一种用于线性接力驱动的弹簧离合器结构设计

杨仲元　李修园

【摘 要】燃料转运装置是核电站内燃料操作与贮存系统的重要换料设备之一。它的主要功能是在反应堆停堆换料期间，通过燃料转运通道在反应堆厂房和燃料厂房之间往返运输燃料组件。由于“华龙一号”三代核电机组采用了双层安全壳设计，导致燃料转运装置原有的驱动方式无法满足厂房布置要求。本文基于接力驱动设计理念，研究了一套全新的离合器结构设计，满足“华龙一号”燃料转运装置驱动机构的全新要求，更可适用于其他線性接力驱动的工作环境。

【关键词】接力驱动；离合器；线性；弹簧

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）06-0008-003

【Abstract】Fuel Transfer Facility is one of the most significant facilities in Fuel Handling and Storage System. Its main function is to transfer the fuel assemblies through the fuel transfer tube between the reactor building and fuel building. Because of the double-shell design in HPR1000， the 3rd generation nuclear power station， the original drive mode cant meet the requirements of the buildings arrangement. So based on the design concept of relay drive， we designed a brand new structure of clutch to meet the driven requirements of Fuel Transfer Facility in HPR1000， which also could be used in other linear drive mode.

【Key words】Relay drive； Clutch； Linear； spring

1 概述

燃料转运装置是燃料操作与贮存系统的重要换料设备之一，它的主要服务对象是燃料组件。它的主要功能是：

（1）在反应堆停堆换料期间，在反应堆厂房和燃料厂房之间转运新燃料组件和乏燃料组件；

（2）在反应堆运行期间，将反应堆厂房与燃料厂房隔离开，确保安全壳的密封性和完整性。

“华龙一号”核电机组由于三代核电站双层安全壳的设计，燃料转运通道的长度与二代核电站相比有了很大的增加，原有的驱动运输方式在受限的厂房空间内已无法满足使用要求[1]。通过查阅相关资料，调研国内外情况，多个方案论证，最终确定通过两套驱动机构接力驱动的办法来完成运输小车从反应堆厂房到燃料厂房运输燃料组件的工作。

为解决接力驱动过程中的碰撞、干涉和不同步问题，响应国家关于“一带一路”中自主知识产权的政策，研发了一种用于线性接力驱动的弹簧离合器结构设计，应用于接力驱动的每套驱动机构中，满足“华龙一号”燃料转运装置驱动机构的全新需求，更可适用于其他线性接力驱动的工作环境。

2 接力驱动介绍

接力驱动理念，即设置多套（≥2）驱动装置，通过运输对象首尾在前后驱动装置上的搭接，接力完成其长行程的运输。

将接力驱动理念应用到燃料转运装置的线性运输领域，即为：

在反应堆厂房和燃料厂房设置两套运输小车驱动装置，每套驱动装置各设置一套弹簧离合器，通过运输过程中齿轮齿条搭接完成整个传动过程，依靠两个传动链完成一个传动动作，如图3所示[2]。

接力驱动对于驱动机构有如下要求：

（1）在齿轮与齿条接触瞬间，避开啮合死区，防止机构卡死；

（2）在齿轮与齿条初始啮合阶段，提供超越空间，避免刚性碰撞；

（3）在双驱动过程中，不因双驱动的不同步而产生刚性碰撞，同时良好传递扭矩，保证齿条稳定前进；

（4）在双驱动结束阶段，齿轮齿条能够平稳脱离啮合，空载齿轮复位。

因此，需要在每套驱动机构上设置一套离合器，来解决以上问题，保证设备在接力驱动过程的良好运行。

3 零部件结构

3.1 驱动轴

驱动轴结构如图4所示，在端部设有一个键槽用于安装轴键。轴键与齿轮内齿位于同一轴向平面内，在特定位置时二者侧向接触配合并产生相互作用力，此时离合器处于接合状态，否则离合器处于超越状态。键槽侧面设置弹簧环形导向槽，当弹簧绕驱动轴产生拉伸变形时，利用弹簧的回弹力将弹簧紧紧箍在导向槽里，从而限制弹簧轴向窜动，避免对其他零部件产生影响。导向槽内开有弹簧定位通孔，提供弹簧的安装空间，通过限制簧身来轴向固定弹簧的运动平面。

3.2 齿轮

齿轮结构如图5所示，采用环形中空结构，供驱动轴穿过，其内径尺寸保证驱动轴与齿轮在一定角度范围内各自独立运动而不采用常规刚性连接。在通孔上下设有两个弹簧固定柱，提供弹簧的安装支撑点。齿轮中空内部设有内齿，在特定位置与轴键接触配合，使离合器接合，其余状态下离合器超越。

3.3 拉伸弹簧

空载状态时，弹簧保持笔直状态。当弹簧绕驱动轴缠绕产生变形时，为离合器提供复位弹性势能，当离合器空载时，该弹性势能使离合器复位。

4 结构原理

在离合器空载状态下，拉伸弹簧处于笔直状态，拉伸弹簧、齿轮内齿、轴键位于同一径向面上，离合器整体为对称结构。因此，驱动轴与齿轮之间具有双向旋转自由度，其角度相同且小于180°，自由度的大小由齿轮内齿自身的外形角度决定。在负载状态下，驱动轴轴键与齿轮内齿配合传递驱动力矩。

以燃料转运装置中应用的弹簧离合器为例，离合器提供顺时针、逆时针方向上共计300°的旋转自由度：以轴键作为基准点，在逆时针方向上从轴键到齿轮轮齿的夹角为？渍逆，？渍逆即为离合器在逆时针方向上的超越空间；在顺时针方向上从轴键到齿轮轮齿的夹角为？渍顺=300°-？漬逆，？渍逆即为离合器在顺时针方向上的超越空间。

如图7所示，若驱动轴相对于齿轮逆时针旋转，则拉伸弹簧在环形槽内产生瞬时针方向的拉伸，此时拉伸弹簧提供给齿轮的复位力将为逆时针方向；若驱动轴相对于齿轮顺时针旋转，则拉伸弹簧在环形槽内产生逆时针方向的拉伸，此时拉伸弹簧提供给齿轮的复位力将为顺时针方向。

5 工作流程

以弹簧离合器在燃料转运装置上的应用为例，一个单向接力驱动工作流程基本可以分为四个阶段，具体如下：

（1）齿轮齿条接触瞬间

如图8所示，右侧驱动轴转动，通过右侧齿轮驱动齿条前进，至接触左侧齿轮轮齿的瞬间。此时若接触作用力通过左侧齿轮的轮齿表面指向齿轮中心时，即出现受力卡死现象。因此基于弹簧离合器超越和复位的功能，可通过仪控手段控制左侧驱动轴，从而进一步控制左侧齿轮轮齿的迎接角度，使左侧齿轮保持在图8所示的设定位置，即可使轮齿与齿条的接触避开啮合死区。

（2）进入完全啮合过程

如图9所示，当齿条和左侧齿轮的初始接触避开啮合死区之后，为了让二者进入良好的啮合状态，需要有一个自适应过程，即齿条推动左侧齿轮转动，直至完全啮合。在此自适应过程中，要求仅左侧齿轮被驱动，左侧齿轮内部的驱动轴静止。齿条在右侧齿轮的驱动下向左侧齿轮前进，在接触后左侧齿轮将在齿条的带动下做逆时针旋转，左侧离合器的超越空间保证了啮合过程的顺利进行。

当齿轮在齿条的带动下相对于空载时的位置旋转了100°时，可视为进入完全啮合状态，此时左侧齿轮的驱动轴启动，右侧的驱动轴依旧维持原有转速，进入双驱动过程。

（3）双驱动过程

进入双驱动过程后，左侧驱动轴开始启动进行逆时针旋转，转速高于右侧驱动轴，在此过程中，保持右侧驱动轴驱动右侧齿轮、右侧齿轮驱动齿条、齿条驱动左侧齿轮状态，左侧离合器的逆时针超越空间？渍逆减小，直至变为0°。在一个短暂的过渡之后，由于左侧驱动轴转速高于右侧驱动轴转速，完成驱动状态的切换，即：

右侧驱动轴驱动右侧齿轮、右侧齿轮驱动齿条、齿条驱动左侧齿轮 →

左侧驱动轴驱动左侧齿轮，左侧齿轮驱动齿条，齿条驱动右侧齿轮。

当左侧离合器的逆时针旋转自由度？渍逆变为0时，左侧齿轮由齿条驱动转变为左侧齿轮驱动。之后过程中，保持左侧驱动轴驱动左侧齿轮、左侧齿轮驱动齿条、齿条驱动右侧齿轮的状态。同时，右侧离合器的超越空间？渍逆由0°不断增大，？渍顺由300°不断减小，直至齿条脱离右侧齿轮。

（4）齿条脱离齿轮→下一次准备进入啮合

当齿条脱离右侧齿轮后，右侧驱动轴继续旋转，至设定位置后停止。在此过程中，由于右侧离合器内部拉伸弹簧的弹性势能，右侧齿轮将相对于右侧驱动轴做逆时针旋转，完成复位。当右侧驱动轴静止后，复位后的右侧离合器为齿条从左向右运动产生的再次啮合做好准备。

6 结论

本文针对燃料转运装置在“华龙一号”三代核电机组厂房布置下的应用问题，设计了一种弹簧离合器，并详细地介绍了其结构特点，对其应用原理进行了解析说明。该离合器结构简单，性能可靠，具有对称的双向接合、超越功能，自复位性能良好，不止满足“华龙一号”燃料转运装置驱动机构的全新要求，更可适用于其他线性接力驱动的工作环境。

【参考文献】

[1]唐兴贵，李建奇，等.“华龙一号”燃料操作与贮存系统关键设备设计.《中国核电》杂志社.中国核电，2017年12月第10卷第4期.

[2]李建奇，张鑫，等.双安全壳燃料转运装置研制总结报告[R].北京：中国核电工程有限公司，2016.