控制棒驱动机构传动件耐磨性研究

李维　杨方亮　杨晓晨　孙启航　张智峰　刘佳

【摘 要】控制棒驱动机构（CRDM）是反应堆本体中唯一的运动设备，其结构可靠性直接关系到反应堆启动、功率调节、功率维持、正常停堆及事故工况下的安全停堆等。滚轮与丝杠是CRDM的关键传动部件，磨损失效是其最主要的失效模式。本文在研究传动件耐磨可靠性分析方法的基础上，对其建立了耐磨性分析的数学模型。通过分析传动件的结构特性和材料特性，在研究过程中采用材料特性试验和设备磨损试验的方法进行结果对比，获取重要试验数据，有效指导控制棒驱动机构优化设计，对于提高控制棒驱动机构的耐磨性具有重要指导意义。

【关键词】CRDM；滚轮；试验研究；磨损

【Abstract】The control rod drive machine（CRDM） is the unique equipment which owns relative motion in a pressurized water reactor，and its reliability makes great influence on reactor startup， power regulation， power operation， reactor shutdown and emergency shutdown and so on. Abrasion is primary invalidation way of trolley and screw which is important drive of CRDM. Based on the research of analytical method on reliability in driver part， the paper established a mathematical model of wearing analysis. Through the analysis of the structure characteristics and material properties of driver of CRDM， we got the important result on the method of material properties test and wearing test of CRDM. Then it instructed the design of CRDM. The theory this paper introduced is significant to improve the wearing of driver of CRDM.

【Key words】Control Rod Drive Mechanism（CRDM）； Trolley； Test； Wearing

0 引言

磨损失效是机械设备主要失效形式之一。据不完全统计[1-2]，约有1/3～1/2的能源损耗于摩擦与磨损，约80%的机器零件失效是由磨损引起的。近年来，提高机械部件耐磨性的研究越来越受到国内外的广泛重视。控制棒驱动机构作为反应堆中唯一的活动部件，安全性和可靠性直接影响到反应堆的安全与运行，而采用滚轮丝杠螺旋副传动原理的反应堆控制棒驱动机构，磨损是其主要的失效模式。因此，提高其传动件部件耐磨性具有重要意义。

1 通用磨损可靠性模型

磨损可靠性是指设备在规定的时间内，规定的使用条件下，摩擦副的实际磨损量在许用磨损量范围内的可能性。对于磨损可靠性，工程上常用的失效判断准则为实际磨损量大于许用磨损量，即当实际磨损量小于许用磨损量时正常；当实际磨损量大于许用磨损量时失效。设摩擦副在某一时刻t时的许用磨损量和实际磨损量分别为Wmax、W，则该摩擦副可靠性计算的极限状态方程为：

2 传动件磨损可靠性模型

控制棒驱动机构传动件形式如图1所示。对滚轮丝杠传动副而言，在其整个运行周期中，滚轮每个轮齿一直处于啮合状态，而丝杠的轮齿则处于交替滚轮运行；按照单个行程往返时间计算，每个滚轮轮齿的磨损时间约为丝杠轮齿的100倍。因此，对于传动件的耐磨性分析实际就是对滚轮零件的耐磨性分析。

磨损是一个多阶段的损伤过程，按照经典理论磨损过程可分为3个阶段[3]：跑合磨损阶段Ⅰ、稳定磨损阶段Ⅱ、剧烈磨损阶段III。对于滚轮丝杠螺旋副，其表面加工质量较好、精度高，也遵循这个经典规律。当控制棒驱动机构机构工作时，滚轮磨损量与其使用周期的线性关系可表示为：

滚轮磨损量与磨损周期关系可以用磨损曲线来表示，典型的磨损曲线如图2所示。根据滚轮丝螺旋副的传动特点，跑合磨损阶段和剧烈磨损阶段周期较短。如忽略跑合磨损阶段和剧烈磨损阶段的情况下，滚轮磨损是一个均匀磨损过程，磨损量按照公式1呈线性增长。

3 传动件耐磨因素分析

基于传动件磨损可靠性分析模型，在承受额定载荷下，影响滚轮耐磨性的主要因素为滚轮零件的结构特性和材料特性。

3.1 结构特性

滚轮与丝杠的啮合关系简化模型如图3所示。根据滚轮丝杠的结构特点，在不改变结构外部接口的条件下，滚轮与丝杠的齿形越厚，即滚轮耐磨损量越大，滚轮的耐磨周期越长。

3.2 材料特性

根据金属材料性能分析，材料的硬度与耐磨性能直接相关，材料基体硬度越高，零件耐磨性越好。对于滚轮丝杠传动副中，合理匹配滚轮与丝杠的硬度关系，对降低滚轮磨损量具有重要意义。

基于以上分析，在磨损机上按照硬度高材料承载，开展了两组不同硬度材料试样的对磨试验，采用称重法进行评估。

对比试验结果见表1和图4所示，其中试验选取的基准硬度以X表示，硬度差以△X表示。

根据试验结果，试验一（硬度差为2△X HRC）的磨损量少于试验二（硬度差为△X HRC），增大两种材料硬度差大能减少对磨损耗。因此，滚轮作为主要损耗件，应选择硬度较高材料；在与丝杠材料硬度匹配关系上，应考虑增大两种材料的硬度差。

综上所述，对于滚轮零件的设计上应考虑加大齿形厚度，选材上应考虑提高材料硬度，且应合理增大滚轮材料与丝杠材料硬度差值。

4 模拟试验研究

由于控制棒驱动机构使用的特殊环境，要求易损件具有良好的抗震性能、耐磨性能和耐腐蚀性能，因此在选材上对各项性能的均衡性要求较高。在充分对比相关金属材料特性基础上，在结构允许范围内合理增大了滚轮齿形厚度，选择两种硬度不同的沉淀硬化型不锈钢材料作为选材对象，进行深入试验研究。

4.1 试验方法

试验材料：（X+△X）HRC与（X+2△X）HRC不同硬度的两种金属材料。

试样尺寸：按照零件尺寸1：1加工，试件1（X+△X）HRC、试件2（X+2△X）HRC。

试验设备：试验本体与控制棒驱动机构整机。

试验方法：按照滚轮实际运行条件，配合设备整机进行磨损试验，比较不同硬度下的材料耐磨性能。

评定方法：以磨损最严重的齿形的厚度损耗量作为磨损率的评定标准。

4.2 试验结果

（1）运行至约1个设计寿命周期转时试件1（X HRC）磨损率62.76%，试件2（48HRC）磨损率为14.97%；

（2）运行至约1.4个设计寿命周期时试件1齿形失效，磨损量为100%；试件2运行至约2个设计寿命周期时磨损率为31.95%；

（3）试件2运行至约3个设计寿命周期转时磨损率为37.83%。

4.3 试验结果分析

根据试验结果，试件1在运行至1.4个设计寿命周期时齿形失效，而试件2在运行至3个设计寿命周期时，磨损量不足50%，运行寿命远高于试件1，且使用裕量充足。

4.4 小结

（1）根据试验研究结果，滚轮的磨损趋势与传动件的可靠性分析模型基本保持一致；

（2）通过试验获取的试验数据，提高控制棒驱动机构传动件材料硬度差，有利于提高易损件使用寿命；

（3）选择试件2材料较适合控制棒驱动机构滚轮工程应用。

5 结论

（1）本文在机械磨损失效原理的基础上，结合磨损可靠性基本理论，提出了滚轮丝杠螺旋副磨损可靠性分析模型。通过分析确定了影响传动件耐磨性的主要因素，并开展了相关的试验研究。

（2）通过材料对比试验与整机磨损试验研究，有效验证了分析模型的准确性，并有效指导了控制棒驱动机构工程应用设计。

【参考文献】

[1]孙志礼，王超.磨损的模糊可靠性设计[J].东北工学院学报，Vol.13，NO.4，1992.

[2]刘洪志.磨损与磨损可靠性[J].中国制造业信息化，2009，38（17）：65-67.

[3]刘惟信.机械可靠性设计[M].北京：清华大学出版社，1996：281-287.

[责任编辑：杨玉洁]