磁力提升型控制棒驱动机构提升动作过程动力学分析 磁力提升型控制棒驱动机构提升动作过程动力学分析
邓 强，陈西南，刘 佳，杨 博，杨晓晨，于天达
(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)
摘要：磁力提升型控制棒驱动机构的动力学特性直接影响其工作性能。为获得完整准确的动力学分析结果，针对驱动机构提升驱动杆组件的动作过程，建立电磁和水阻力计算模型，采用MATLAB编制相应的S函数，在LMS Virtual.lab Motion中建立虚拟样机模型，通过MATLAB与LMS的联合仿真，实现动力学参数的交换，完成驱动机构提升动作过程的动力学分析。仿真分析得到的提升衔铁动作时间与驱动机构样机的试验数据接近。
关键词：核反应堆；控制棒驱动机构；钩爪组件；提升动作过程；动力学分析
福清5,6号机组等项目采用第三代核反应堆技术——“华龙一号”，其反应堆控制棒驱动机构使用的是中国核动力研究设计院自主研发设计的步进式磁力提升型控制棒驱动机构(control rod drive mechanism，CRDM)。磁力提升型控制棒驱动机构的基本工作原理是：提升线圈、移动线圈、保持线圈按照一定时序通电，使提升衔铁、移动衔铁、保持衔铁移动并带动钩爪动作，从而提升或下插驱动杆组件。驱动机构的动力学特性对控制棒驱动机构能否正常提升、下插控制棒组件有直接的影响。
驱动机构钩爪组件在动作过程中受到电磁力、水的阻力、摩擦阻力、弹簧力等多种因素的作用，这些力的大小与提升衔铁的位移、速度和加速度有关。由于钩爪组件动作过程中各种动力学参数相互影响，使得动力学分析较为复杂，在以往进行驱动机构提升能力分析计算时，一般仅对钩爪组件动作的始末两个状态分别进行电磁学分析[1]，再根据电磁力的大小判断驱动机构是否能够提升控制棒组件，但该方法不能获得完整的钩爪组件动作过程的动力学参数。本文采用MATLAB与LMS联合仿真的方法，对驱动机构提升控制棒组件的动作过程进行动力学分析，并与试验获得的电流、振动噪声波形进行比较、验证。
1 结构和原理
步进式磁力提升型控制棒驱动机构提升功能机电结构图如图1所示。密封壳为反应堆一回路压力边界，密封壳外部安装有线圈、磁轭、导磁环，内部安装有钩爪组件，其主要由提升磁极、提升衔铁、套管轴、移动衔铁、钩爪等零件组成，在钩爪组件套管轴的内部还安装有具有环形齿槽的驱动杆。
步进式磁力提升型控制棒驱动机构提升控制棒组件时其中一个重要的时序动作是：在移动线圈通电状态下，移动衔铁与提升衔铁表面的隔磁片接触，钩爪卡入驱动杆的环形槽中，此时再对提升线圈通电，提升衔铁在电磁力的作用下，克服弹簧力、水阻力、摩擦力、重力等的作用，带动移动衔铁、钩爪及驱动杆一起向上移动一个步距。
在线圈通电时，随着提升衔铁位置的不同，电磁力会随着电流、提升磁极与提升衔铁气隙的变化而变化，提升衔铁和提升磁极之间弹簧的作用力会随着二者之间的相对位移的变化而变化，水阻力会随着衔铁移动速度、加速度的变化而变化，摩擦阻力也会随着提升衔铁运动速度的变化而变化。因此,提升衔铁的加速度不是恒定不变的。若要准确获得提升动作过程中的动力学特性，需不断地迭代计算提升衔铁在不同时刻、不同位置所受的电磁力、水阻力、弹簧力、摩擦力等参数，并进行动力学分析。
1—导磁环；2—提升线圈；3—驱动杆；4—套管轴；5—密封壳；6—移动线圈；7—钩爪；8—移动衔铁；9—磁轭；10—提升衔铁；11—提升磁极
图1 驱动机构提升功能机电结构图
2 电磁计算模型
由于控制棒驱动机构提升功能的电磁结构关于中心轴对称，因此进行分析计算时可将提升功能的电磁结构简化为如图2所示的2D模型。提升线圈通电时产生的磁通，一部分沿密封壳轴向穿过形成漏磁，另一部分通过提升磁极、提升衔铁形成回路，产生电磁力使提升衔铁移动。提升动作磁路如图2 (a)所示，进行磁势计算的简化磁路如图2(b)所示。
1,2,17—磁轭磁路；3,6,10,13,16—气隙磁路；4,15—导磁环磁路；5,9,14—密封壳磁路；7,8—提升磁极磁路；11,12—提升衔铁磁路
图2 提升动作磁路计算图
根据图2(b)简化磁路图和磁路定律[2]，有：
(1)
式中：φ1～φ17为磁路中各处的磁通量。
根据磁感应强度的定义：
φi=BiSi (i=1,2,…,17)
(2)
式中：φi为各处的磁通量；Bi为磁通密度；Si为磁通面积。
磁轭磁路、导磁环磁路、密封壳磁路、提升磁极磁路和提升衔铁磁路，根据零件不同材料的磁化曲线，由磁通密度B查出对应的磁场强度H，然后求出磁压降U：
(3)
(i=1,2,4,5,7,8,9,11,12,14,15,17)
式中：Hi为各处的磁场强度； Ui为磁压降；li为磁路长度。
对于气隙磁路，由于介质为空气，有：
(4)
式中：Ri为各处的磁阻；μ为气隙的磁导率。
线圈产生的磁势与任一完整磁路中各处的磁压降之和相等，并且并联回路的两个支路磁势相等：
(5)
式中：N为线圈匝数；I为电流。
提升衔铁受到的力是提升磁极与提升衔铁气隙磁路所产生的电磁力，因此有：
(6)
式中：T10为提升衔铁受到的电磁力；B10为磁通密度；S10为磁通面积。
由式(1)～式(6)可以求出提升衔铁在某一位移l10以及线圈电流为I时提升衔铁受到的电磁力T10。
3 水阻力计算模型
控制棒驱动机构钩爪组件提升驱动杆时，水的阻力主要包括两部分：一部分是钩爪组件提升时直接受到的水阻力，另一部分是驱动杆组件和其带动的控制棒组件移动时受到的水阻力，两部分水阻力最终均会传递到移动衔铁上。二者计算方法类似，在此首先分析钩爪组件提升衔铁移动时直接受到的水阻力。
提升衔铁向上移动时，它与提升磁极间的水隙减小，挤出的水一部分沿提升衔铁、移动衔铁等零件与密封壳之间的间隙流动，另一部分沿提升磁极与密封壳之间的间隙、提升磁极的径向孔、驱动杆与套管轴之间的间隙流动，建立的水阻力计算简化模型如图3所示。图中两个回路的压降相等，因此有：
(7)
式中：P1i和P2i分别为两个回路各处的压降。
1—密封壳等零件组成的固定件；2—提升衔铁等零件组成的活动件；3—提升磁极等零件组成的固定件；4—驱动杆等零件组成的固定件
图3 水阻计算简化模型
压降主要有摩擦压降、惯性压降和局部压降，由下式计算：
(8)
式中：Pfij为摩擦压降和惯性压降；cnij和cwij分别为内壁和外壁的阻力系数，可根据Colebrook公式计算[3]得到；ρ为水的密度；vnij和vwij分别为内壁和外壁与水的相对速度；Qnij和Qwij分别为内壁和外壁的湿周；Lij为内壁和外壁的长度；Pyij为局部压降；aij为水的加速度；ζ为局部阻力系数，可以通过不同形状截面变化查阅相关手册分别求出；vij为水的流速。
两个回路流量之和与提升衔铁挤水的流量相等，且两个回路各处水的流量相等：
(9)
式中：vt为提升衔铁的速度；St为提升衔铁的截面积； Sij为流道的截面积。
式(9)对时间求导，可以获得各处水流的加速度其也有与式(9)相同的关系式，即采用加速度替代式(9)中对应的速度。
提升衔铁受到的水阻力为活动件两端水的压差产生的压力：
Ftsz=(P21+P22+P23)St
(10)
驱动杆组件和其带动的控制棒组件移动时受到的水阻力Fqsz可以将模型简化后由式(8)类似地计算得到。提升衔铁动作时受到的总水阻为：
Fsz=Ftsz+Fqsz
(11)
由式(7)～式(11)可以求出在某一运动速度vt和加速度at下提升衔铁受到的水阻力Fsz。
4 多体动力学模型
除电磁力、水阻力外的其他力均由建立的多体动力学模型分析计算，如重力、摩擦力等。多体动力学模型可以在多种动力学分析软件中创建，例如ADAMS、LMS。本文在LMS Virtual.lab Motion中创建驱动机构提升时的多体动力学模型。
LMS Virtual.lab Motion能够高效、精确地对复杂机械系统进行多体动力学分析[4]，为简化虚拟样机模型，在LMS Virtual.lab Motion中建模时只包括提升磁极、提升衔铁、钩爪、移动衔铁、驱动杆等相关零件。
使用三维建模软件如Inventor、UG建立控制棒驱动机构提升动作虚拟样机模型所需零件的三维模型，装配完成后将其导入到LMS Virtual.lab Motion当中，如图4所示。根据驱动机构钩爪组件各零件的实际约束情况，对虚拟样机各零件创建相应的约束；提升衔铁和提升磁极最终会发生碰撞，因此二者之间需创建碰撞约束(contact forces)；在提升衔铁和提升磁极内部还需创建弹簧(TSDA)。在提升衔铁上通过三点力(three point force)创建驱动力(force)，驱动提升衔铁运动；创建传感器(sensor)测量提升衔铁的位移、速度以及加速度。由于钩爪组件及驱动杆浸入在水中，因此将重力加速度的值设为8.8m/s2。
图4 虚拟样机模型
为在MATLAB中建立驱动机构提升时的动力学仿真系统，需要将LMS Virtual.lab Motion虚拟样机模型中作用在提升衔铁的驱动力(force)通过output功能接收；测量获得的提升衔铁的位移、速度以及加速度通过input功能传出，并生成与MATLAB Simulink的接口“plantout”。
多体动力学模型可以求出在电磁力和水阻力的共同作用下，提升衔铁下一时刻的位移l10、速度vt和加速度at。
5 动力学仿真
在MATLAB的Simulink中，导入LMS建立的虚拟样机模型接口“plantout”，根据控制棒驱动机构提升动作的电磁力计算模型和水阻力计算模型编制相应的S函数[5]，并将S函数和“plantout”的各输入输出参数连接，利用Scope模块记录提升衔铁动作过程中的动力学参数。
运行程序分析驱动机构冷态时提升动作的动力学特性，结果如图5所示。通过仿真结果可以看出，当提升线圈通电约40ms后提升衔铁开始动作，当通电118ms后，提升衔铁与提升磁极上的隔磁片发生碰撞，碰撞时提升衔铁的速度约为0.6m/s，此时受到水的阻力最大，约为1 200N，在碰撞后提升衔铁受到的电磁力最大，约为5 660N。
该型驱动机构已制造了物理样机，并进行了冷态性能试验，实际测得驱动机构提升驱动杆组件时的电流和振动信号波形如图6所示，图中每小格的时间为50ms。通过波形可以测量得到提升线圈开始通电到提升衔铁碰撞产生振动信号之间的时间间隔为125ms，提升衔铁动作时间的实测值与动力学仿真结果误差不足6%，在工程应用允许的误差范围内，说明本文所建立的计算模型和采用的动力学分析方法是合理的。仿真与实际结果的误差主要来源于电磁计算模型、水阻力计算模型的简化。
图5 动力学仿真结果
图6 试验获得的提升衔铁动作波形
6 结束语
本文建立了控制棒驱动机构钩爪组件提升驱动杆组件动作过程的电磁计算模型、水阻力计算模型、虚拟样机模型，通过MATLAB与LMS的联合仿真，获得提升衔铁完整的动力学参数，为相关零部件强度校核、显示动力学分析、疲劳分析、控制电源设计等提供了输入参数。
本文采用的动力学仿真方法，解决了驱动机构动作过程中复杂的机、电、液耦合问题，可应用于其他类型驱动机构的设计以及其他类似机电设备的研发。
参考文献：
[1] 王赤虎，姚伟达，谢永诚，等.控制棒驱动机构电磁场分析[J].噪声与振动控制, 2009, 29(6): 80-84.
[2] 胡友秋. 电磁学与电动力学[M].北京:科学出版社,2008.
[3] 林建忠.流体力学[M].北京:清华大学出版社,2013.
[4] 时封.LMS Virtual.LabMotion新一代多体动力学软件[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2008(12):52-56.
[5] 杨志丹.某型飞机纵向运动MATLAB建模及仿真研究[J].机械设计与制造工程,2015,44(8):1-4.
Dynamic analysis of the lifting process for the magnetic lifting CRDM
DENG Qiang, CHEN Xinan, LIU Jia, YANG Bo, YANG Xiaochen, YU Tianda
(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China, Sichuan Chengdu, 610041, China)
Abstract：The dynamic characteristics of magnetic lifting control rod drive mechanism(CRDM) is directly related to its working performance. In the action process of CRDM latch assembly, electromagnetic force, water resistance force and spring force are changed with coil current and armature displacement, velocity, acceleration etc. Therefore the dynamic analysis is relatively complicated. It analyzes the action process for CRDM lifts control rod assembly and obtains relatively complete and accurate dynamics result, establishes electromagnetic calculation model and water resistance calculation model. Using the corresponding S function in MATLAB, it builds the virtual prototype model in LMS Virtual.lab, realizes the exchange of kinetic parameters based on co-simulation of LMS and MATLAB. The simulation result shows that the action time of lift armature is close to the test result.
Key words：nuclear reactor;control rod drive mechanism;latch assembly;lifting process;dynamic analysis
收稿日期：2016-08-23
作者简介：邓强(1987—)，男，四川资阳人，中国核动力研究设计院工程师，硕士，主要从事核反应堆控制棒驱动机构的设计工作。
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.04.026
中图分类号：TH122；TL351
文献标识码：A
文章编号：2095-509X(2017)04-0106-05
磁力提升型控制棒驱动机构提升动作过程动力学分析 磁力提升型控制棒驱动机构提升动作过程动力学分析
邓 强，陈西南，刘 佳，杨 博，杨晓晨，于天达
(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)
摘要：磁力提升型控制棒驱动机构的动力学特性直接影响其工作性能。为获得完整准确的动力学分析结果，针对驱动机构提升驱动杆组件的动作过程，建立电磁和水阻力计算模型，采用MATLAB编制相应的S函数，在LMS Virtual.lab Motion中建立虚拟样机模型，通过MATLAB与LMS的联合仿真，实现动力学参数的交换，完成驱动机构提升动作过程的动力学分析。仿真分析得到的提升衔铁动作时间与驱动机构样机的试验数据接近。
关键词：核反应堆；控制棒驱动机构；钩爪组件；提升动作过程；动力学分析
福清5,6号机组等项目采用第三代核反应堆技术——“华龙一号”，其反应堆控制棒驱动机构使用的是中国核动力研究设计院自主研发设计的步进式磁力提升型控制棒驱动机构(control rod drive mechanism，CRDM)。磁力提升型控制棒驱动机构的基本工作原理是：提升线圈、移动线圈、保持线圈按照一定时序通电，使提升衔铁、移动衔铁、保持衔铁移动并带动钩爪动作，从而提升或下插驱动杆组件。驱动机构的动力学特性对控制棒驱动机构能否正常提升、下插控制棒组件有直接的影响。
驱动机构钩爪组件在动作过程中受到电磁力、水的阻力、摩擦阻力、弹簧力等多种因素的作用，这些力的大小与提升衔铁的位移、速度和加速度有关。由于钩爪组件动作过程中各种动力学参数相互影响，使得动力学分析较为复杂，在以往进行驱动机构提升能力分析计算时，一般仅对钩爪组件动作的始末两个状态分别进行电磁学分析[1]，再根据电磁力的大小判断驱动机构是否能够提升控制棒组件，但该方法不能获得完整的钩爪组件动作过程的动力学参数。本文采用MATLAB与LMS联合仿真的方法，对驱动机构提升控制棒组件的动作过程进行动力学分析，并与试验获得的电流、振动噪声波形进行比较、验证。
1 结构和原理
步进式磁力提升型控制棒驱动机构提升功能机电结构图如图1所示。密封壳为反应堆一回路压力边界，密封壳外部安装有线圈、磁轭、导磁环，内部安装有钩爪组件，其主要由提升磁极、提升衔铁、套管轴、移动衔铁、钩爪等零件组成，在钩爪组件套管轴的内部还安装有具有环形齿槽的驱动杆。
步进式磁力提升型控制棒驱动机构提升控制棒组件时其中一个重要的时序动作是：在移动线圈通电状态下，移动衔铁与提升衔铁表面的隔磁片接触，钩爪卡入驱动杆的环形槽中，此时再对提升线圈通电，提升衔铁在电磁力的作用下，克服弹簧力、水阻力、摩擦力、重力等的作用，带动移动衔铁、钩爪及驱动杆一起向上移动一个步距。
在线圈通电时，随着提升衔铁位置的不同，电磁力会随着电流、提升磁极与提升衔铁气隙的变化而变化，提升衔铁和提升磁极之间弹簧的作用力会随着二者之间的相对位移的变化而变化，水阻力会随着衔铁移动速度、加速度的变化而变化，摩擦阻力也会随着提升衔铁运动速度的变化而变化。因此,提升衔铁的加速度不是恒定不变的。若要准确获得提升动作过程中的动力学特性，需不断地迭代计算提升衔铁在不同时刻、不同位置所受的电磁力、水阻力、弹簧力、摩擦力等参数，并进行动力学分析。
1—导磁环；2—提升线圈；3—驱动杆；4—套管轴；5—密封壳；6—移动线圈；7—钩爪；8—移动衔铁；9—磁轭；10—提升衔铁；11—提升磁极
图1 驱动机构提升功能机电结构图
2 电磁计算模型
由于控制棒驱动机构提升功能的电磁结构关于中心轴对称，因此进行分析计算时可将提升功能的电磁结构简化为如图2所示的2D模型。提升线圈通电时产生的磁通，一部分沿密封壳轴向穿过形成漏磁，另一部分通过提升磁极、提升衔铁形成回路，产生电磁力使提升衔铁移动。提升动作磁路如图2 (a)所示，进行磁势计算的简化磁路如图2(b)所示。
1,2,17—磁轭磁路；3,6,10,13,16—气隙磁路；4,15—导磁环磁路；5,9,14—密封壳磁路；7,8—提升磁极磁路；11,12—提升衔铁磁路
图2 提升动作磁路计算图
根据图2(b)简化磁路图和磁路定律[2]，有：
(1)
式中：φ1～φ17为磁路中各处的磁通量。
根据磁感应强度的定义：
φi=BiSi (i=1,2,…,17)
(2)
式中：φi为各处的磁通量；Bi为磁通密度；Si为磁通面积。
磁轭磁路、导磁环磁路、密封壳磁路、提升磁极磁路和提升衔铁磁路，根据零件不同材料的磁化曲线，由磁通密度B查出对应的磁场强度H，然后求出磁压降U：
(3)
(i=1,2,4,5,7,8,9,11,12,14,15,17)
式中：Hi为各处的磁场强度； Ui为磁压降；li为磁路长度。
对于气隙磁路，由于介质为空气，有：
(4)
式中：Ri为各处的磁阻；μ为气隙的磁导率。
线圈产生的磁势与任一完整磁路中各处的磁压降之和相等，并且并联回路的两个支路磁势相等：
(5)
式中：N为线圈匝数；I为电流。
提升衔铁受到的力是提升磁极与提升衔铁气隙磁路所产生的电磁力，因此有：
(6)
式中：T10为提升衔铁受到的电磁力；B10为磁通密度；S10为磁通面积。
由式(1)～式(6)可以求出提升衔铁在某一位移l10以及线圈电流为I时提升衔铁受到的电磁力T10。
3 水阻力计算模型
控制棒驱动机构钩爪组件提升驱动杆时，水的阻力主要包括两部分：一部分是钩爪组件提升时直接受到的水阻力，另一部分是驱动杆组件和其带动的控制棒组件移动时受到的水阻力，两部分水阻力最终均会传递到移动衔铁上。二者计算方法类似，在此首先分析钩爪组件提升衔铁移动时直接受到的水阻力。
提升衔铁向上移动时，它与提升磁极间的水隙减小，挤出的水一部分沿提升衔铁、移动衔铁等零件与密封壳之间的间隙流动，另一部分沿提升磁极与密封壳之间的间隙、提升磁极的径向孔、驱动杆与套管轴之间的间隙流动，建立的水阻力计算简化模型如图3所示。图中两个回路的压降相等，因此有：
(7)
式中：P1i和P2i分别为两个回路各处的压降。
1—密封壳等零件组成的固定件；2—提升衔铁等零件组成的活动件；3—提升磁极等零件组成的固定件；4—驱动杆等零件组成的固定件
图3 水阻计算简化模型
压降主要有摩擦压降、惯性压降和局部压降，由下式计算：
(8)
式中：Pfij为摩擦压降和惯性压降；cnij和cwij分别为内壁和外壁的阻力系数，可根据Colebrook公式计算[3]得到；ρ为水的密度；vnij和vwij分别为内壁和外壁与水的相对速度；Qnij和Qwij分别为内壁和外壁的湿周；Lij为内壁和外壁的长度；Pyij为局部压降；aij为水的加速度；ζ为局部阻力系数，可以通过不同形状截面变化查阅相关手册分别求出；vij为水的流速。
两个回路流量之和与提升衔铁挤水的流量相等，且两个回路各处水的流量相等：
(9)
式中：vt为提升衔铁的速度；St为提升衔铁的截面积； Sij为流道的截面积。
式(9)对时间求导，可以获得各处水流的加速度其也有与式(9)相同的关系式，即采用加速度替代式(9)中对应的速度。
提升衔铁受到的水阻力为活动件两端水的压差产生的压力：
Ftsz=(P21+P22+P23)St
(10)
驱动杆组件和其带动的控制棒组件移动时受到的水阻力Fqsz可以将模型简化后由式(8)类似地计算得到。提升衔铁动作时受到的总水阻为：
Fsz=Ftsz+Fqsz
(11)
由式(7)～式(11)可以求出在某一运动速度vt和加速度at下提升衔铁受到的水阻力Fsz。
4 多体动力学模型
除电磁力、水阻力外的其他力均由建立的多体动力学模型分析计算，如重力、摩擦力等。多体动力学模型可以在多种动力学分析软件中创建，例如ADAMS、LMS。本文在LMS Virtual.lab Motion中创建驱动机构提升时的多体动力学模型。
LMS Virtual.lab Motion能够高效、精确地对复杂机械系统进行多体动力学分析[4]，为简化虚拟样机模型，在LMS Virtual.lab Motion中建模时只包括提升磁极、提升衔铁、钩爪、移动衔铁、驱动杆等相关零件。
使用三维建模软件如Inventor、UG建立控制棒驱动机构提升动作虚拟样机模型所需零件的三维模型，装配完成后将其导入到LMS Virtual.lab Motion当中，如图4所示。根据驱动机构钩爪组件各零件的实际约束情况，对虚拟样机各零件创建相应的约束；提升衔铁和提升磁极最终会发生碰撞，因此二者之间需创建碰撞约束(contact forces)；在提升衔铁和提升磁极内部还需创建弹簧(TSDA)。在提升衔铁上通过三点力(three point force)创建驱动力(force)，驱动提升衔铁运动；创建传感器(sensor)测量提升衔铁的位移、速度以及加速度。由于钩爪组件及驱动杆浸入在水中，因此将重力加速度的值设为8.8m/s2。
图4 虚拟样机模型
为在MATLAB中建立驱动机构提升时的动力学仿真系统，需要将LMS Virtual.lab Motion虚拟样机模型中作用在提升衔铁的驱动力(force)通过output功能接收；测量获得的提升衔铁的位移、速度以及加速度通过input功能传出，并生成与MATLAB Simulink的接口“plantout”。
多体动力学模型可以求出在电磁力和水阻力的共同作用下，提升衔铁下一时刻的位移l10、速度vt和加速度at。
5 动力学仿真
在MATLAB的Simulink中，导入LMS建立的虚拟样机模型接口“plantout”，根据控制棒驱动机构提升动作的电磁力计算模型和水阻力计算模型编制相应的S函数[5]，并将S函数和“plantout”的各输入输出参数连接，利用Scope模块记录提升衔铁动作过程中的动力学参数。
运行程序分析驱动机构冷态时提升动作的动力学特性，结果如图5所示。通过仿真结果可以看出，当提升线圈通电约40ms后提升衔铁开始动作，当通电118ms后，提升衔铁与提升磁极上的隔磁片发生碰撞，碰撞时提升衔铁的速度约为0.6m/s，此时受到水的阻力最大，约为1 200N，在碰撞后提升衔铁受到的电磁力最大，约为5 660N。
该型驱动机构已制造了物理样机，并进行了冷态性能试验，实际测得驱动机构提升驱动杆组件时的电流和振动信号波形如图6所示，图中每小格的时间为50ms。通过波形可以测量得到提升线圈开始通电到提升衔铁碰撞产生振动信号之间的时间间隔为125ms，提升衔铁动作时间的实测值与动力学仿真结果误差不足6%，在工程应用允许的误差范围内，说明本文所建立的计算模型和采用的动力学分析方法是合理的。仿真与实际结果的误差主要来源于电磁计算模型、水阻力计算模型的简化。
图5 动力学仿真结果
图6 试验获得的提升衔铁动作波形
6 结束语
本文建立了控制棒驱动机构钩爪组件提升驱动杆组件动作过程的电磁计算模型、水阻力计算模型、虚拟样机模型，通过MATLAB与LMS的联合仿真，获得提升衔铁完整的动力学参数，为相关零部件强度校核、显示动力学分析、疲劳分析、控制电源设计等提供了输入参数。
本文采用的动力学仿真方法，解决了驱动机构动作过程中复杂的机、电、液耦合问题，可应用于其他类型驱动机构的设计以及其他类似机电设备的研发。
参考文献：
[1] 王赤虎，姚伟达，谢永诚，等.控制棒驱动机构电磁场分析[J].噪声与振动控制, 2009, 29(6): 80-84.
[2] 胡友秋. 电磁学与电动力学[M].北京:科学出版社,2008.
[3] 林建忠.流体力学[M].北京:清华大学出版社,2013.
[4] 时封.LMS Virtual.LabMotion新一代多体动力学软件[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2008(12):52-56.
[5] 杨志丹.某型飞机纵向运动MATLAB建模及仿真研究[J].机械设计与制造工程,2015,44(8):1-4.
Dynamic analysis of the lifting process for the magnetic lifting CRDM
DENG Qiang, CHEN Xinan, LIU Jia, YANG Bo, YANG Xiaochen, YU Tianda
(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China, Sichuan Chengdu, 610041, China)
Abstract：The dynamic characteristics of magnetic lifting control rod drive mechanism(CRDM) is directly related to its working performance. In the action process of CRDM latch assembly, electromagnetic force, water resistance force and spring force are changed with coil current and armature displacement, velocity, acceleration etc. Therefore the dynamic analysis is relatively complicated. It analyzes the action process for CRDM lifts control rod assembly and obtains relatively complete and accurate dynamics result, establishes electromagnetic calculation model and water resistance calculation model. Using the corresponding S function in MATLAB, it builds the virtual prototype model in LMS Virtual.lab, realizes the exchange of kinetic parameters based on co-simulation of LMS and MATLAB. The simulation result shows that the action time of lift armature is close to the test result.
Key words：nuclear reactor;control rod drive mechanism;latch assembly;lifting process;dynamic analysis
收稿日期：2016-08-23
作者简介：邓强(1987—)，男，四川资阳人，中国核动力研究设计院工程师，硕士，主要从事核反应堆控制棒驱动机构的设计工作。
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.04.026
中图分类号：TH122；TL351
文献标识码：A
文章编号：2095-509X(2017)04-0106-05