控制棒驱动机构的分段非线性动态特性

作者简介 ：沈小要 （１９８０一），男 ，高级工程 师，工学博士 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｘｙ＠ｓｎｅｒｄｉ．ｃｏｒ ｎ．ｃｎ
第 ４期
沈小要 ：控制棒驱动机构 的分段非线性动态特性
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布 、磁 感应 强度 分 布和衔 铁所 受 电磁力 ． 本文从控制棒驱动机构的理论模型出发，针对控制棒驱动机构的动态特性展开研究 ．首先推导了控制
关键词 ：控制棒驱 动机构 ；动态特性 ；分段非线性 ；解析解 ；数值仿 真
中 图分 类 号 ：ＴＬ ３５１
文 献 标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１６７２—５５８１（２０１１）０４—０４１０—０６
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｅｇｍ ｅｎｔａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄ ｄｒｉｖｅ ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ
ＳＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｙａｏ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｔａｔｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔ】１ｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄ ｄｒｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ （Ｃ】 ＤＭ ），ａ ｋｅｙ ｓａｆｅｔｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ，ｓｅｃｕｒｅ ａ ｃｒｕｃｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｒｅｌｅｖａｎｔ ｅ ｑ ｕａｔ ｉｏｎｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ ｍａｇ ｎ ｅｔｉｃ ｃｉｒ— ｃｕｌｔ ｓ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｃｌａｓｉ ｆｉｅ ｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｓｔ ａｇｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉ ｆｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓ． Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔ ｈｅ ｍａ ｇｎ ｅｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｑｕ ａ ｔ ｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｅ ｄ ｕｃｅｄ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｓｔａｇｅ．Ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｔ ｈｅ ａｎａ— ｌｙｔｉｃ ａ ｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ 、＾ｒｉｔｌ１ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔ ｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔ ａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅ ｑ ｕａｔ ｉｏｎｓ ｏｆ ＣＲＤＭ ａ ｒｅ ｓ ｏ ｌｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｕｃｈ ｔｉｍｅ－ｂａ ｓｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｌｌ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｍａ ｇｎ ｅｔ ｉｃ ｆ ｏｒｃ ｅ ，ｍａｇ ｎ ｅｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅ ｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔ ｙ ａｎｄ ａｃｃ ｅ ｌｅｒａｔ ｉｏｎ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅ ｒｔｙ ａｔｔａｉｎｍｅｎｔ ａｎ ｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔ ｉｏｎ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄ ｄｒｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ；ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｓｅｇｍ ｅｎｔａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ；ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａ１ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ
摘要 ：控制棒驱动机构是核 电厂 中的重要安全设备 ，其动态特 性是研究 和设计该 机构 的关键 ．首 先建立控制 棒 驱动机构的磁路和电路方程．然后基于控制棒驱动机构动态提升过程分 析 ，将运动过程分为 ３个阶段 ，并 分别推 导 出各阶段的磁路 ～电路 一机械运动耦合 方程 ．采用解析解和数值 仿真两种 方法相结合 ，求解 了控制棒驱 动机 构分段的非线性方程 ．最终得 出动态过程 中电流 、电磁力 、衔铁速度 、衔铁位移 和衔铁加 速度等一 系列反应 控制 棒驱动机构动态特性的参数随时间的变化曲线 ，并得到了实验验证 ．
第 ９卷第 ４期 ２０１１年 １２月
中 国 工 程 机 械 学 报 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
பைடு நூலகம்
ＶＯＩ．９ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１１
控 制棒 驱 动 机 构 的分段 非线 性 动态 特 性
沈 小要
（国家核电技术公 司 上海 核工程研究设计院 ，上海 ２００２３３）
棒驱动机构 的磁路和电路方程 ，然后将动态过程分为 ３个阶段 ，并分别建立每个阶段 的磁路 一电路 一机械 运动耦合方程 ．采用解析解和数值仿真相结合的方法求解 了动态过程的分段非线性方程 ．最终得出了线圈 电流 、电磁力 、衔铁速度 、衔铁位移和衔铁加速度等参数随时间变化 曲线 ，并进行了分析 ．
鉴于控制棒驱动机构在核电厂中的重要作用 ，已有大量的工作研究 、设计和计算控制棒驱动机构的工 作原理和工作特性．吕玲玲等［１］以及朱京 昌等『２］采用磁路定理对控制棒驱动机构进行了设计计算 ，以克服 控制棒组件等的重力和摩擦力等阻力所需的电磁提升力为基础 ，导出磁路总的磁动势等 ，计算出所需的线 圈匝数和电功率等设计参数 ，加以开展试验验证 ，该方法在控制棒驱动机构的早期设计中发挥 了重要作 用 ，但该方法也有不足之处 ，只是静态计算 ，实际上 ，电磁机构衔铁 的运动过程 中只存在动态吸力而不存在 静态吸力，只有动态过程才能表征电磁系统动作时的真实过程．王赤虎等［３］采用商业有限元分析软件 ＡＮ— ＳＹＳ对控制棒驱动机构的电磁场进行了分析 ，分别计算提升磁路、保持磁路和传递磁路等磁路 的磁力线分
控制棒驱动机构（Ｃ砒）Ｍ）是控制核反应堆反应性的关键设备 ，在核 电厂各类工况下能否保持其应有 的功能 将直 接关 系到核 电厂 的可运 行性 和安 全性 ．我 国的控制 棒驱动 机构基 本 上采用 磁力提 升步 跃式 ．通 过磁力 改 变或保 持控制 棒在 堆芯 垂直方 向上 的高度 ，实 现反应 堆 的启 停 ，并在 反应堆 正常运 行 中调节或 维 持堆 芯 的功 率水 平 以及 在事 故工 况下快 速停 堆 ．