一種用于線性接力驅(qū)動(dòng)的彈簧離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊仲元　李修園

【摘 要】燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置是核電站內(nèi)燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要換料設(shè)備之一。它的主要功能是在反應(yīng)堆停堆換料期間，通過燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道在反應(yīng)堆廠房和燃料廠房之間往返運(yùn)輸燃料組件。由于“華龍一號(hào)”三代核電機(jī)組采用了雙層安全殼設(shè)計(jì)，導(dǎo)致燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置原有的驅(qū)動(dòng)方式無法滿足廠房布置要求。本文基于接力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)理念，研究了一套全新的離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足“華龍一號(hào)”燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全新要求，更可適用于其他線性接力驅(qū)動(dòng)的工作環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】接力驅(qū)動(dòng)；離合器；線性；彈簧

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(zhuǎn)運(yùn)裝置是燃料操作與貯存系統(tǒng)的重要換料設(shè)備之一，它的主要服務(wù)對(duì)象是燃料組件。它的主要功能是：

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

（2）在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，將反應(yīng)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(hào)”核電機(jī)組由于三代核電站雙層安全殼的設(shè)計(jì)，燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道的長度與二代核電站相比有了很大的增加，原有的驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸方式在受限的廠房空間內(nèi)已無法滿足使用要求[1]。通過查閱相關(guān)資料，調(diào)研國內(nèi)外情況，多個(gè)方案論證，最終確定通過兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接力驅(qū)動(dòng)的辦法來完成運(yùn)輸小車從反應(yīng)堆廠房到燃料廠房運(yùn)輸燃料組件的工作。

為解決接力驅(qū)動(dòng)過程中的碰撞、干涉和不同步問題，響應(yīng)國家關(guān)于“一帶一路”中自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的政策，研發(fā)了一種用于線性接力驅(qū)動(dòng)的彈簧離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用于接力驅(qū)動(dòng)的每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，滿足“華龍一號(hào)”燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全新需求，更可適用于其他線性接力驅(qū)動(dòng)的工作環(huán)境。

2 接力驅(qū)動(dòng)介紹

接力驅(qū)動(dòng)理念，即設(shè)置多套（≥2）驅(qū)動(dòng)裝置，通過運(yùn)輸對(duì)象首尾在前后驅(qū)動(dòng)裝置上的搭接，接力完成其長行程的運(yùn)輸。

將接力驅(qū)動(dòng)理念應(yīng)用到燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的線性運(yùn)輸領(lǐng)域，即為：

在反應(yīng)堆廠房和燃料廠房設(shè)置兩套運(yùn)輸小車驅(qū)動(dòng)裝置，每套驅(qū)動(dòng)裝置各設(shè)置一套彈簧離合器，通過運(yùn)輸過程中齒輪齒條搭接完成整個(gè)傳動(dòng)過程，依靠兩個(gè)傳動(dòng)鏈完成一個(gè)傳動(dòng)動(dòng)作，如圖3所示[2]。

接力驅(qū)動(dòng)對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下要求：

（1）在齒輪與齒條接觸瞬間，避開嚙合死區(qū)，防止機(jī)構(gòu)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(qū)動(dòng)過程中，不因雙驅(qū)動(dòng)的不同步而產(chǎn)生剛性碰撞，同時(shí)良好傳遞扭矩，保證齒條穩(wěn)定前進(jìn)；

（4）在雙驅(qū)動(dòng)結(jié)束階段，齒輪齒條能夠平穩(wěn)脫離嚙合，空載齒輪復(fù)位。

因此，需要在每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置一套離合器，來解決以上問題，保證設(shè)備在接力驅(qū)動(dòng)過程的良好運(yùn)行。

3 零部件結(jié)構(gòu)

3.1 驅(qū)動(dòng)軸

驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，在端部設(shè)有一個(gè)鍵槽用于安裝軸鍵。軸鍵與齒輪內(nèi)齒位于同一軸向平面內(nèi)，在特定位置時(shí)二者側(cè)向接觸配合并產(chǎn)生相互作用力，此時(shí)離合器處于接合狀態(tài)，否則離合器處于超越狀態(tài)。鍵槽側(cè)面設(shè)置彈簧環(huán)形導(dǎo)向槽，當(dāng)彈簧繞驅(qū)動(dòng)軸產(chǎn)生拉伸變形時(shí)，利用彈簧的回彈力將彈簧緊緊箍在導(dǎo)向槽里，從而限制彈簧軸向竄動(dòng)，避免對(duì)其他零部件產(chǎn)生影響。導(dǎo)向槽內(nèi)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(yùn)動(dòng)平面。

3.2 齒輪

齒輪結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用環(huán)形中空結(jié)構(gòu)，供驅(qū)動(dòng)軸穿過，其內(nèi)徑尺寸保證驅(qū)動(dòng)軸與齒輪在一定角度范圍內(nèi)各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)而不采用常規(guī)剛性連接。在通孔上下設(shè)有兩個(gè)彈簧固定柱，提供彈簧的安裝支撐點(diǎn)。齒輪中空內(nèi)部設(shè)有內(nèi)齒，在特定位置與軸鍵接觸配合，使離合器接合，其余狀態(tài)下離合器超越。

3.3 拉伸彈簧

空載狀態(tài)時(shí)，彈簧保持筆直狀態(tài)。當(dāng)彈簧繞驅(qū)動(dòng)軸纏繞產(chǎn)生變形時(shí)，為離合器提供復(fù)位彈性勢(shì)能，當(dāng)離合器空載時(shí)，該彈性勢(shì)能使離合器復(fù)位。

4 結(jié)構(gòu)原理

在離合器空載狀態(tài)下，拉伸彈簧處于筆直狀態(tài)，拉伸彈簧、齒輪內(nèi)齒、軸鍵位于同一徑向面上，離合器整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。因此，驅(qū)動(dòng)軸與齒輪之間具有雙向旋轉(zhuǎn)自由度，其角度相同且小于180°，自由度的大小由齒輪內(nèi)齒自身的外形角度決定。在負(fù)載狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)軸軸鍵與齒輪內(nèi)齒配合傳遞驅(qū)動(dòng)力矩。

以燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置中應(yīng)用的彈簧離合器為例，離合器提供順時(shí)針、逆時(shí)針方向上共計(jì)300°的旋轉(zhuǎn)自由度：以軸鍵作為基準(zhǔn)點(diǎn)，在逆時(shí)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(shí)針方向上的超越空間；在順時(shí)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(shí)針方向上的超越空間。

如圖7所示，若驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)于齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則拉伸彈簧在環(huán)形槽內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)針方向的拉伸，此時(shí)拉伸彈簧提供給齒輪的復(fù)位力將為逆時(shí)針方向；若驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)于齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則拉伸彈簧在環(huán)形槽內(nèi)產(chǎn)生逆時(shí)針方向的拉伸，此時(shí)拉伸彈簧提供給齒輪的復(fù)位力將為順時(shí)針方向。

5 工作流程

以彈簧離合器在燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置上的應(yīng)用為例，一個(gè)單向接力驅(qū)動(dòng)工作流程基本可以分為四個(gè)階段，具體如下：

（1）齒輪齒條接觸瞬間

如圖8所示，右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過右側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條前進(jìn)，至接觸左側(cè)齒輪輪齒的瞬間。此時(shí)若接觸作用力通過左側(cè)齒輪的輪齒表面指向齒輪中心時(shí)，即出現(xiàn)受力卡死現(xiàn)象。因此基于彈簧離合器超越和復(fù)位的功能，可通過儀控手段控制左側(cè)驅(qū)動(dòng)軸，從而進(jìn)一步控制左側(cè)齒輪輪齒的迎接角度，使左側(cè)齒輪保持在圖8所示的設(shè)定位置，即可使輪齒與齒條的接觸避開嚙合死區(qū)。

（2）進(jìn)入完全嚙合過程

如圖9所示，當(dāng)齒條和左側(cè)齒輪的初始接觸避開嚙合死區(qū)之后，為了讓二者進(jìn)入良好的嚙合狀態(tài)，需要有一個(gè)自適應(yīng)過程，即齒條推動(dòng)左側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直至完全嚙合。在此自適應(yīng)過程中，要求僅左側(cè)齒輪被驅(qū)動(dòng)，左側(cè)齒輪內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)軸靜止。齒條在右側(cè)齒輪的驅(qū)動(dòng)下向左側(cè)齒輪前進(jìn)，在接觸后左側(cè)齒輪將在齒條的帶動(dòng)下做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左側(cè)離合器的超越空間保證了嚙合過程的順利進(jìn)行。

當(dāng)齒輪在齒條的帶動(dòng)下相對(duì)于空載時(shí)的位置旋轉(zhuǎn)了100°時(shí)，可視為進(jìn)入完全嚙合狀態(tài)，此時(shí)左側(cè)齒輪的驅(qū)動(dòng)軸啟動(dòng)，右側(cè)的驅(qū)動(dòng)軸依舊維持原有轉(zhuǎn)速，進(jìn)入雙驅(qū)動(dòng)過程。

（3）雙驅(qū)動(dòng)過程

進(jìn)入雙驅(qū)動(dòng)過程后，左側(cè)驅(qū)動(dòng)軸開始啟動(dòng)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高于右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸，在此過程中，保持右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)右側(cè)齒輪、右側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條、齒條驅(qū)動(dòng)左側(cè)齒輪狀態(tài)，左側(cè)離合器的逆時(shí)針超越空間？漬逆減小，直至變?yōu)?°。在一個(gè)短暫的過渡之后，由于左側(cè)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速高于右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，完成驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的切換，即：

右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)右側(cè)齒輪、右側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條、齒條驅(qū)動(dòng)左側(cè)齒輪 →

左側(cè)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)左側(cè)齒輪，左側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條，齒條驅(qū)動(dòng)右側(cè)齒輪。

當(dāng)左側(cè)離合器的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)自由度？漬逆變?yōu)?時(shí)，左側(cè)齒輪由齒條驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽髠?cè)齒輪驅(qū)動(dòng)。之后過程中，保持左側(cè)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)左側(cè)齒輪、左側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)齒條、齒條驅(qū)動(dòng)右側(cè)齒輪的狀態(tài)。同時(shí)，右側(cè)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(cè)齒輪。

（4）齒條脫離齒輪→下一次準(zhǔn)備進(jìn)入嚙合

當(dāng)齒條脫離右側(cè)齒輪后，右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，至設(shè)定位置后停止。在此過程中，由于右側(cè)離合器內(nèi)部拉伸彈簧的彈性勢(shì)能，右側(cè)齒輪將相對(duì)于右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，完成復(fù)位。當(dāng)右側(cè)驅(qū)動(dòng)軸靜止后，復(fù)位后的右側(cè)離合器為齒條從左向右運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的再次嚙合做好準(zhǔn)備。

6 結(jié)論

本文針對(duì)燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置在“華龍一號(hào)”三代核電機(jī)組廠房布置下的應(yīng)用問題，設(shè)計(jì)了一種彈簧離合器，并詳細(xì)地介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用原理進(jìn)行了解析說明。該離合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，具有對(duì)稱的雙向接合、超越功能，自復(fù)位性能良好，不止?jié)M足“華龍一號(hào)”燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全新要求，更可適用于其他線性接力驅(qū)動(dòng)的工作環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

[1]唐興貴，李建奇，等.“華龍一號(hào)”燃料操作與貯存系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì).《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?chǎng)?，?雙安全殼燃料轉(zhuǎn)運(yùn)裝置研制總結(jié)報(bào)告[R].北京：中國核電工程有限公司，2016.