CN104376883A - 一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，包括安装在地面的轨道，在轨道上安装有一个能沿轨道自由移动的小车，还包括位于轨道一端的触发装置、以及与小车对应的格架安装座。本发明采用了触发装置作为小车的动力来源，可以控制其撞击力和撞击速度，从而实现线性的动能获取源，提高动能获得的精度，提高实验的精度，小车在工作状态呈匀速直线运动，且碰撞力与弹簧压缩量及小车运动速度成正比，因而轨道可以设计得很短以减少磨擦力的影响，所有运动部件和作用力均在同一轴线上，因而加工和安装简单，误差因素少，便于控制，弹簧在任何情况下都处于线弹性工作范围。

Description

一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置

技术领域

本发明涉及反应堆燃料组件定位格架堆外试验装置，具体是一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置。

背景技术

核电站反应堆燃料组件是由燃料棒、上管座部件、下管座部件、端部格架、搅混格架部件、导向管部件、通量测量管等构成，燃料组件上有多层定位格架，定位格架焊接在导向管上，通过内部的弹簧将燃料棒固定，形成燃料组件。燃料组件是核反应堆的关键部件。国内外有关核反应堆的设计规范或设计手册中都明确规定，燃料组件的设计必须进行有关地震、冲击、LOCA、振动等工况下的动力分析，以确保核反应堆堆芯在任何工况下的结构完整性（燃料组件不破坏）、可冷却性（冷却剂流道不堵塞、燃料棒不相互接触）和可控性（控制棒可安全插入）。为了进行这些分析，首先必须通过试验得到格架的动力学特性参数－动刚度和临界载荷，以作为动力分析的输入参数和安全评定指标。

定位格架的整体刚度与整个燃料组件的结构完整性和功能可靠性密切相关；另一方面，定位格架的刚度又是燃料组件各种力学分析的基本参数。格架刚度试验对于发现格架的破坏模式，找出定位格架结构的薄弱环节，是非常必要的。定位格架临界失稳载荷是表示格架在受到外力作用失效时的最小作用力，是标志组件保持完整性的重要参数。由于格架在制造过程中的公差和缺陷，按传统的稳定性理论和有限元计算，对象格架这样复杂结构的临界失稳载荷计算，误差是相当大的。

由于定位格架本身的结构特点—薄壁、复杂、细密的栅格结构，并插有近四百根燃料棒和导向管，测试格架动刚度和临界荷载等结构动力特性的试验技术难度较大。国内外进行格架的碰撞试验时，通常采用摆锤式试验装置，将定位格架一边固定在刚性基础上，用摆锤去撞击格架，摆锤的质量为一跨燃料组件的质量，摆锤与格架接触前的速度为试验的主要输入参数，这种测量的误差很大。

发明内容

本发明的目的在于提供应用于一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，解决目前没有设备可以用于燃料组件定位格架勾挂试验研究的问题，实现两个格架之间的勾挂试验。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，包括安装在地面的轨道，在轨道上安装有一个能沿轨道自由移动的小车，还包括位于轨道一端的触发装置、以及与小车对应的格架安装座。申请人经过长期的研究发现了目前的摆锤式试验装置存在误差的原因：由于摆锤沿圆周运动，格架在受到碰撞时，除了正向作用力外，还受到侧向力的作用，造成试验误差，以后又对该方法进行了改进，采用摆锤撞击小车，小车碰撞格架的方式进行，从而使格架受力的状态有了改善，但由于摆锤的速度与初始高度呈现非线性，小车又是通过与摆锤碰撞获得速度，故对碰撞速度的控制精度较低；同时格架撞击试验都是只测撞击质量块的速度、格架残余变形，再以当量换算的办法来确定格架的动刚度和临界载荷，有的也把碰撞动力学参数当做振动质量力来处理，基于此发现，申请人对现有的装置进行了改进，采用了触发装置作为小车的动力来源，可以控制其撞击力和撞击速度，从而实现线性的动能获取源，提高动能获得的精度，提高实验的精度，小车在工作状态呈匀速直线运动，且碰撞力与弹簧压缩量及小车运动速度成正比，因而轨道可以设计得很短以减少磨擦力的影响，所有运动部件和作用力均在同一轴线上，因而加工和安装简单，误差因素少，便于控制，弹簧在任何情况下都处于线弹性工作范围。

所述的触发装置包括平行安装的加载释放前支架、加载释放后支架、以及同时穿过加载释放前支架、加载释放后支架的外套管，在外套管内套装有内套管，在穿过加载释放前支架的内套管上设置有一个簧板，在簧板与加载释放前支架之间的内套管上套装有弹簧，在内套管内部设置有一个加载螺杆。加载释放前支架、加载释放后支架平行地安装在地面上，加载释放前支架、加载释放后支架作为触发装置的支撑结构，在加载释放前支架、加载释放后支架之间安装的外套管作为活动的通道，在该套管内安装有一个内套管，内套管可以沿外套管的轴线左右移动，内套管延伸出外套管的位置上设置有一个簧板，簧板的直径大于外套管的内径，在簧板和加载释放前支架之间的内套管外侧套装一个弹簧，在内套管内部设置有一个加载螺杆，通过改变加载螺杆的水平位置，可以带动簧板在水平方向改变位置，从而改变弹簧的形变量，在释放加载螺杆后，弹簧恢复形变就可以获得动能从而撞击小车，小车获得的动力可以通过加载螺杆来控制，小车获得的动力与弹簧的形变量之间呈高度的线性关系，因此，动力获得较为精确，大大提高了测试的精度。

在所述的加载释放后支架上设置有一个可以左右移动的加载套筒，在加载套筒上固定一个伞齿轮，在加载释放后支架上还设置有通过手轮带动的活动齿轮，活动齿轮与伞齿轮啮合，加载螺杆延伸到加载套筒内部，在加载套筒上设置有一个插拔销，在插拔销上设置有释放杆，在加载螺杆上设置有一个与插拔销相匹配的定位孔。加载套筒可以左右移动，将插拔销插入载螺杆上的定位孔，使得加载螺杆与加载套筒成为一体，通过在加载套筒外设置一个伞齿轮，手轮带动活动齿轮，活动齿轮带动伞齿轮转动，从而将加载套筒在水平方向的移动，带动加载螺杆向远离加载释放后支架，将弹簧进行压缩，通过释放杆将插拔销从定位孔抽出，在弹簧弹力的作用下，加载螺杆迅速向加载释放前支架移动，簧板、止回头迅速撞击到小车上，完成撞击，小车获得动力。

在所述的簧板轴线上还安装有止回头。加载机构给小车提供初始速度，试验小车初始运动速度由压缩弹簧获得弹性势能，释放后转换为小车的动能，小车与格架撞击后反弹，与加载机构撞击后改变方向，可能与格架再次碰撞，形成二次撞击，影响试验的结果，为了防止二次撞击，在小车尾部和弹簧中心拉杆设计有止回头，小车与格架撞击反弹后，小车与弹簧中心拉杆接触，并将两者锁上，从而终止小车的运动。

所述的小车包括小车本体，小车本体上安装有沿轨道移动的车轮，在小车本体上设置有与触发装置相匹配的导向筒、以及止回销，在小车本体上还通过撞击力传感器安装有与格架安装座相对的撞击板，在小车本体上还设置有位移传感器。在小车本体上安装配重块，可以模拟出不同重量的定位格架，小车在弹簧的弹力撞击下，可以获得动能，从而实现测量。

在所述格架安装座设置有一个与定位格架相匹配的加热壳体，加热壳体通过转轴连接在格架安装座上，在加热壳体内安装有多个电加热管，在电加热管与加热壳体之间安装有保温层。为了完成定位格架315°C下的碰撞试验，本发明增加了加热装置，加热壳体设置在格架安装座上，活动式加热装置有两组加热器，分两面对格架加热，将格架上的温度测点作为温度控制点；加热器上部有转轴，可以围绕格架安装板上部的转轴旋转，在试验准备阶段，加热装置处于关闭的状态，当温度到达315°C以后，断开加热电源，转动加热装置，使之处于开启状态，释放小车，完成撞击，通过格架上温度测点记录在撞击时的实际温度，确保格架的温度保持在额定范围内。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，小车在工作状态呈匀速直线运动，且碰撞力与弹簧压缩量及小车运动速度成正比，因而轨道可以设计得很短以减少磨擦力的影响，所有运动部件和作用力均在同一轴线上，因而加工和安装简单，误差因素少，便于控制，弹簧在任何情况下都处于线弹性工作范围；

2本发明一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，簧板的直径大于外套管的内径，在簧板和加载释放前支架之间的内套管外侧套装一个弹簧，在内套管内部设置有一个加载螺杆，通过改变加载螺杆的水平位置，可以带动簧板在水平方向改变位置，从而改变弹簧的形变量，在释放加载螺杆后，弹簧恢复形变就可以获得动能从而撞击小车，小车获得的动力可以通过加载螺杆来控制，小车获得的动力与弹簧的形变量之间呈高度的线性关系，因此，动力获得较为精确，大大提高了测试的精度；

3本发明一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，在小车尾部和弹簧中心拉杆设计有止回头，小车与格架撞击反弹后，小车与弹簧中心拉杆接触，并将两者锁上，从而终止小车的运动。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明触发装置的结构示意图；

图3为本发明小车的主视图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明加热装置的主视图；

图6为图5的左视图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1—轨道，2—格架安装座，3—加载释放前支架，4—加载释放后支架，5—外套管，6—内套管，7—簧板，8—弹簧，9—加载螺杆，10—加载套筒，11—伞齿轮，12—插拔销，13—释放杆，14—手轮，15—活动齿轮，16—止回头，17—小车本体，18—车轮，19—导向筒，20—止回销，21—撞击板，22—撞击力传感器，23—位移传感器，24—转轴，25—加热壳体，26—电加热管，27—保温层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示的原理图，本发明一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，包括安装在地面的一个底板，底板为整个装置提供一个基准平面，在底板上设置有一组轨道1，轨道1呈水平状态，在轨道的左侧安装触发装置，在轨道的右侧设置一个格架安装座2，在轨道1上安装小车，小车能够沿轨道做自由的往返移动，触发装置为小车提供动力，小车获得动能后撞击在网格架上，网格架固定在格架安装座2上。

如图2所示，该图是本发明中触发装置的具体结构，包括加载释放前支架3、加载释放后支架4、以及同时穿过加载释放前支架3、加载释放后支架4的外套管5，在外套管5内套装有内套管6，在穿过加载释放前支架3的内套管6上设置有一个簧板7，在穿过簧板7的中心拉杆山给设置有一个止回头16，止回头16为一个锥形体，可以将小车固定，在簧板7与加载释放前支架3之间的内套管6上套装有弹簧8，在内套管6内部设置有一个加载螺杆9，在加载释放后支架4上设置有一个可以左右移动的加载套筒10，在加载套筒10上固定一个伞齿轮11，在加载释放后支架4上还设置有通过手轮14带动的活动齿轮15，活动齿轮15与伞齿轮11啮合，加载螺杆9延伸到加载套筒10内部，在加载套筒10上设置有一个插拔销12，在插拔销12上设置有释放杆13，在加载螺杆9上设置有一个与插拔销12相匹配的定位孔，在的簧板轴线上还安装有止回头。

如图3至图4所示，该图是本发明小车的结构示意图，包括小车本体17，小车本体17上安装有沿轨道1移动的车轮18，在小车本体17上设置有与触发装置相匹配的导向筒19、以及止回销20，在小车本体上17还通过撞击力传感器22安装有与格架安装座2相对的撞击板21，在小车本体17上设置有位移传感器23，还配置有不同重量的砝码配重块，通过安装不同数量、重量的砝码配重块可以将小车本体17的重量进行改变。

如图5至图6所示，该图是本发明加热装置的结构示意图，包括加热壳体25，加热壳体25通过转轴24连接在格架安装座2上，在加热壳体25内安装有多个电加热管26，在电加热管26与加热壳体25之间安装有保温层27，在试验准备阶段，加热装置处于关闭的状态，当温度到达315°C以后，断开加热电源，转动加热装置，使之处于开启状态，释放小车，完成撞击，通过格架上温度测点记录在撞击时的实际温度，确保格架的温度保持在额定范围内。

本发明一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，其试验方法如下：（1）试验格架安装在格架安装座2上；

（2）将簧板7和模拟格架的小车紧密接触，调整位移传感器23的初始位置，使之达到输出为零；将撞击力传感器22连接到动态应变仪上，在撞击力传感器22不受力的情况下进行调零平衡，并通过数据采集系统对初始状态进行采集记录，并将格架、传感器灵敏系数记录到相应表格；

（3）小车的撞击速度从低速开始，通过弹簧压缩量-小车速度曲线，设定弹簧8的压缩量，压缩弹簧8，将试验条件记录在相应表格上；数采系统开始采集，释放小车；完成撞击后，读取撞击参数，将撞击力、格架端部变形、恢复系数绘制成以小车入射速度为X轴的曲线图；

（4）以一定的速度作为增量，到接近临界速度时，以较小的增量增加，每完成一次撞击，按第（3）步的要求绘图，在小车入射速度-碰撞力曲线上以碰撞力下降作为失稳的判断标准，直至格架出现失稳，如果格架在预定的小车入射速度内没有失稳，更换钢丝直径更大的弹簧；

（5）高温试验时，首先将格架安装在格架安装座2上，将加热壳体25关闭，通电进行加热，当试件温度到达预定值后，压缩弹簧到预定压缩量，关闭加热器26的电源，开启活动式加热炉，释放小车，完成撞击，同时记录撞击时刻格架的温度，整个加热炉开启到撞击过程应控制在5s～8s的时间内；撞击完成后，关闭加热炉25，待格架与加热炉达到热平衡以后，开启加热炉温度控制器，重新对试件加热，准备下次撞击。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，包括安装在地面的轨道（1），其特征在于：在轨道（1）上安装有一个能沿轨道自由移动的小车，还包括位于轨道一端的触发装置、以及与小车对应的格架安装座（2）。

2.根据权利要求1所述的一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，其特征在于：所述的触发装置包括平行安装的加载释放前支架（3）、加载释放后支架（4）、以及同时穿过加载释放前支架（3）、加载释放后支架（4）的外套管（5），在外套管（5）内套装有内套管（6），在穿过加载释放前支架（3）的内套管（6）上设置有一个簧板（7），在簧板（7）与加载释放前支架（3）之间的内套管（6）上套装有弹簧（8），在内套管（6）内部设置有一个加载螺杆（9）。

3.根据权利要求2所述的一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，其特征在于：在所述的加载释放后支架（4）上设置有一个可以左右移动的加载套筒（10），在加载套筒（10）上固定一个伞齿轮（11），在加载释放后支架（4）上还设置有通过手轮（14）带动的活动齿轮（15），活动齿轮（15）与伞齿轮（11）啮合，加载螺杆（9）延伸到加载套筒（10）内部，在加载套筒（10）上设置有一个插拔销（12），在插拔销（12）上设置有释放杆（13），在加载螺杆（9）上设置有一个与插拔销（12）相匹配的定位孔。

4.根据权利要求2所述的一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，其特征在于：在所述的簧板（7）轴线上还安装有止回头（16）。

5.根据权利要求1所述的一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，其特征在于：所述的小车包括小车本体（17），小车本体（17）上安装有沿轨道（1）移动的车轮（18），在小车本体（17）上设置有与触发装置相匹配的导向筒（19）、以及止回销（20），在小车本体（17）上还通过撞击力传感器（22）安装有与格架安装座（2）相对的撞击板（21），在小车本体（17）上还设置有位移传感器（23）。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种反应堆燃料组件定位格架动态刚度的试验装置，其特征在于：在所述格架安装座（2）设置有一个与定位格架相匹配的加热壳体（25），加热壳体（25）通过转轴（24）连接在格架安装座（2）上，在加热壳体（25）内安装有多个电加热管（26），在电加热管（26）与加热壳体（25）之间安装有保温层（27）。