控制棒驱动机构钩爪组件运动可靠性分析方法



邓 强¹,付国忠¹,李 维¹,张进强¹，孙 博²，明书君²，杨 西²，任 羿²

(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041)

(2.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院,北京 100191)

作者简介：邓强（1987—），男，高级工程师，硕士，主要从事核反应堆控制棒驱动机构的设计工作,hitdengqiang@163.com.

通讯作者：孙博,男，副研究员，sunbo@buaa.edu.cn.

摘要：控制棒驱动机构工作过程中钩爪组件需反复运动，且需承受驱动杆的冲击载荷，易引起组件中零件受载变形以及运动副配合间隙变化，影响钩爪的运动精度，进而影响钩爪组件的运动可靠性。以控制棒驱动机构钩爪组件为研究对象，研究了受载变形对钩爪组件运动可靠性的影响。根据钩爪组件的运动过程和功能原理，以钩爪伸出量为钩爪组件运动可靠性表征参数，根据有效杆长理论，建立了受载变形影响下钩爪伸出量的计算模型；在此基础上，进一步考虑受载变形量的不确定性，提出了一种考虑受载变形影响的钩爪组件运动可靠性分析方法。

关键词：控制棒驱动机构；钩爪组件；受载变形；运动可靠性

中图分类号：TL351.5   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0040-05

控制棒驱动机构(CRDM)是反应堆控制和保护系统的伺服机构，其安全性和可靠性将直接影响反应堆的安全与运行^［1］。钩爪组件是控制棒驱动机构中核心的运动部件^［2］，在控制棒驱动机构的工作过程中，钩爪组件需反复地伸出和收回，协助完成驱动杆的步进运动。由文献^［3］对CRDM的失效机理分析可知，钩爪组件的运动失效是CRDM主要的失效模式之一，有必要针对钩爪组件进行运动可靠性分析。

近年来，研究人员针对控制棒驱动机构部、组件的可靠性开展了相关研究。文献^［4］运用失效模式及影响分析(FMEA)方法定性分析了驱动机构每个组件的失效模式，得出了各失效模式的风险等级；文献^［5］运用热力学仿真的手段对控制棒驱动机构高温下的结构可靠性进行了研究；文献^［6］分析了控制棒驱动机构传动件的结构及材料性能，研究了传动件的耐磨可靠性。目前对控制棒驱动机构可靠性的研究主要是对机构失效模式的定性分析与结构可靠性分析，对钩爪组件运动可靠性的研究相对较少。本文提出了一种考虑受载变形影响的钩爪组件运动可靠性分析方法，研究了受载变形对钩爪组件运动可靠性的影响。

1 钩爪组件运动可靠性定义

1.1 钩爪组件结构及运动简图

钩爪组件结构如图1所示，钩爪组件的工作原理为：移动衔铁上表面受到电磁力作用，向上运动带动连杆及钩爪运动，钩爪齿向外伸出与驱动杆啮合。

1.2 钩爪组件运动可靠性模型

在钩爪完全伸出后，钩爪齿需要与驱动杆沟槽进行啮合完成提升和下插等动作，因此钩爪齿的伸出量成为影响钩爪能否与驱动杆准确啮合的重要参数。以1号销孔中心作为参考点，钩爪齿距离1号销孔中心的水平距离即为钩爪的伸出量D，如图1所示。根据可靠性定义方法，可根据钩爪伸出量落在允许误差范围内的概率评价钩爪组件的运动可靠性，此概率即钩爪组件的运动可靠度。

钩爪组件的伸出量受到零件受载变形的影响，将不考虑变形影响的钩爪齿伸出量D作为理想伸出量，将考虑变形的钩爪齿伸出量D′作为可靠性分析输入参数。钩爪伸出量作为控制棒驱动机构性能指标之一，可认为在伸出量超差5％时，机构失效，以此确定失效判据。设定钩爪伸出量在(a,b)范围内可靠，其中a为0.95倍的理想伸出量，b为1.05倍的理想伸出量。则可以计算钩爪组件运动可靠度P为：