控制棒驱动机构动态提升特性研究

控制棒驱动机构动态提升特性研究

郭峰

中电投电力工程有限公司上海200233

摘要：基于控制棒驱动机构的磁路和电路方程以及对控制棒驱动机构动态提升过程分析，分别推导出系统静态过程和动态过程的磁路-电路-机械运动耦合方程。采用解析解的方法求解提升起始电流和提升起始时间。采用ASME规范推荐的动态分析的数值仿真方法模拟控制棒驱动机构动态提升过程，分析磁极和衔铁间不同设计间隙下系统的提升特性。结果表明，衔铁起始提升时间随着设计间隙增大而增大，且设计间隙越大，提升所需时间越长；提升速度随着时间的增加而增大，且随着时间的增加，提升加速度增大，设计间隙越小，提升结束时的冲击加速度越大。

关键词：控制棒驱动机构；特性；研究；提升；

1控制棒驱动机构原理

密封壳为反应堆一回路压力边界，密封壳外部安装有线圈、磁轭、导磁环，内部安装有钩爪组件，其主要由提升磁极、提升衔铁、套管轴、移动衔铁、钩爪等零件组成，在钩爪组件套管轴的内部还安装有具有环形齿槽的驱动杆。步进式磁力提升型控制棒驱动机构提升控制棒组件时其中一个重要的时序动作是：在移动线圈通电状态下，移动衔铁与提升衔铁表面的隔磁片接触，钩爪卡入驱动杆的环形槽中，此时再对提升线圈通电，提升衔铁在电磁力的作用下，克服弹簧力、水阻力、摩擦力、重力等的作用，带动移动衔铁、钩爪及驱动杆一起向上移动一个步距。在线圈通电时，随着提升衔铁位置的不同，电磁力会随着电流、提升磁极与提升衔铁气隙的变化而变化，提升衔铁和提升磁极之间弹簧的作用力会随着二者之间的相对位移的变化而变化，水阻力会随着衔铁移动速度、加速度的变化而变化，摩擦阻力也会随着提升衔铁运动速度的变化而变化。因此，提升衔铁的加速度不是恒定不变的。若要准确获得提升动作过程中的动力学特性，需不断地迭代计算提升衔铁在不同时刻、不同位置所受的电磁分析。

2控制棒驱动机构提升过程分析

磁极与衔铁的吸合过程

控制棒驱动机构磁极与衔铁的吸合过程分为几个阶段。

初始阶段：提高溶解到线圈电流，但由于当前很小，电枢小于负载的电磁力提升（增加负载=+重力+流体摩擦+阻力），不能导致电枢运动，一直到电磁举升力增加，直到开始大于葫芦，这个阶段的静态阶段，电路和磁路相互耦合。

电枢提升阶段：当电磁提升力大于提升负荷时，电枢与磁极之间的间隙开始吸收，工作间隙减小。电磁提升力在此过程中，决定电枢的运动状态，电枢的运动和磁路的变化，从而影响线圈电流、电路和磁电路-机械动力耦合。杆提升，提高电枢之间的差距是一个关键的设计在控制棒驱动机构的设计，和差距的变化的过程中提升是电路和磁路和机械运动方程相耦合的主要因素，因此本文主要关注改善系统的特点和设计在不同设计间隙，提高系统的特点。

3多体动力学模型

除电磁力、水阻力外的其他力均由建立的多体动力学模型分析计算，如重力、摩擦力等。多体动力学模型可以在多种动力学分析软件中创建，例如ADAMS、LMS。LMSVirtual．labMotion能够高效、精确地对复杂机械系统进行多体动力学分析，为简化虚拟样机模型，在LMSVirtual．labMotion中建模时只包括提升磁极、提升衔铁、钩爪、移动衔铁、驱动杆等相关零件。使用三维建模软件如Inventor、UG建立控制棒驱动机构提升动作虚拟样机模型所需零件的三维模型，装配完成后将其导入到LMSVirtual．labMo-tion当中根据驱动机构钩爪组件各零件的实际约束情况，对虚拟样机各零件创建相应的约束；提升衔铁和提升磁极最终会发生碰撞，因此二者之间需创建碰撞约束（contactforces）；在提升衔铁和提升磁极内部还需创建弹簧（TSDA）。在提升衔铁上通过三点力（threepointforce）创建驱动力（force），驱动提升衔铁运动；创建传感器（sensor）测量提升衔铁的位移、速度以及加速度。由于钩爪组件及驱动杆浸入在水中，因此将重力加速度的值设为8．8m/s2。

为在MATLAB中建立驱动机构提升时的动力学仿真系统，需要将LMSVirtual．labMotion虚拟样机模型中作用在提升衔铁的驱动力（force）通过output功能接收；测量获得的提升衔铁的位移、速度以及加速度通过input功能传出，并生成与MAT-LABSimulink的接口“plantout”。多体动力学模型可以求出在电磁力和水阻力的共同作用下，提升衔铁下一时刻的位移l10、速度vt和加速度at。

4动力学仿真

在MATLAB的Simulink中，导入LMS建立的虚拟样机模型接口“plantout”，根据控制棒驱动机构提升动作的电磁力计算模型和水阻力计算模型编制相应的S函数，并将S函数和“plantout”的各输入输出参数连接，利用Scope模块记录提升衔铁动作过程中的动力学参数。运行程序分析驱动机构冷态时提升动作的动力学特性。通过仿真结果可以看出，当提升线圈通电约40ms后提升衔铁开始动作，当通电118ms后，提升衔铁与提升磁极上的隔磁片发生碰撞，碰撞时提升衔铁的速度约为0．6m/s，此时受到水的阻力最大，约为1200N，在碰撞后提升衔铁受到的电磁力最大，约为5660N。该型驱动机构已制造了物理样机，并进行了冷态性能试验，实际测得驱动机构提升驱动杆组件时的电流和振动信号波形。每小格的时间为50ms。通过波形可以测量得到提升线圈开始通电到提升衔铁碰撞产生振动信号之间的时间间隔为125ms，提升衔铁动作时间的实测值与动力学仿真结果误差不足6%，在工程应用允许的误差范围内，说明本文所建立的计算模型和采用的动力学分析方法是合理的。仿真与实际结果的误差主要来源于电磁计算模型、水阻力计算模型的简化。

5水阻力计算模型

控制棒驱动机构钩爪组件提升驱动杆时，水的阻力主要包括两部分：一部分是钩爪组件提升时直接受到的水阻力，另一部分是驱动杆组件和其带动的控制棒组件移动时受到的水阻力，两部分水阻力最终均会传递到移动衔铁上。二者计算方法类似，在此首先分析钩爪组件提升衔铁移动时直接受到的水阻力。提升衔铁向上移动时，它与提升磁极间的水隙减小，挤出的水一部分沿提升衔铁、移动衔铁等零件与密封壳之间的间隙流动，另一部分沿提升磁极与密封壳之间的间隙、提升磁极的径向孔、驱动杆与套管轴之间的间隙流动，建立的水阻力计算简化模型。

6结束语

本文分析了磁路-电路-机械运动在控制棒驱动机构过程中的耦合方程，分析了不同设计间隙下系统的动态特性。以下主要结论如下：

随着设计间隙的增加，电枢的起动时间增大。

在不同设计的空间中，电枢的位移变化趋势是相似的，设计之间的间隔越大，所需的时间越长。

随着时间的增加，提升的速度随着时间的增加而增加，当设计间隙的中间值被占用时，最终的冲击速度是最大的。

随着时间的增加，加速度增加，设计之间的间隙越小，最终的冲击加速度越大。

参考文献：

[1]沈小要.控制棒驱动机构动态提升特性研究[J].核动力工程，2012，01：51-55.

[2]沈小要.控制棒驱动机构的分段非线性动态特性[J].中国工程机械学报，2011，04：410-415.

[3]刘鹏亮，周建明，吕永红.控制棒驱动机构步进运动特性研究[J].核动力工程，2014，02：127-130+172.