空間核動力裝置控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)快速復(fù)位時間測量方法研究

劉 磊，王 波，劉孟茜，何源遠(yuǎn)，張金山，袁建東，郭志家，馮嘉敏

(1.中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413；2.四川華都核設(shè)備制造有限公司，四川 都江堰 611830)

控制鼓系統(tǒng)是空間核反應(yīng)堆電源、特別是熱離子型空間核反應(yīng)堆電源的關(guān)鍵部件之一。大型空間核動力裝置，如核火箭發(fā)動機(jī)和核電推進(jìn)反應(yīng)堆的控制也常采用控制鼓方案。目前，在SPACE-R、TOPAZ-1、TOPAZ-2等空間核反應(yīng)堆電源上均采用控制鼓系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)堆功率調(diào)控[1]。

控制鼓系統(tǒng)是空間核動力裝置的重要組成部分，其主要功能是在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下，通過鼓體的緩慢轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對反應(yīng)堆功率的調(diào)節(jié)；在事故工況下，通過鼓體的快速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)緊急停堆。控制鼓是實現(xiàn)以上動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

快速復(fù)位是控制鼓系統(tǒng)主要性能之一。在實際的核動力裝置運(yùn)行中，控制鼓有快速復(fù)位的要求，且其復(fù)位時間要求非常嚴(yán)格，需保證在各種工況下能穩(wěn)定、可靠地完成復(fù)位。快速復(fù)位時的落棒時間是控制鼓系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的一個重要參數(shù)，是控制鼓系統(tǒng)設(shè)計考核的重要指標(biāo)之一[2]。因此，快速復(fù)位時間的測量方法是對復(fù)位時間的真實性考核的重要方法。

本文對控制系統(tǒng)落棒過程及綜合測試平臺的計時進(jìn)行分析，研究控制鼓系統(tǒng)復(fù)位時間測量的方法。

1 控制鼓系統(tǒng)和綜合測試平臺

1.1 控制鼓系統(tǒng)

圖1 控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)工作原理圖Fig.1 Scheme of operation principle for control drum system experimental prototype

控制鼓系統(tǒng)主要包括控制鼓組件、分配機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及包容以上部件的殼體及其支撐結(jié)構(gòu)等。圖1示出控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)工作原理圖。表1列出快速復(fù)位設(shè)計參數(shù)。圖2示出控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)在試驗臺架上的安裝示意圖，與在堆本體上的安裝方式一致。

表1 快速復(fù)位設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameter of quick reset

圖2 控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of control drum system experimental prototype

驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包括雙步進(jìn)電機(jī)(A電機(jī)、B電機(jī))、減速器、電磁離合器、彈簧釋放機(jī)構(gòu)和角位置傳感器。電磁離合器實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)、減速器與彈簧釋放機(jī)構(gòu)的脫離和連接功能。

在初始狀態(tài)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)彈簧處于釋放狀態(tài)，輸出軸處于“0”位置。驅(qū)動機(jī)構(gòu)在接收到轉(zhuǎn)動控制信號后，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過減速器減速和電磁離合器后，將轉(zhuǎn)動傳遞給輸出軸，輸出軸帶動外載荷轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對控制鼓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。在輸出軸轉(zhuǎn)動的過程中，同時通過齒輪帶動齒條壓縮彈簧，儲備相應(yīng)的勢能。控制鼓組件上設(shè)置有平面渦卷彈簧，即用來消除傳動鏈因齒輪嚙合、鍵槽配合等產(chǎn)生的傳動空程問題，也用來作為事故停堆時的復(fù)位動力。驅(qū)動機(jī)構(gòu)雙電機(jī)采用交互運(yùn)行模式，一臺電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過中間齒輪帶動，另一臺電機(jī)作為負(fù)載隨動。在事故狀態(tài)下，電磁離合器接收到事故保護(hù)信號后，斷電分離，使彈簧釋放機(jī)構(gòu)和減速器、步進(jìn)電機(jī)分離，彈簧的勢能釋放，帶動輸出軸迅速向“0”位轉(zhuǎn)動，帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在1 s內(nèi)復(fù)位，實現(xiàn)緊急停堆。

光電編碼器(光編)的主要工作原理為光電轉(zhuǎn)換，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器。將光編安裝在控制鼓組件的末端，用于測試控制鼓組件的實際轉(zhuǎn)動角度。角位置傳感器是將角度變化量測量變?yōu)楦袘?yīng)電動勢變化量測量的磁阻式角位移傳感器，安裝在驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)與傳動機(jī)構(gòu)連接處，用于測量驅(qū)動機(jī)構(gòu)實際轉(zhuǎn)動的角度。光電編碼器測量的角度與角位置傳感器測量的角度進(jìn)行比較，可得出控制鼓系統(tǒng)的動力輸出端與被動轉(zhuǎn)動端之間的角度差，該角度差主要是由齒輪間隙、傳動軸等和安裝造成的[3-5]。

1.2 綜合測試平臺

綜合測試平臺用于控制鼓系統(tǒng)的常溫、高溫、抗震等試驗中，主要有3大功能：對機(jī)構(gòu)的驅(qū)動、參數(shù)測量和溫度控制。綜合測試平臺能實現(xiàn)對試驗過程中運(yùn)行時間、旋轉(zhuǎn)角度、運(yùn)行速度、電氣設(shè)備的電流/電壓、驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)部溫度、系統(tǒng)其他部件的溫度等參數(shù)的控制、記錄。綜合測試平臺采用Windows平臺工業(yè)控制計算機(jī)為基礎(chǔ)，使用系統(tǒng)PCI總線連接DAQ卡實現(xiàn)，對于PCI總線DAQ不能實現(xiàn)或不便實現(xiàn)的功能使用PCI-RS485轉(zhuǎn)接卡通過RS485總線DAQ實現(xiàn)項目所需的功能，各功能模塊選用成品工業(yè)模塊和板卡來實現(xiàn)。軟件基于VC6.0開發(fā)環(huán)境，采用該環(huán)境下的MFC平臺進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。綜合測試平臺界面能實現(xiàn)界面顯示、多窗口顯示、操作控制、故障處理、數(shù)據(jù)查詢等功能[6-7]。圖3示出綜合測試平臺與控制鼓系統(tǒng)組成示意圖。

2 快速復(fù)位時間測量方法

在反應(yīng)堆事故工況下，為滿足故障安全原則，驅(qū)動機(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)定的時間內(nèi)快速復(fù)位，實現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。因此對控制鼓系統(tǒng)的斷電快速復(fù)位特性進(jìn)行試驗驗證是十分必要的，以驗證控制鼓組件快速復(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。

斷電快速復(fù)位特性主要考核機(jī)電延遲時間和機(jī)械復(fù)位的總時間，快速復(fù)位是控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)階段的重要性能考核指標(biāo)。采用的綜合測試平臺與實際工程的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同，這里測試和記錄的時間為機(jī)電延遲時間和機(jī)械

圖3 綜合測試平臺與控制鼓系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Composition diagram of comprehensive test platform and control drum system

的快速復(fù)位時間總和。綜合測試平臺測出的快速歸位時間是從發(fā)出指令開始計時，截止時刻為判定機(jī)構(gòu)已歸位的時刻。

控制鼓系統(tǒng)復(fù)位測試原理為：綜合測試平臺發(fā)出機(jī)構(gòu)復(fù)位指令的同時，軟件記錄當(dāng)前系統(tǒng)時間t1，t1也就是控制鼓開始復(fù)位的時間，當(dāng)軟件檢測到機(jī)構(gòu)的旋變值小于定值，認(rèn)為機(jī)構(gòu)已歸位，記錄當(dāng)前的系統(tǒng)時間t2，那么兩次時間的差值(t2-t1)就是控制鼓系統(tǒng)的復(fù)位時間[8-10]。

綜合測試平臺執(zhí)行復(fù)位操作時，機(jī)構(gòu)旋變值和光編值的采集頻率為20 ms。每個驅(qū)動機(jī)構(gòu)占用1個串口，旋變處理器向串口緩存區(qū)的傳輸速率為0.05 ms。光編采集板卡的傳輸速度為5 Mpps。快速復(fù)位時間測試示意圖如圖4所示。

圖4 快速復(fù)位時間測試示意圖Fig.4 Test diagram of scram time

圖5 控制鼓系統(tǒng)快速復(fù)位時間測試流程圖Fig.5 Test flow chart of scram time of control drum system

控制鼓系統(tǒng)的復(fù)位測試流程如圖5所示。發(fā)送復(fù)位指令的同時，記錄系統(tǒng)時間t1，然后采集系統(tǒng)的光編值、旋變值進(jìn)行判斷，當(dāng)旋變值滿足小于1.5°(遠(yuǎn)小于設(shè)計要求)，認(rèn)為控制鼓系統(tǒng)已歸位，記錄當(dāng)前系統(tǒng)時間t2。當(dāng)光編值滿足小于1.5，認(rèn)為控制鼓系統(tǒng)光編復(fù)位，記錄當(dāng)前系統(tǒng)時間t3，那么兩次系統(tǒng)時間差值(t3-t1)就是光編的復(fù)位時間[8-10]。

旋變誤差主要來源于驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的釋放彈簧、驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪間隙，光編誤差來源于驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的釋放彈簧、控制鼓組件內(nèi)的渦卷彈簧、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪間隙。

3 快速復(fù)位時間測試

試驗樣機(jī)選擇雙電機(jī)互為備份運(yùn)行的模式，目的是通過電機(jī)的可靠性來滿足系統(tǒng)的可靠性，故在進(jìn)行快速復(fù)位試驗的過程中，分別對兩個電機(jī)進(jìn)行了試驗[11-12]。

3.1 快速復(fù)位試驗

快速復(fù)位試驗進(jìn)行兩種工況下的試驗：1) 正常工況下，通過鼓體的緩慢轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；2) 事故工況下，通過鼓體的快速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)緊急停堆，并保持足夠的停堆深度。

圖6 控制鼓系統(tǒng)的溫度場分布Fig.6 Temperature field distribution of control drum system

根據(jù)控制鼓系統(tǒng)的研制要求，分別進(jìn)行常溫、高溫、抗震等3類試驗。常溫性能試驗[13]和高溫性能試驗[14-16](溫度場分布如圖6所示，壓力為0.1 MPa)均是針對正常工況和事故工況下進(jìn)行的，而抗震試驗[17](設(shè)計基準(zhǔn)地震，DBE)是在地震臺上進(jìn)行常溫試驗，DBE水平下控制鼓系統(tǒng)的加速度響應(yīng)列于表2。

表2 DBE試驗關(guān)鍵位置的加速度響應(yīng)Table 2 Acceleration response of key position in DBE test

針對快速復(fù)位試驗，具體試驗內(nèi)容列于表3。

3.2 試驗數(shù)據(jù)

按表3所列試驗項目在不同工況下進(jìn)行快速復(fù)位時間試驗，部分結(jié)果列于表4～6。

控制鼓系統(tǒng)快速復(fù)位的驅(qū)動力來源主要是驅(qū)動機(jī)構(gòu)內(nèi)的釋放彈簧，控制鼓組件內(nèi)的渦卷彈簧起到輔助作用。控制鼓組件的快速復(fù)位時間滯后于驅(qū)動機(jī)構(gòu)，即光編值均大于旋變值，主要是傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪和傳動節(jié)間隙、控制鼓組件內(nèi)的渦卷彈簧以及各傳動鏈上的摩擦阻力等造成的。

由表4～6可見：常溫時，光編測得數(shù)據(jù)大于旋變約40～100 ms；高溫時，光編測得數(shù)據(jù)大于旋變約40～180 ms，大部分在100 ms左右；抗震試驗滿足設(shè)計要求，震后系統(tǒng)運(yùn)行正常。A電機(jī)和B電機(jī)的復(fù)位時間基本一致；隨快速復(fù)位角度的增大，快速復(fù)位時間增加，但快速復(fù)位時間增加較小是釋放彈簧和渦卷彈簧壓縮更大，在快速復(fù)位時作用力增大造成的；高溫

表3 快速復(fù)位試驗項目Table 3 Scram test project

表4 常溫不同行程下的快速復(fù)位時間Table 4 Scram time of different routes at room temperature

表5 高溫不同行程下的快速復(fù)位時間Table 5 Scram time of different routes under high temperature

時快速復(fù)位時間比常溫時稍有增加。驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的釋放彈簧和控制鼓組件內(nèi)的渦卷彈簧隨溫度的升高，彈簧本身的剛度和性能均有所下降，因此彈簧的回復(fù)力必然會更低，導(dǎo)致彈簧力在快速復(fù)位過程中不足以克服傳動鏈上的摩擦阻力矩，復(fù)位能力變差，從而復(fù)位時間稍有增加。

表6 抗震全行程180°快速復(fù)位時間Table 6 Scram time of whole route for earthquake resistance

在不同行程下，控制鼓組件和驅(qū)動機(jī)構(gòu)端的快速復(fù)位時間均小于1 s，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對控制鼓系統(tǒng)快速復(fù)位過程的分析，設(shè)計了快速復(fù)位時間的測量方法。通過設(shè)計和建立1∶1全尺寸控制鼓系統(tǒng)試驗樣機(jī)進(jìn)行快速復(fù)位試驗。在常溫、高溫、抗震等試驗過程中，試驗樣機(jī)運(yùn)行正常、無卡頓和異響，控制鼓系統(tǒng)樣機(jī)快速復(fù)位時間小于1 s，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)均能返回“0”位，驗證了快速復(fù)位時間測量方法是合理、有效的，適用于控制鼓系統(tǒng)各階段研發(fā)、使用過程中快速復(fù)位時間的測量。控制鼓組件的快速歸位時間滯后于驅(qū)動機(jī)構(gòu)，得到的試驗數(shù)據(jù)為下一階段的控制鼓系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。