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控制棒驱动机构动钩爪组件动作时间影响因素分析

2016-04-05李维杨博张智峰陈刚邓强于天达

科技视界 2016年8期
关键词:间隙

李维+杨博+张智峰+陈刚+邓强+于天达

【摘 要】针对磁力提升型控制棒驱动机构冷热态性能试验中钩爪组件动作响应时间波动较大的问题,对控制棒驱动机构步进运动过程中钩爪组件的运动特性进行了研究,并以缓冲轴动作状态为例。分析了驱动机构在提升和下插运动过程中缓冲轴的不同动作状态;建立了缓冲轴依靠弹簧力和重力下插运动时间的数值计算模型;通过MATLAB软件编程计算获得了不同运动状态下间隙、弹簧刚度、负载与缓冲轴下插运动时间的关系曲线,分析了相关结构参数对动作时间的影响,找到了引起钩爪组件运动时间大幅度波动的关键因素。

【关键词】控制棒驱动机构;钩爪组件;动作时间;间隙

【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

国内压水堆核电站普遍采用控制棒驱动机构为磁力提升型结构,主要工作原理是通过三组电磁线圈按照给定的时序通电和断电带动钩爪组件对应的磁极和衔铁机械运动,从而带动驱动杆组件上、下运动或静止不动,实现反应堆的调节功率或安全停堆。因此,钩爪组件作为控制棒驱动机构部件中唯一的运动部件,其动作的准确性和及时性直接影响到了控制棒驱动机构运行的可靠性。本文主要以钩爪组件缓冲轴的动作响应时间为例,进行控制棒驱动机构动作时间影响因素分析。

本文通过钩爪组件动作原理及受力分析,建立了缓冲轴工作状态下的数值计算模型;分析影响缓冲轴动作的关键结构参数,绘制相关参数与缓冲轴动作时间的曲线;确定了影响控制棒驱动机构钩爪组件动作时间的的主要因素。

1 基本运动原理

驱动机构的提升或下插是通过线圈组件接收指定指令,三组线圈按照一定时序通电断电,带动钩爪组件内对应的磁极和衔铁动作,通过钩爪带动驱动杆进行步进运动实现的。

驱动机构在钩爪组件进行提升和下插动作中,均会重力和弹簧力的作用下引起缓冲轴的下降运动,因此存在缓冲轴动作的响应时间。其主要动作过程如下:

(1)在提升运动过程中,保持钩爪与驱动杆啮合后,提升线圈断电,提升衔铁及缓冲轴在弹簧力和重力作用下做一个空载向下的挤水运动。

(2)在下插运动过程中,移动钩爪与驱动杆啮合后,提升线圈断电,提升衔铁、缓冲轴及驱动杆在弹簧力和重力作用下做一个负载向下的挤水运动。

通过对驱动机构运动的动作(提升或下插)状态分析,可以确定影响缓冲轴动作状态的主要因素应包括:弹簧力、负载状态以及运动过程中温度和挤水间隙影响。

2 数学模型

缓冲轴下落挤水运动过程中,主要受到重力、弹簧力、浮力、机械阻力与流体阻力的影响,其运动简化模型见图2。

3 受力分析及数值求解

3.1 受力分析

1)重力F重力

缓冲轴受到的重力主要包括空载时本身重力或负载时本身重力与负载重力之和两种状态。

2)浮力F浮力

整个钩爪组件都浸没在冷却剂中,受到浮力作用,可取常数。

3)机械阻力F机械阻力

根据工程试验经验,驱动机构步进运动中,缓冲轴空载向下时驱动机构机械阻力趋近于0,缓冲轴带载下插运动时整个驱动线机械阻力最大约10N,在此忽略机械阻力的影响。

4)弹簧力F弹簧力

3.2 关键参数取值方法

缓冲轴在不同运动状态下的计算参数存在一定差异性,包括空载和负载状态下负荷的不同,冷态和热态状态下弹簧刚度的不同、流体密度和粘度的不同,缓冲轴与保持磁极名义间隙的不同。因此,在进行计算前,确定了关键参数的取值方法:

1)空载或负载下的重力依据实测取值;

2)弹簧刚度可通过计算获得;

3)流体的密度和粘度可查表取值;

4)冷态下的间隙采用名义设计尺寸计算;

5)热态下的间隙采用材料热膨胀系数进行计算。

3.3 数值求解

将数值计算模型通过MATLAB编程计算,可以得到缓冲轴运动状态下间隙、弹簧刚度与运动时间的关系曲线以及冷热态环境条件下不同负载与运动时间的关系曲线。

3.3.1 间隙-时间关系曲线

缓冲轴不同运动状态下的间隙-时间关系曲线见图3。通过图3可以看出:

(1)在冷态或热态状态下,缓冲轴空载运动时间均大于负载运动时间;

(2)在冷态或热态状态下,缓冲运动时间都随间隙增加而较为平缓地减小;

(3)在间隙大于0.19mm时,运动时间随间隙增加而较为平缓地减小,空载状态下间隙每增加0.01mm将导致运动时间减小约10ms;在间隙小于0.19mm时,缓冲轴在各种状态下的挤水运动时间均有较大幅度的增加,冷态空载状态下间隙每减小0.01mm将导致运动时间增加约90ms,热态空载状态下间隙每减小0.01mm将导致运动时间增加约35ms。

3.3.2 弹簧刚度-时间关系曲线

弹簧刚度-时间关系曲线见图4。通过图4可以看出:

(1)在负载状态下,负载重力起主要作用,缓冲轴运动时间受弹簧刚度影响可以忽略;

(2)在空载状态下,由于不受负载影响,缓冲轴运动时间随弹簧刚度的增加而减小,弹簧刚度每增加1N/mm将导致运动时间减小约3ms。

3.3.3 负载-时间关系曲线

负载-时间关系曲线见图5。通过图5可以看出,无论在冷态还是热态状态下,运动时间随负载的增加而减小,当负荷增加到100kg后,负载每增加10kg将导致缓冲轴的运动时间减小约2.5~3ms。

3.4 结果分析

通过以上计算分析,弹簧刚度和负载影响对缓冲轴动作时间影响较小,而挤水间隙对缓冲轴动作过程中的响应时间的影响最大。同时,由于冷、热态状态下缓冲轴挤水间隙的不同,也决定了缓冲轴在冷、热态试验条件下的动作时间存在差异性。

4 影响分析

通过对钩爪组件缓冲轴动作时间影响因素的分析,根据钩爪组件各活动部件动作状态相似的结构特点可以得到以下推论:

(1)钩爪组件的弹簧刚度和负载影响对动作响应时间相对较小,而钩爪组件的关键间隙尺寸对动作响应时间影响较大。

(2)由于冷、热态试验条件下金属材料的热膨胀效应导致钩爪组件关键间隙尺寸变化,以致冷、热态试验条件下钩爪组件的动作时间存在差异性。

【参考文献】

[1]于建华.控制棒组件在流体环境中下落时所受阻力的计算[J].成都:核动力工程,2001:237-240.

[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.

[责任编辑:王楠]

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