CN104051029B - 用于卧式堆芯结构的模块化控制棒驱动系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卧式堆芯结构的模块化控制棒驱动系统及其驱动方法，其为用于卧式堆芯结构研究反应堆，且具备非能动停堆功能的模块化控制棒驱动系统，并通过滚珠丝杠‑螺母结构精确控制控制棒组件位置与移动速度，兼顾了研究堆的实验功能。系统包括：卧式堆芯非能动停堆机构，利用牵引配重、牵引钢丝与滑轮组带动控制棒组件快速水平运动插入卧式堆芯；模块化控制棒驱动装置，集成度高，维护简便，性能可靠；控制棒驱动系统台架，确定模块化控制棒驱动装置在堆芯中的位置与牵引配重高度。

Description

用于卧式堆芯结构的模块化控制棒驱动系统及其驱动方法

技术领域

本发明涉及核能研究领域，具体涉及采用卧式堆芯结构的零功率和小功率研究堆控制棒驱动系统。

背景技术

在零功率和小功率研究堆中，既需要保证反应堆安全运行，又需要完成各类中子学实验。在实验中，要求控制棒能够在指定位置停留，或在足够的精度下以指定速度、方向运动；在反应堆出现事故工况时，要求控制棒组件能够在一定时间内迅速插入堆芯完成紧急停堆，因此，需要一种测量保护两用控制棒驱动系统。而对于卧式堆芯结构的反应堆，控制棒组件无法利用自重直接插入堆芯，出于安全的考虑，采用电动机驱动控制棒组件停堆的方法并不是较好的选择。因此，需要一种应用于卧式堆芯结构的非能动停堆机构。研究堆为了满足实验需求，堆芯布局要求能够灵活配置，因此，模块化的控制棒驱动系统设计有利于研究堆的配置与维护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，集成度高，制造难度低，具备精确运动控制、棒位检测功能，能够在卧式堆芯结构中使用的非能动停堆控制棒驱动系统，完整的系统由控制棒驱动系统台架与模块化控制棒驱动装置构成。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于卧式堆芯结构的模块化控制棒驱动系统，包括如下部件：模块化控制棒驱动装置；模块化控制棒驱动装置托盘；固定支架；固定支架底座；牵引配重；牵引钢丝；支撑滑轮I；支撑滑轮II；模块化控制棒驱动装置通过模块化控制棒驱动装置托盘固定在固定支架上，并通过固定支架与固定支架底座组成的结构固定模块化控制棒驱动装置在竖直与水平方向上的位置；接有牵引配重的牵引钢丝通过固定在固定支架上的支撑滑轮I与支撑滑轮II与模块化控制棒驱动装置连接。

其中，所述的模块化控制棒驱动装置包括：括编码器；驱动电机；滚珠丝杠；外壳；螺母；螺母套筒；电磁离合器；控制棒组件抓手；滚动滑轨；滚轮滑块；控制棒组件；控制棒组件尾勾；缓冲机构；尾壳；转向滑轮I；转向滑轮II；牵引钢丝；外壳盖板；转向滑轮III；由带有编码器的驱动电机连接滚珠丝杠，并通过螺母与螺母套筒相连；电磁离合器的一端固定在螺母套筒上，另一端连接控制棒组件抓手；控制棒组件抓手连接控制棒组件，并与装有滚轮滑块的控制棒组件放置在滚动滑轨上；控制棒组件通过控制棒组件尾勾连接牵引钢丝；牵引钢丝通过转向滑轮I、转向滑轮II与转向滑轮III引出模块化控制棒驱动装置；模块化特征在于：以上部件均装配在由带缓冲机构的外壳，外壳盖板和尾壳组成的封闭空间内。

其中，连接牵引配重的牵引钢丝通过装有支撑滑轮I与支撑滑II的固定支架，进入模块化控制棒驱动装置；在模块化控制棒驱动装置内，通过转向滑轮I，转向滑轮II与转向滑轮III连接控制棒组件尾勾，并利用电磁离合器连接控制棒组件与模块化控制棒驱动机构；这种控制棒驱动系统结构实现了卧式堆芯结构反应堆的非能动停堆功能。

本发明另外提供控制棒组件驱动方法，包括如下步骤：

移动步骤：电磁离合器通电，抓紧控制棒组件抓手，驱动电机通过滚珠丝杠-螺母传动系统，驱动螺母套筒往复运动，使控制棒组件运动至预定位置；

快速落棒步骤：电磁离合器断电，控制棒组件抓手与螺母套筒分离，在牵引钢丝的牵引力作用下与控制棒组件一起快速插入堆芯；

控制棒组件提升步骤：螺母套筒在滚珠丝杠的驱动下运行至行程最远端，电磁离合器通电，抓紧控制棒组件抓手，驱动电机驱动滚珠丝杠运动将控制棒组件提升；

换料步骤：断开牵引钢丝与牵引配重的连接，将模块化控制棒驱动装置移出堆芯，打开外壳盖板，移除需要更换的控制棒组件，安装新的控制棒组件，安装外壳盖板，牵引钢丝连接牵引配重。

本发明的原理在于：

正常运行：在反应堆正常运行过程中，控制棒驱动机构的伺服电机和电磁离合器通电，以适当的速度通过滚珠丝杠-螺母传动机构将控制棒组件移动到活性区的指定位置，继而进行各项反应性测量实验研究；

紧急停堆：电磁离合器失电，控制棒组件与驱动机构之间的相互保持力消失，配重组件的重力通过滑轮组及钢丝带动控制棒组件迅速插入活性区，实现紧急停堆。

控制棒组件所有运动均通过滚轮滑块在滚动导轨上完成，可以有效的降低运动过程中的滑动摩擦。

落棒末期，控制棒组件行至下行终点前，机械缓冲机构工作，吸收控制棒组件动能，使控制棒组件迅速停在行程终点。

研究堆的特点之一是堆芯布局的可变性，鉴于研究堆的特点，本发明能够保证控制棒驱动系统在堆芯任意位置灵活布置。

进一步，所述的模块化控制棒驱动装置安装在装有滑轮的垂直于地面的固定支架上，驱动机构可以固定在固定支架的任一高度，同时，固定支架可在装有滑轨的底座上水平移动，并能够通过紧固装置固定在底座上，固定支架与底座构成了控制棒驱动系统台架；此结构可以确保将控制棒驱动系统安装在堆芯的任一栅格中。

研究堆在实验中常根据需要改变燃料组件活性区的长度，进而导致行程固定的控制棒组件有可能无法完全插入堆芯，存在一定的安全隐患。

为解决此类问题，模块化控制棒驱动装置固定支架上设置了不同位置不同高度的牵引悬挂配重；能够根据控制棒组件的位置选择不同位置的牵引悬挂配重，根据控制棒组件行程的长短选择不同高度的牵引悬挂配重。

进一步，牵引悬挂配重通过滑轮组与钢丝悬挂在固定支架上，钢丝的另一端通过固定在模块化控制棒驱动装置外壳上的滑轮变为水平方向，并通过固定在模块化控制棒驱动装置末端的滑轮连接在控制棒组件底部挂钩上。

紧急停堆时，电磁离合器失电，控制棒组件与驱动机构分离，牵引悬挂配重依靠自身重力下落，其垂直方向的运动通过滑轮组与钢丝带动控制棒组件水平运动，重物的重力势能转换为控制棒组件的动能，紧急停堆过程不需要外源驱动，实现了非能动紧急停堆。

为了增强维护性，模块化控制棒驱动装置采用了模块化设计方案，所有部件均在一个外壳内安装，包括如下部件：

外壳；编码器；驱动电机；滚珠丝杠；螺母；螺母套筒；电磁离合器；控制棒组件抓手；控制棒组件；滚珠滑块；滚动滑轨；控制棒组件尾勾；缓冲机构；牵引钢丝；滑轮组。

进一步，位于驱动电机上的编码器可用于确定棒位，棒位的确定采用相对编码的方式，具体实施方法如下：

将控制棒组件移动至近端零位，向远端移动控制棒组件；

控制棒组件到达远端零位时，保存编码器总计数量；

清零编码器缓存总计数，控制棒组件反向运动；

控制棒组件回到近端零位时，保存第二组编码器总计数量；

对比两组计数量，计算机械结构的往复精度，并确定校正值；

若需要提高校正值精度，可以通过多次往复运动标定过程求其平均值；

标定结束后，将控制棒组件插入堆芯，到达远端零位；

利用编码计数量与控制棒组件行程之间的关系，计算出控制棒组件棒位。

本发明的模块化设计结构简单，集成度高，方便维护，可靠性高，配置灵活，且适合批量生产，可在研究堆中广泛应用。

模块化控制棒驱动装置组装，包括如下步骤：

打开外壳盖板；安装落棒缓冲机构；根据控制棒组件行程选择并安装指定长度的控制棒组件滑轨；安装控制棒组件抓手；安装电磁离合器；安装螺母及其套筒；安装滚珠丝杠；安装驱动电机；安装编码盘；将专用牵引钢丝与控制棒组件底部挂钩连接，并将钢丝穿过外壳底部的牵引孔，经过两组滑轮组改变方向后沿盖板布置到第三滑轮组，钢丝方向偏转90°后通过盖板上的牵引孔引出盖板；安装外壳盖板；将钢丝末端经过控制棒组件系统台架连接配重组件。

控制棒驱动方法，包括如下步骤：

移动步骤：电磁离合器通电，抓紧控制棒组件抓手，驱动电机通过滚珠丝杠-螺母传动系统，驱动螺母套筒往复运动，使控制棒组件运动至预定位置；

快速落棒步骤：电磁离合器断电，控制棒组件抓手与螺母套筒分离，在牵引钢丝的牵引力作用下与控制棒组件一起快速插入堆芯；

控制棒组件提升步骤：螺母套筒在滚珠丝杠的驱动下运行至行程最远端，电磁离合器通电，抓紧控制棒组件抓手，驱动电机驱动滚珠丝杠运动将控制棒组件提升；

换料步骤：断开牵引钢丝与牵引配重的连接，将模块化控制棒驱动装置移出堆芯，打开外壳盖板，移除需要更换的控制棒组件，安装新的控制棒组件，安装外壳盖板，牵引钢丝连接牵引配重。

综述所述，本发明的优点和有益效果在于：

1.提供了一种适用于卧式堆芯布局的控制棒驱动系统，系统包括控制棒驱动系统台架与模块化控制棒驱动装置，其结构简单，易于维护，制造容易，使用方便，工作过程简单，对工作人员要求低，且能够实现非能动停堆；

2.模块化控制棒驱动装置结构紧凑，易于更换与移动，可靠性高；

3.相对码盘装置可以在实验过程中准确确定控制棒组件棒位；

4.设置了滚动滑轨与滚轮滑块，易于安全棒在外壳内灵活移动，并且可以限定活动行程；

5.本发明提供了一种简单可靠的，针对卧式堆芯布局的非能动停堆系统。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单说明。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，可以根据下面的附图，得到其他附图。

图1为本发明的模块化控制棒驱动装置结构示意图；

图2为本发明的控制棒驱动系统台架结构正视示意图；

图3为本发明的控制棒驱动系统台架结构侧视示意图；

本发明结构细节较多，为了使公众能够更加清楚本发明，本发明的结构示意图分为三部分，图1为模块化控制棒驱动装置的内部结构；图2所示的正视图说明了控制棒驱动系统台架的结构，包括固定支架结构、模块化控制棒驱动装置托盘位置与数量、固定支架运动机构、配置传动滑轮组位置与数量；图3所示的侧视图说明了底座、固定支架与模块化控制棒驱动装置托盘之间的连接方式，牵引配重系统结构，同时，图3还给出了图2中未能完整描述的关键部件的侧视图。

其中，附图标记所对应的零部件名称如下：

1-编码器，2-驱动电机，3-滚珠丝杠，4-外壳，5-螺母，6-螺母套筒，7-电磁离合器，8-控制棒组件抓手，9-滚动滑轨，10-滚轮滑块，11-控制棒组件，12-控制棒组件尾勾，13-缓冲机构，14-尾壳，15-转向滑轮I，16-转向滑轮II，17-牵引钢丝，18-外壳盖板，19-转向滑轮III，20-固定支架，21-连接法兰片，22-底座，23-模块化控制棒驱动装置托盘连接架，24-模块化控制棒驱动装置托盘，25-底座滑轨，26-固定支架滑轨，27-托盘连接架固定槽，28-固定支架底座，29-支撑滑轮固定位，30-固定支架顶架，31-底座法兰片固定槽，32-模块化控制棒驱动装置，33-支撑滑轮I，34-支撑滑轮II，35-牵引配重，36-固定螺丝。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更换的理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见，下面所述的实施例仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

实施例1：

如图1～图3所示，用于卧式堆芯结构的模块化控制棒驱动系统，包括如下部件：编码器1；驱动电机2；滚珠丝杠3；螺母5；螺母套筒6；电磁离合器7；控制棒组件11；牵引钢丝17；固定支架20；牵引配重35。

本实施例的工作原理如下：

移动步骤：与抓手完成连接的控制棒组件11通过电磁离合器7与螺母套管6连接，螺母套管6通过螺母5与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠由驱动电机驱动，带动螺母套管往复运动，使控制棒组件运动至预定位置，并通过编码器1确定棒位；

快速落棒步骤；电磁离合器7断电，控制棒组件11与螺母套管6分离，牵引配重35通过越过固定支架20并连接在控制棒组件11尾部的牵引钢丝17，牵引控制棒组件快速插入堆芯；

控制棒组件提升步骤：驱动电机2通过滚珠丝杠3与螺母5，驱动螺母套管6运动至远端，电磁离合器7通电，螺母套管6与控制棒组件11通过控制棒组件抓手完成连接，驱动电机2反向运动将控制棒组件提出堆芯区域。

上述步骤按照先后顺序进行，不断重复，即可持续的对控制棒组件进行操作。

在本实施例中，驱动电机可以采用步进电机或伺服电机驱动控制棒组件往复运动。所述的编码器可以采用光电编码器或磁感应编码器完成编码计数过程。

实施例2：

如图所示，本实施例为提高系统一体化程度，提高驱动装置的易用性与可靠性，公开了如下结构的模块化控制棒驱动装置。

所述的模块化控制棒驱动装置包括编码器1，编码器1固定于驱动电机2尾端，驱动电机固定于外壳4底部，滚珠丝杠3固定于驱动电机2转轴，滚珠丝杠3通过与螺母5螺纹配合完成连接，螺母5固定于螺母套筒6，螺母套筒6与电磁离合器7通过螺丝固定，电磁离合器7通过磁力吸合连接控制棒组件11的控制棒组件抓手8，控制棒组件11尾部装有控制棒组件尾勾12，连接在控制棒尾勾12上的牵引钢丝17通过位于缓冲机构13和外壳4底部的通孔，经过固定于尾壳14的转向滑轮I15和转向滑轮II16，牵引方向旋转360°，再次穿过位于缓冲机构13和外壳4底部的另一个通孔，延续到转向滑轮III19，牵引方向旋转90°后穿过外壳盖板18上的通孔，并越过固定支架后连接牵引配重35。

本实施例中的所有运动机构置于一个完整的外壳内，系统集成程度高，维护简便，性能可靠，模块化设计可以在批量生产中选择标准零件，降低制作成本。

实施例3：

如图1～图3所述，本实施例在上述实施例的基础上，提供了一套适用于卧式堆芯结构研究堆的非能动停堆系统。

本实施例中所述的非能动停堆系统工作原理如下：

牵引配重35悬挂在固定支架20上，与地面间的距离大于控制棒组件11行程的最大值，保证控制棒组件11在其牵引下能够完全插入堆芯。

牵引配重35与控制棒组件11之间通过牵引钢丝17与5个滑轮构成的转向滑轮组连接，正常工况下，牵引配重35具有重力势能，紧急停堆时，电磁离合器7断开螺母套筒6与控制棒组件11之间的连接，牵引配重35下落，重力势能转换为牵引配重35与控制棒组件11的动能，两者以固定的加速度运动，直至控制棒组件11由于缓冲机构13阻挡而停止运动，加速度计算方法如下：

设控制棒组件11的质量为m，牵引配重35的质量为M，系统总摩擦力为f，重力加速度为g，则控制棒组件11插入堆芯的加速度a为：

$a=\frac{M}{m+M}g-\frac{f}{m+M}$

根据公式可知，配重的质量决定了控制棒组件11的插入时间，因此，针对不同的停堆时间需求，可以通过调节牵引配重35的质量来实现，但控制棒组件11的最大加速度不会超过重力加速度。

本实施例中的停堆系统利用了重力势能与动能之间的转换，在没有外部能源驱动的情况下可以实现紧急停堆，满足非能动系统的条件。

实施例4：

如图1～图3所示，模块化控制棒驱动装置作为整体结构固定在控制棒驱动系统台架上，具有水平和垂直与地面两个自由度，可以快速、灵活的布置在卧式研究堆堆芯栅格的任一位置。

固定支架给牵引配重提供了支撑结构，牵引配重与模块化控制棒驱动装置通过钢丝连接分布在固定支架两侧，增强了固定支架的稳定性。

实施例5：

控制棒组件换料时只需将模块化控制棒驱动装置移出堆芯，打开外壳盖板18，更换控制棒组件即可；

本实施例的设计极大提高了本发明的灵活性与通用性。

如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims (3)

1.一种用于卧式堆芯结构的模块化控制棒驱动系统，包括如下部件：模块化控制棒驱动装置(32)；模块化控制棒驱动装置托盘(24)；固定支架(20)；固定支架底座(28)；牵引配重(35)；牵引钢丝(17)；支撑滑轮I(33)；支撑滑轮II(34)；其特征在于：模块化控制棒驱动装置(32)通过模块化控制棒驱动装置托盘(24)固定在固定支架(20)上，并通过固定支架(20)与固定支架底座(28)组成的结构固定模块化控制棒驱动装置(32)在竖直与水平方向上的位置；接有牵引配重(35)的牵引钢丝(17)通过固定在固定支架(20)上的支撑滑轮I(33)与支撑滑轮II(34)与模块化控制棒驱动装置(32)连接；

所述的模块化控制棒驱动装置包括：括编码器(1)；驱动电机(2)；滚珠丝杠(3)；外壳(4)；螺母(5)；螺母套筒(6)；电磁离合器(7)；控制棒组件抓手(8)；滚动滑轨(9)；滚轮滑块(10)；控制棒组件(11)；控制棒组件尾勾(12)；缓冲机构(13)；尾壳(14)；转向滑轮I(15)；转向滑轮II(16)；牵引钢丝(17)；外壳盖板(18)；转向滑轮III(19)；其特征在于：由带有编码器(1)的驱动电机(2)连接滚珠丝杠(3)，并通过螺母(5)与螺母套筒(6)相连；电磁离合器(7)的一端固定在螺母套筒(6)上，另一端连接控制棒组件抓手(8)；控制棒组件抓手(8)连接控制棒组件(11)，并与装有滚轮滑块(10)的控制棒组件(11)放置在滚动滑轨(9)上；控制棒组件(11)通过控制棒组件尾勾(12)连接牵引钢丝(17)；牵引钢丝(17)通过转向滑轮I(15)、转向滑轮II(16)与转向滑轮III(19)引出模块化控制棒驱动装置；模块化特征在于：以上部件均装配在由带缓冲机构(13)的外壳(4)，外壳盖板(18)和尾壳(14)组成的封闭空间内。

2.根据权利要求1所述的控制棒驱动系统，其特征在于：连接牵引配重(35)的牵引钢丝(17)通过装有支撑滑轮I(33)与支撑滑II(34)的固定支架(20)，进入模块化控制棒驱动装置(32)；在模块化控制棒驱动装置(32)内，通过转向滑轮I(15)，转向滑轮II(16)与转向滑轮III(19)连接控制棒组件尾勾(12)，并利用电磁离合器(7)连接控制棒组件(11)与模块化控制棒驱动机构(32)；这种控制棒驱动系统结构实现了卧式堆芯结构反应堆的非能动停堆功能。

3.控制棒组件驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

移动步骤：电磁离合器(7)通电，抓紧控制棒组件抓手(8)，驱动电机通过滚珠丝杠(3)-螺母(5)传动系统，驱动螺母套筒(6)往复运动，使控制棒组件(11)运动至预定位置；

快速落棒步骤：电磁离合器(7)断电，控制棒组件抓手(8)与螺母套筒(6)分离，在牵引钢丝(17)的牵引力作用下与控制棒组件(11)一起快速插入堆芯；

控制棒组件(11)提升步骤：螺母套筒(6)在滚珠丝杠(3)的驱动下运行至行程最远端，电磁离合器(7)通电，抓紧控制棒组件抓手(8)，驱动电机(2)驱动滚珠丝杠(3)运动将控制棒组件(11)提升；

换料步骤：断开牵引钢丝(17)与牵引配重(35)的连接，将模块化控制棒驱动装置(32)移出堆芯，打开外壳盖板(18)，移除需要更换的控制棒组件(11)，安装新的控制棒组件(11)，安装外壳盖板(18)，牵引钢丝(17)连接牵引配重(35)。