空間核動(dòng)力裝置控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)熱態(tài)性能試驗(yàn)

郭志家，張金山，衣大勇，彭朝暉，范月容，馮嘉敏，趙守智

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部， 北京 102413)

在空間核動(dòng)力裝置開展航天飛行試驗(yàn)前必須進(jìn)行地面工程樣機(jī)的研制和考驗(yàn)，驗(yàn)證其總體及各組成部分在試驗(yàn)設(shè)定壽期內(nèi)的性能和可靠性[1-2]?？刂乒南到y(tǒng)作為執(zhí)行反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、緊急停堆的重要核安全設(shè)備[3-4]，需要驗(yàn)證它在各種工況下是否都能保證運(yùn)行平穩(wěn)和性能可靠。真實(shí)工況下，控制鼓系統(tǒng)在高溫環(huán)境中運(yùn)行，其熱態(tài)下的性能顯得尤為重要[5-6]。

本文旨在通過(guò)控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)的熱態(tài)性能試驗(yàn)來(lái)判斷現(xiàn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否滿足功能要求。

1 控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)

空間核動(dòng)力裝置地面工程樣機(jī)控制鼓系統(tǒng)與傳統(tǒng)核電站壓水堆的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有著顯著不同，受限于整個(gè)空間核動(dòng)力裝置輕量化要求，整個(gè)控制鼓系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)緊湊，零部件繁多，長(zhǎng)徑比較大，薄壁管殼和焊接接頭較多，裝配和傳動(dòng)精度要求非常高?？刂乒南到y(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)完全按照真實(shí)的控制鼓系統(tǒng)進(jìn)行1∶1全尺寸設(shè)計(jì)和制造[7]。

圖1示出控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)工作原理圖[8]?？刂乒南到y(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分配機(jī)構(gòu)和控制鼓組件組裝而成，各部件有著共同的腔室。正常工況下，系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，通過(guò)電磁離合器的吸合將其傳遞到輸出軸，再通過(guò)花鍵連接軸傳遞到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在分配機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)扭矩的平均分配，分別傳遞到3根控制鼓組件上，實(shí)現(xiàn)控制鼓組件的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。在事故工況下，電磁離合器斷電，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧瞬間釋放，迫使控制鼓組件快速?gòu)?fù)位，反應(yīng)堆緊急停閉。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)含兩臺(tái)電機(jī)，主電機(jī)運(yùn)行時(shí)，備電機(jī)作為負(fù)載隨動(dòng)，雙電機(jī)互為備份，保證轉(zhuǎn)矩的可靠性輸出。分配機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置有極限位置止擋塊，用以防止機(jī)構(gòu)誤操、失電等動(dòng)作引起的控制鼓組件無(wú)限制任意轉(zhuǎn)動(dòng)。控制鼓組件上設(shè)置有平面渦卷彈簧[9]，即用來(lái)消除傳動(dòng)鏈因齒輪嚙合、鍵槽配合等產(chǎn)生的傳動(dòng)空程問(wèn)題[10-11]，也用來(lái)作為事故停堆時(shí)的復(fù)位動(dòng)力。

圖1 控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)工作原理圖

2 試驗(yàn)裝置

控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示?？刂乒南到y(tǒng)貫穿整個(gè)堆本體，為保證試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證的真實(shí)性和可靠性，更好地呈現(xiàn)控制鼓系統(tǒng)的運(yùn)行特性，在臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)，模擬了與控制鼓系統(tǒng)在堆本體上的安裝關(guān)系和運(yùn)行行程。

試驗(yàn)臺(tái)架主要由測(cè)試平臺(tái)、溫控系統(tǒng)和角度編碼器及其他附件連接組成，如圖3所示。測(cè)試平臺(tái)主要由控制模塊、輔助測(cè)量模塊、工作站等部分組成：控制模塊由兩個(gè)獨(dú)立的單元組成，即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和電磁離合器驅(qū)動(dòng)單元；輔助測(cè)量模塊主要是指將角度編碼器信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送至工作站；工作站用于測(cè)試平臺(tái)的調(diào)試和控制鼓系統(tǒng)的試驗(yàn)。在工控機(jī)上安裝有相關(guān)的控制軟件及操作界面。測(cè)試平臺(tái)直接控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，并監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)電流、溫度、旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和復(fù)位時(shí)間等參數(shù)，通過(guò)以上參數(shù)記錄并分析試驗(yàn)樣機(jī)的熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)性能。真實(shí)情況下控制鼓系統(tǒng)在反應(yīng)堆內(nèi)的溫度場(chǎng)如圖4所示。在試驗(yàn)樣機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分配機(jī)構(gòu)和控制鼓組件等不同溫度區(qū)布置熱電偶，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該處溫度，每個(gè)點(diǎn)在圓周范圍內(nèi)布置3個(gè)熱電偶，依據(jù)“3取2”原則，保證溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，再通過(guò)電加熱絲分區(qū)纏繞升溫，不同溫區(qū)間保留約100 mm間隔，用于布置保溫層，試驗(yàn)樣機(jī)整體外表面再另行完全包裹，如圖5所示?？刂乒慕M件作為控制鼓系統(tǒng)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率的執(zhí)行部件，其位置精度直接影響反應(yīng)堆的反應(yīng)性，因此在試驗(yàn)樣機(jī)熱態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置一套編碼器，通過(guò)鍵配合安裝在控制鼓組件端頭，用于監(jiān)測(cè)控制鼓組件角度的真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)情況。

a——安裝在堆本體的示意圖；b——安裝在臺(tái)架照片圖2 控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)

圖3 測(cè)試臺(tái)架組成示意圖

圖4 控制鼓系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布

圖5 電加熱安裝分布

3 熱態(tài)性能試驗(yàn)

控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)整個(gè)傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度約為2 000 mm，傳動(dòng)桿最細(xì)直徑為7 mm，長(zhǎng)徑比非常大，在熱態(tài)下，受限于材料本身扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撓度，可能會(huì)出現(xiàn)控制鼓組件落后于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸。傳動(dòng)鏈上雖設(shè)置有理論上可消除傳動(dòng)空程的渦卷彈簧，但實(shí)際制造工藝的影響和熱態(tài)下的膨脹，可能會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)見的現(xiàn)象。因此，熱態(tài)性能試驗(yàn)的重復(fù)性考驗(yàn)是檢查和確保樣機(jī)可靠性的必要程序?？紤]控制鼓系統(tǒng)的安全功能，根據(jù)壽期內(nèi)反應(yīng)堆運(yùn)行情況及預(yù)計(jì)停堆次數(shù)等因素，熱態(tài)性能試驗(yàn)主要包括全行程往復(fù)試驗(yàn)、電機(jī)切換試驗(yàn)和控制鼓組件快速?gòu)?fù)位試驗(yàn)，具體試驗(yàn)次數(shù)及樣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

溫控和測(cè)試系統(tǒng)通電就緒后，在冷態(tài)工況下進(jìn)行多次調(diào)試，確保試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和試驗(yàn)臺(tái)架配套系統(tǒng)一切正常后，根據(jù)表1所列各部件的設(shè)計(jì)溫度將其按照50 ℃/h的升溫速率加熱，每升溫50 ℃后，保溫20 min。在此過(guò)程中每隔100 ℃對(duì)其進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試。檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和參數(shù)是否正常，直至整個(gè)試驗(yàn)樣機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)溫度，保溫4 h后，確保溫度場(chǎng)分布不超過(guò)預(yù)設(shè)，開始進(jìn)行熱態(tài)性能試驗(yàn)。

圖6示出升溫過(guò)程的調(diào)試數(shù)據(jù)。由圖6可見，在常溫20 ℃下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制，自0°轉(zhuǎn)至180°時(shí)，作為調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率和執(zhí)行停堆功能的控制鼓組件轉(zhuǎn)至179.1°，快速?gòu)?fù)位后，控制鼓組件可回到0.1°。隨著溫度的升高，控制鼓組件相對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，滯后角度越來(lái)越明顯，達(dá)到2.6°，快速?gòu)?fù)位后的角度也越來(lái)越大，從0.1°增加至2.1°。這恰恰說(shuō)明樣機(jī)熱態(tài)下的性能不可預(yù)估，與理論設(shè)想存在一定差距，需多次試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其數(shù)據(jù)的重復(fù)性，并分析其可能原因。

圖6 升溫過(guò)程的調(diào)試數(shù)據(jù)

3.1 全行程往復(fù)試驗(yàn)

全行程往復(fù)試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中主電機(jī)通電，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，輸出軸按(1±0.1) °/s的速度輸出到傳動(dòng)鏈上，從而通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和分配機(jī)構(gòu)帶動(dòng)控制鼓組件旋轉(zhuǎn)，一次全行程往復(fù)試驗(yàn)從0°轉(zhuǎn)至180°，再轉(zhuǎn)至0°，主備電機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)100次，傳動(dòng)鏈累積全行程運(yùn)轉(zhuǎn)200次。為更好監(jiān)測(cè)試驗(yàn)樣機(jī)在往復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中的位置重復(fù)性，分別在0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、150°、120°、60°和0°記錄驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸角度和控制鼓組件角度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電流，表2列出每隔20次試驗(yàn)選取的控制鼓組件角度。

由表2可看出[12-13]：1) 從0°～180°過(guò)程中，執(zhí)行功率調(diào)節(jié)的控制鼓組件運(yùn)行無(wú)卡頓現(xiàn)象，但與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)角度不一致，隨旋轉(zhuǎn)角度的增加，滯后現(xiàn)象越來(lái)越明顯，可能是由于傳動(dòng)桿扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的撓度越來(lái)越大；2) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)至0°時(shí)，控制鼓組件停留在約10°的位置上，并成為下一次全行程試驗(yàn)的起始空行程，分析認(rèn)為是彈簧末端的回復(fù)力已無(wú)法克服傳動(dòng)鏈本身的阻力矩；3) 試驗(yàn)過(guò)程中，隨試驗(yàn)次數(shù)的增加電流越來(lái)越小，主要是因?yàn)樵囼?yàn)樣機(jī)采用恒壓控制，試驗(yàn)次數(shù)的累積導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)電機(jī)、電磁離合器部件溫度有上升趨勢(shì)，電阻隨之增加，電流變??；4) 100次全行程試驗(yàn)中，主副電機(jī)均無(wú)任何異常和失效情況，其可靠性完全滿足設(shè)計(jì)要求，后期可考慮采用單電機(jī)運(yùn)行模式；5) 控制鼓組件在120°～60°反轉(zhuǎn)回程中存在明顯的滯后偏差，有階躍跳動(dòng)的現(xiàn)象，分析認(rèn)為此范圍內(nèi)，樣機(jī)薄壁殼體焊縫在高溫下產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致傳動(dòng)鏈上軸承受力不均勻，瞬間摩擦阻力矩太大；6) 從180°～0°與0°～180°，控制鼓組件正反轉(zhuǎn)過(guò)程同一角度重復(fù)精度差，由120°和150°時(shí)的角度跟隨曲線(圖7)可看到，在120°時(shí)最大差值為5.1°，在150°時(shí)最大差值為5.7°，均超出設(shè)計(jì)指標(biāo)中±1°的要求。隨試驗(yàn)次數(shù)的增加，同一角度時(shí)，控制鼓組件正反過(guò)程相對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)角度差值不穩(wěn)定，但其趨勢(shì)基本越來(lái)越大。分析認(rèn)為可能是由于彈簧的變形或高溫疲勞失效，導(dǎo)致回程動(dòng)力越來(lái)越小，下一次起始空程增加，角度逐漸變大，差值進(jìn)而變大。

表2 全行程往復(fù)試驗(yàn)的控制鼓組件角度

圖7 120°和150°時(shí)的角度跟隨曲線

3.2 電機(jī)切換試驗(yàn)

試驗(yàn)樣機(jī)選擇雙電機(jī)互為備份運(yùn)行的模式，目的是通過(guò)電機(jī)的可靠性來(lái)滿足機(jī)構(gòu)的可靠性，雖然電機(jī)的失效并不影響整個(gè)反應(yīng)堆核動(dòng)力裝置的安全性，但從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮不希望出現(xiàn)電機(jī)失效、控制鼓組件反轉(zhuǎn)復(fù)位等非計(jì)劃停堆的意外事故發(fā)生。電機(jī)處于真空、高溫環(huán)境下工作，雖不驗(yàn)證其真空下的性能，但高溫條件下的可靠性需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)樣機(jī)主電機(jī)通電運(yùn)行，輸出軸按照(1±0.1) °/s的速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到90°，主電機(jī)斷電，記錄電機(jī)是否具備自持能力，防止反轉(zhuǎn)。一段時(shí)間后，副電機(jī)通電運(yùn)行，記錄切換時(shí)間及反轉(zhuǎn)角度。從90°旋轉(zhuǎn)到180°，副電機(jī)斷電，記錄同樣的過(guò)程，一段時(shí)間后，再切換至主電機(jī)，如此反復(fù)10次。表3列出其中的6次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，任意電機(jī)某一角度切斷電源，在備用電機(jī)切入運(yùn)行前，都可通過(guò)電機(jī)本身的自持機(jī)構(gòu)防止控制鼓組件反轉(zhuǎn)，即使1臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障失效，也不必?fù)?dān)心傳動(dòng)鏈自由復(fù)位。

表3 電機(jī)切換試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 斷電快速?gòu)?fù)位試驗(yàn)

在反應(yīng)堆事故工況下，為滿足故障安全原則，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)電磁離合器斷電，控制鼓組件在釋放彈簧和渦卷彈簧作用下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)快速?gòu)?fù)位，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。因此對(duì)控制鼓系統(tǒng)的斷電快速?gòu)?fù)位特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證十分必要，以驗(yàn)證控制鼓組件快速?gòu)?fù)位的可靠性、有效性和控制鼓系統(tǒng)本身固有的安全特性。

斷電快速?gòu)?fù)位特性主要考核機(jī)電延遲時(shí)間[14]和機(jī)械復(fù)位的總時(shí)間，本試驗(yàn)臺(tái)架主要研究控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能，采用的測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)際工程控制系統(tǒng)不同，這里測(cè)試和記錄的時(shí)間為機(jī)械的快速?gòu)?fù)位時(shí)間。為驗(yàn)證熱態(tài)下控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)快速?gòu)?fù)位時(shí)間的重復(fù)性和可靠性，共進(jìn)行100次不同行程下的斷電復(fù)位試驗(yàn)。表4列出5次全行程180°下的斷電復(fù)位試驗(yàn)結(jié)果，表5列出3組不同行程下(30°、90°和150°)斷電快速?gòu)?fù)位的時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同行程下的斷電快速?gòu)?fù)位時(shí)間均小于600 ms，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。隨快速?gòu)?fù)位行程的增加，控制鼓組件復(fù)位后的角度越來(lái)越小，這和理論情況相似，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的釋放彈簧和控制鼓組件內(nèi)的渦卷彈簧，在熱態(tài)條件下，隨溫度的升高，彈簧本身的剛度和性能都有一定程度的下降。因此在小角度行程下，彈簧的回復(fù)力必然會(huì)更低，導(dǎo)致彈簧力在快速?gòu)?fù)位過(guò)程中不足以克服傳動(dòng)鏈上的摩擦阻力矩，復(fù)位能力更差。

表4 全行程下的快速?gòu)?fù)位時(shí)間

表5 不同行程下的快速?gòu)?fù)位時(shí)間

4 結(jié)論

1) 通過(guò)設(shè)計(jì)和建立1∶1全尺寸控制鼓系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)的熱態(tài)性能試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了試驗(yàn)樣機(jī)壽期內(nèi)熱態(tài)下的全行程往復(fù)、電機(jī)切換和斷電快速?gòu)?fù)位性能，試驗(yàn)樣機(jī)基本滿足機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的功能要求，運(yùn)行無(wú)異響和卡頓現(xiàn)象。

2) 現(xiàn)有機(jī)構(gòu)因?yàn)闊釕B(tài)下傳動(dòng)桿扭轉(zhuǎn)變形、傳動(dòng)鏈局部摩擦阻力矩較大和彈簧高溫性能不足等原因?qū)е聵訖C(jī)存在旋轉(zhuǎn)角度滯后、位置重復(fù)精度超標(biāo)和小角度回復(fù)乏力的現(xiàn)象。

下一階段將進(jìn)行理論分析和樣機(jī)零部件解剖，確定原因并優(yōu)化結(jié)構(gòu)與工藝，為控制鼓系統(tǒng)產(chǎn)品的定型奠定基礎(chǔ)。