限公司，2016.