摘 要：中国先进研究堆（CARR）现役控制棒驱动机构在设计上存在一定缺陷，因而对该驱动机构提出了改进。改进型机构空程的设计目标为达到现役机构空程一半以内，为验证改进设计，采用控制变量法分别针对棒速、电流、摩擦力、负载等因素进行实验。实验结果表明，改进型驱动机构的空程较现役驱动机构缩小了约一半，达到了改进设计目标；并且确定了该驱动机构空程的影响因素主要是衔铁和线圈的连接刚度以及系统摩擦力。
关键词：中国先进研究堆 空程 改进实验
中图分类号：TL36216 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0003-03
Experiment on Idle Stroke of Improved Control Rod Drive Mechanism in China Advance Research Reactor
Xu Pengcheng Zhen Jianxiao
（China Institute of Atomic Energy， Beijing 102413， China）
Abstract：There are some defects in the design of the control rod drive mechanism which is actively serving in China Advance Research Reactor （CARR）. Because of the defects， a method was proposed to improve the mechanism. Theoretically， idle stroke of the improved mechanism is half of that of actively serving mechanism. To verify the improvement， experiments， which were about the influence elements like the speed of the rod， current， frictional force and the load of the mechanism， were designed with control variables method.The results showed that idle stroke were reduced about two-thirds after the improvement， which had achieved the design aim.Besides， the main influencing factors， the frictional force of the system and the coupling stiffness of armature and coil， of idle stroke were determined.
Key words：China advance research reactor；Idle stroke；Experiments on improvement
中国先进研究堆（CARR）是一座轻水冷却，重水慢化的反中子阱型池式多用途研究堆，既可以满足中子散射实验等基础研究的需要，又能满足核工业、国民经济和国防建设的需要，其主要性能指标已达到世界先进水平。
中国先进研究堆（CARR）现役控制棒驱动机构是一种新型驱动机构[1]。该控制棒驱动机构采用可动线圈传动方式，衔铁处于与池壳密封相连的密封筒内，电磁线圈处于密封筒外。当电磁线圈通电且衔铁处于线圈内时，功率调节系统PLC执行操纵员站发出的指令，由步进电机轴控模块（CFY）发出脉冲信号，经步进电机驱动器（TLD）驱动安装在滚珠丝杠下方的步进电机，步进电机直接转动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动线圈上下运动，处于线圈内的衔铁将跟随线圈运动或保持在给定的位置上。衔铁通过检修抓头与连杆相连，连杆与控制棒的下端刚性连接，推动控制棒上下运动。当电磁线圈断电时，包括补偿棒、连杆、衔铁的运动组件将在重力作用下下落，直至控制棒落入堆芯。此驱动机构在设计上有结构简单、可靠性较高的有点，但在堆内调试时，发现线圈和衔铁运动不同步，尤其在转向时，出现线圈动、衔铁不动的现象，即所谓的空程。
为改善这种空程现象，对驱动机构提出改进，进行了电磁结构的改进计算与设计[2]。经过改进，理论上改进型驱动机构转向空程比现役驱动机构小，实际的效果如何则需要实验验证；另外，为保证安全，改进型驱动机构不能直接入堆进行实验。因此，搭建堆外实验台架，进行改进型驱动机构空程实验[3]。
堆内现役驱动机构静态下空程约为8mm，动态下空程约为4mm。经改进设计，设计目标为：改进型驱动机构在静态下空程小于4mm，动态下空程小于2mm。
1 实验台架
实验系统下位机采用Schneider公司PL7软件完成现场信号的数据采集与控制程序的编制，控制的功能有运动控制、位移设定、棒速设定等。上位机通过Intellution公司ifix组态软件完成人机界面的绘制，ifix由针对于TCP/IP数据传输协议的MBE驱动程序将PL7采集的现场数据赋予ifix数据库，并将相关参数实时显示于人机界面上，这些数据点包括线圈位置，棒位，偏差信号，棒速，光栅尺读数等。操作人员根据相关的操作按钮和数据窗对补偿棒驱动机构进行监控与监督。Ifix同时完成历史数据的存储，用以绘制跟随特性曲线。控制系统和控制界面如图1和图2所示。
2 实验设计
2.1 实验设定
为测定控制棒驱动机构的转向空程，进行以下实验：
（1）在静态模拟（约承重74kg）下，分别进行断续与连续的转向实验，分别测定两种情况下的下插转提升和提升转下插空程；进行改变电流、移动速度、初始位置情况下的转向实验。
（2）加载摩擦力测定转向空程。
（3）在动态模拟下（承重约190kg）下测定转向空程。
2.2 数据处理背景及方法
本研究中进行的控制棒位移转向空程实验基于以下背景进行：
（1）试验中读数有线圈位置光栅尺读数两项主要读数。线圈位置为系统给出的目标位置，由旋转编码器控制；光栅尺的光栅读数头装置在控制棒上部的砝码箱中，跟随控制棒绝对运动，这里将光栅尺读数作为控制棒棒位的绝对读数。
（2）设定的光栅尺零点与线圈零点相同，但由于空程的存在，提升后，光栅尺读数本身就与线圈位置读数有差。
（3）线圈位移误差和光栅尺读数误差为系统误差。
根据以上背景，采用的误差处理方法为：由于所要测定的参数就是控制棒的转向空程，所以在试验中，每次转向后将沿转向后的方向再走一步作为实验调整步，以使控制棒完全脱离上一次空程的影响；每次实验分别得到三个提升转下插空程和三个下插转提升空程，求均值作为测量值。
3 实验结果
实验结果如表1所示。
对比实验一和实验二，可得看出：由于系统误差的存在（约±0.1mm），断续测得的空程和连续测得的空程基本一致，断续测量工作量较大，多次测量时耗严重，因而在后续的实验中均采用连续步长测定的方法。符合静态下空程小于4mm的设计目标。
对比实验二和实验三，可以看出：棒速对转向空程没有影响或影响不可观测。
对比实验二和实验四，可以看出：线圈的通电电流对控制棒空程有一定影响，即提高线圈的通电电流能够使控制棒的转向空程得到改善。
对比实验二和实验五，可以看出：摩擦力对转向空程有着较大的影响，增大摩擦力，空程增大。
对比实验二和实验六，可以看出：负载对转向空程有较大影响，增加负载，空程减小。
4 原理分析
首先指出空程产生的原因。这里给出衔铁相对于线圈不同位置时提升力的变化曲线，如图3所示。当线圈向上运动时，衔铁受到提升力逐渐加大，此时当线圈改变运动方向时，衔铁受到的提升力并不沿着向上的提升力曲线减小，提升力减小缓慢，只有当其提升力减小至向下提升力曲线时，方随着向下提升力曲线减小。当线圈运动方向由下变上时，提升力增加缓慢。这种现象造成了驱动机构的刚度下降，相比单一的受力曲线，这就意味着需要更大的力方能使衔铁的相对位置发生1mm的位移。上述分析表明：由于控制棒驱动线在上下运动时，受到摩擦力，虽然滑动摩擦力可以认为是一个常量；但在线圈发生转向，衔铁不动的阶段，摩擦力为静摩擦力，是一个方向与大小都在变化着的量，在此过程中，由于衔铁相对于线圈位置而引起的电磁提升力的变化量在被变化的摩擦力抵消，从而使衔铁处于力学平衡状态，导致空程的产生。
那么，当控制棒驱动机构本身的刚度有增加时，空程会得到改善。增加线圈的通电电流可以使提升力在衔铁与线圈在相对位置不变时增大；增大控制棒驱动机构的负载则可以使衔铁与线圈的相对位置往最大提升力位置方向靠近，即增大负载，提升力增大。提升力增大，则刚度增加。所以上述试验中，可以看到：增大线圈的通电电流和增大控制棒驱动机构的负载都使空程得到有效的减少。
当我们增加驱动机构的摩擦力时，在转向中需要抵消的摩擦力就更多，想要打破力学平衡状态，就需要更多的行程，这也就是摩擦力对空程的影响作用。
5 结语
经过试验结果分析，可以得到以下结论：
（1）在静态模拟下改进型控制棒驱动机构的转向空程约2.8mm；在动态模拟下改进型控制棒驱动机构的转向空程约1.3mm。符合理论规律。
（2）控制棒驱动机构的转向空程与是否进行断续/连续测定无关，与棒速无关。
（3）控制棒驱动机构的负载和线圈通电电流对控制棒驱动机构的转向空程有一定影响。这是由于这两者的增大都有利于提高线圈和衔铁的连接刚度。
（4）控制棒驱动机构中存在的机械摩擦力对控制棒驱动机构的转向空程有较大影响。在后续实验中增加摩擦力到堆内现役机构摩擦力，测得动态模拟下空程为1.8 mm，基本达到设计目的。
参考文献
[1]Tsutomu YORITSUNE，etc.In-vessel Type Control Rod Drive Mechanism Using Magnetic Force Latching for a Very Small Reactor[J]. Journal of NUCLEAR SCIENCE and Technology，2002，39（8）.
[2]张继革.反应堆控制棒可移动线圈电磁驱动机构的研究[D].北京：清华大学核能技术设计研究院，2003.
[3]马仓，等.控制棒可移动线圈电磁驱动机构线圈刚度实验[J].原子能科学技术，2006，40（3）.