基于FTA的電磁鎖故障分析

柳明明，馮 軍，郭朝帽，王學良，文 巍，王麗紅

（1.蘭州空間技術物理研究所（真空技術與物理重點實驗室），甘肅蘭州 730000；2.四川華都核設備有限公司，四川都江堰 611830）

0 引言

控制棒驅動機構是核能應用系統的關鍵設備，是控制棒組件的驅動機構，主要功能是：按照指令帶動控制棒組件從堆芯抽出或快速插入堆芯，保證事故狀態下或反應堆末期的安全停堆。電磁鎖是控制棒驅動機構的關鍵部件，控制棒驅動機構抽出堆芯后鎖緊控制棒組件、解鎖控制棒組件并快速插入堆芯是通過電磁鎖的鎖緊和解鎖動作來實現的。

電磁鎖采用拍合式結構設計，吸力大、鎖緊力強，在有沖擊和振動使用工況時不會發生意外脫鎖現象。當驅動機構齒條運動到鎖緊位置時，電磁鎖加電，由線圈組件提供電磁力，驅動動鐵芯組件和楔形環帶動鋼珠運動，鋼珠被推進驅動機構齒條頭部的凹槽處，此時動鐵芯組件、滾珠、楔形環、動鐵芯組件、齒條組成的組件利用楔形環的推力推動鋼珠阻止齒條向解鎖方向運動。驅動機構歸位時，電磁鎖斷電，此時線圈組件不再提供電磁力，動鐵芯組件在解鎖彈簧的彈簧力推動下復位，同時鋼珠釋放，在動鐵芯組件、楔形環和彈簧力及小彈簧和復位環推動力下，將鋼珠推回原位，此時齒條解鎖。

在控制棒驅動機構例行試驗中發現為電磁鎖通電和斷電，控制棒驅動機構不能鎖緊控制棒組件和解鎖控制棒組件，初步認為控制棒驅動機構的鎖緊和解鎖功能失效。為進行故障定位，采用FTA（FaultTree Analysis，故障樹分析[1]）方法進行故障分析和定位，并采取解決措施進行故障排除。

1 故障現象

1.1 驅動機構不能解鎖控制棒組件

控制棒驅動機構帶動控制棒組件運轉至目標位置并鎖緊控制棒組件保持一定時間后，驅動機構的電磁鎖斷電，而驅動機構及控制棒組件均保持在當前位置，判斷認為驅動機構解鎖控制棒組件功能失效。

1.2 驅動機構不能鎖緊控制棒組件

控制棒驅動機構按照指令將控制棒組件帶動至目標位置，驅動機構的電磁鎖通電，驅動機構其他部組件斷電，此時驅動機構帶動控制棒組件快速運行至初始位置，判斷認為驅動機構鎖緊控制棒組件功能失效。

2 故障樹分析技術

FTA技術是一種公認的對復雜系統進行可靠性、安全性分析及預測的方法，在1961年由美國貝爾實驗室H.A.W atson等人提出。它采用逆向邏輯的方法，將系統的故障現象（頂事件）與最基本的故障原因（底事件）[2]之間的內在關系表示成樹形的網絡圖，各層事件之間通過“與”“或”“非”“異或”等邏輯關系相關聯。作為故障檢測與分析的重要方法，FTA能夠準確有效定位故障。

3 FTA在電磁鎖故障分析中的應用

3.1 控制棒驅動機構系統組成

控制棒驅動機構系統由控制器、控制軟件、驅動線纜和控制棒驅動機構組成。通過控制軟件發送指令、控制器響應指令并驅動控制機構動作，驅動機構系統組成如圖1所示。

圖1 驅動機構系統組成

3.2 FTA分析

故障樹如圖2所示，與控制棒驅動機構解鎖和鎖緊功能相關的主要有電磁鎖本身、控制棒驅動機構、控制器和控制軟件，因此造成電磁鎖故障的原因主要有4種可能：

圖2 故障樹分析

（1）電磁鎖故障，即事件M1。

（2）控制棒驅動機構故障，即事件M2。

（3）控制器故障，即事件M3。

（4）控制軟件故障，即事件M4。

上述故障中，通過故障樹詳細分析故障情況如下：

事件M1（電磁鎖故障）包括：電磁鎖內部鋼珠故障（事件X1），電磁鎖導向筒故障（事件X2）。

事件M2（控制棒驅動機構故障）包括：控制棒驅動機構其余零部位故障（X3），控制棒驅動機構齒條頭部故障（X4）。

事件M3（控制器故障）包括：驅動線纜故障（X5），驅=動模塊故障（X6）。

事件M4（控制軟件故障）包括：控制軟件故障（X7）。

4 故障排除試驗

4.1 試驗1

按照圖2所示接線關系，用控制器上原有電磁鎖驅動模塊控制兩臺新研制電磁鎖，試驗發現兩臺新研制的電磁鎖可正常解鎖和鎖緊。通過試驗1排除了控制器電磁鎖驅動模塊故障，即事件X6導致驅動機構解鎖和鎖緊故障。

4.2 試驗2

按照圖2所示接線關系，在控制器上更換驅動電纜進行試驗，試驗發現電磁鎖仍無法鎖緊和解鎖。通過試驗1、試驗2排除了驅動線纜故障，即事件X5導致的電磁鎖故障。

通過試驗1、試驗2同時排除了控制軟件故障，即事件X7導致驅動機構解鎖和鎖緊故障。

4.3 試驗3

在控制棒驅動機構輸出軸上安裝光電編碼器，使驅動機構運行至目標位置，驅動機構角度與光電編碼器運行角度一致，此時電磁鎖加電，發現電磁鎖加電仍故障。通過試驗3排除了控制棒驅動機構故障，即事件X3導致驅動機構解鎖和鎖緊故障。

4.4 試驗4

電磁鎖結構如圖3所示，電磁鎖在通電鎖緊時，是將驅動機構齒條頭部利用鋼珠鎖緊，更換新電磁鎖與齒條試驗，可正常鎖緊和解鎖。通過試驗4排除了控制棒驅動機構齒條頭部故障，即事件X4導致驅動機構解鎖和鎖緊故障。

圖3 電磁鎖結構圖

4.5 試驗5

拆卸電磁鎖內部鋼珠，用放大鏡觀察后發現，鋼珠表面無變形。為排除事件X1，更換電磁鎖內部鋼珠后進行試驗，發現驅動機構解鎖和鎖緊故障未排除。通過試驗5可排除事件X1導致驅動機構解鎖和鎖緊故障。

4.6 試驗6

電磁鎖導向筒與電磁鎖主殼體之間用螺紋連接緊固，而電磁鎖主殼體和導向筒與齒條同軸度要求很高。用圓跳動對主殼體和導向筒進行測量，發現同軸度超差。將電磁鎖導向筒與主殼體在保證同軸度的前提下焊接，焊接完成后進行試驗，發現電磁鎖功能恢復正常，多次試驗電磁鎖功能依然正常。將其余兩套電磁鎖按照上述方法焊接，完成后進行多次試驗驗證，試驗后發現電磁鎖功能正常。因此將故障定位到電磁鎖導向筒上。通過試驗6將故障定位在電磁鎖導向筒上，即事件X2是導致驅動機構解鎖和鎖緊故障的原因。

5 性能測試試驗

通過對電磁鎖進行故障排除，最終將故障定位在電磁鎖的導向筒上，現將改進后的電磁鎖進行性能測試。首先將電磁鎖安裝在試驗工裝上，輸入DC 28 V電壓和0.8 A電流，在常溫和高溫下測試電磁鎖，試驗表明電磁鎖功能正常。重復上述試驗各60次，試驗結果見表1。

表1 電磁鎖性能測試結果

將改進后的電磁鎖通過焊接形式安裝在控制棒驅動機構上，讓控制棒驅動機構帶動控制棒組件運轉至目標位置后電磁鎖加電鎖緊，此時電磁鎖鎖緊功能正常；控制棒組件保持一定時間后電磁鎖斷電，控制棒驅動機構帶動控制棒組件快速運行至初始位置表明電磁鎖解鎖功能正常。

6 結語

采用FTA故障樹分析法，針對控制棒驅動機構電磁鎖工作故障問題，對所涉及到的每項故障進行詳細的分解，分析各底事件之間的邏輯關系，并對每項底事件開展故障排除試驗，最終將故障定位在電磁鎖導向筒上，從而采取恰當的改進措施，在驅動機構上更換改進后的電磁鎖，經過多次試驗后電磁鎖工作正常，故障解決。