控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種新型的內(nèi)置式控制棒驅(qū)動(dòng)技術(shù),它是在對(duì)控制棒水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合商用壓水堆磁力提升器的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而來的。控制棒水壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)利用3個(gè)水壓缸的充卸壓帶動(dòng)2 套銷爪機(jī)構(gòu)動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)控制棒的步升、步降、夾持以及落棒功能。3 個(gè)水壓缸結(jié)構(gòu)相似,均采用活塞環(huán)密封。活塞環(huán)的密封性能直接影響缸內(nèi)壓力的保持以及水壓缸充卸壓的動(dòng)態(tài)過程。因而對(duì)于水壓缸活塞環(huán)密封機(jī)構(gòu)性能的研究是控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)。

1 　理論分析水壓缸結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1 ,水壓缸上下兩端的密封均由3 道活塞環(huán)及4 條環(huán)形間縫隙組成。取一端為研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)示于圖2 、3 。

1. 1 　水壓缸活塞環(huán)泄漏途徑 圖2 、3 顯示了液體通過活塞環(huán)的泄漏途徑。由于水壓缸活塞環(huán)本身有切口,與水壓缸鏡面間有微小的間隙,且活塞環(huán)兩側(cè)有壓力差, 于是通過活塞環(huán)將產(chǎn)生泄漏,泄漏的途徑如下。

1) 通過活塞環(huán)本身切口h1 處的泄漏。該泄漏可視為平行平面間的縫隙流動(dòng)。在層流狀態(tài)下, 流量與壓力之間的關(guān)系為QV1 = bh13 Δp/12μL 。定義此處的流阻[6 ] R1 = Δp/ QV1 = 12μL/bh13 。式中: QV 為體積流量; b 為縫隙流道的寬度, b = d1 - d2/2 ; h1 為活塞環(huán)切口寬度;Δp 為切口兩端的壓差;μ為水的粘度; L 為活塞環(huán)高; d2 、 d1 分別為活塞環(huán)的內(nèi)、外直徑。

2) 由于某些原因造成活塞環(huán)外圓與水壓缸鏡面貼合不緊而出現(xiàn)的間隙h2 處的泄漏。 h2 處的泄漏可視為同心環(huán)狀縫隙的流動(dòng)。在層流狀態(tài)下, 流量與壓力之間的關(guān)系為 QV2 = （πd1 h23 Δp）/12μL 。定義此處的流阻R2 = Δp/QV2 = 12μL/（πd1 h23 ）,其中h2 為間隙寬度。

3) 由于活塞環(huán)與環(huán)槽端面貼合不緊而形成間隙h3 處的泄漏。h3 處的泄漏可視為圓環(huán)形平面縫隙流動(dòng)。在層流狀態(tài)下,流量與壓力之間的關(guān)系為QV3 = πh33Δp/（6μln ( d/ d2 ) ）。定義此處的流阻R3 = Δp/QV3= 6μln ( d/ d2 )/πh33 ,其中, d 為水壓缸內(nèi)套上端的直徑。 

1. 2 　活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)總流阻根據(jù)活塞環(huán)密封的特點(diǎn)可建立類似電網(wǎng)絡(luò)的活塞環(huán)密封相似模型(線性阻抗網(wǎng)絡(luò)[6] ,圖4) 。

回路流量與各個(gè)泄漏流量的關(guān)系為QV =QV1 + QV2 + QV3 ,總的流阻與各泄漏回路支路流阻之間的關(guān)系為

根據(jù)各個(gè)支路流阻值可以推出R ,有

1.3 活塞環(huán)泄漏縫隙處的液體壓差分析

1) h1處可視為平板擠壓流,間隙兩端平均壓差[ 5 ] p1 = μv1 L2 /h13 = α1 /h13 ,α1 =μv1. L2 。其中, v1 為平板在壓力作用下相互靠近的速度。

2) h2處可視為平板擠壓流,縫隙兩端平均壓差[5 ] p2 = μv2 L2 /h23 = α2 /h23  ,其中,α2 =μv2 L2 。 

3) h3處可視為圓盤擠壓流動(dòng),盤間縫隙兩端平均壓差[5 ] p3 = μv3 (2 r2 - r r2 - r22 ) /h33 = α3 /h33, 其中,α3 =μv3 (2 r2 - r r2 - r22 ) , r 為半徑。根據(jù)活塞環(huán)密封流道的特點(diǎn)可知,各縫隙流道兩端的平均壓差相等,即Δp = p1 = p2 = p3 ,代入式(1) 可得到活塞環(huán)總流阻R 為:

從式(2) 可知,對(duì)于一定的活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu),其流阻與活塞環(huán)前后壓差呈線性關(guān)系。 

1.4 　水壓缸泄漏流阻在小雷諾數(shù)的層流工況下,圖1 結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力壓降主要是縫隙沿程阻力壓降。水壓缸單端密封總的流阻是由7 個(gè)環(huán)節(jié)的流阻串聯(lián)而成,其中環(huán)間縫隙處為同心圓柱環(huán)形間隙流動(dòng), 其流阻Rs = Δps /QV = 12μs/πd h3 。其中: d 為水壓缸內(nèi)套上端直徑; s 為間隙長(zhǎng)度(圖2) 。因縫隙高度不隨水壓缸內(nèi)外壓差的變化而變化,故該流阻為固定值,它僅與水壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

水壓缸內(nèi)外壓差為各個(gè)流阻壓降之和,即 Δpt =Δp12 +Δp23 +Δp34 +Δp45 +Δp56 +Δp67 + Δp78 。其中:1～7 為位置標(biāo)示符,具體位置見圖2 所示。水壓缸單端密封的總流阻Rt = Δpt/QV = R12 + R23 + R34 + R45 + R56 + R67 + R78 。其中: R12 、R34 、R56 和R78 為常數(shù)。類比于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)處壓降特點(diǎn),假定3 個(gè)活塞環(huán)處壓降與水壓缸內(nèi)外壓差存在線性的關(guān)系, 即Δp23 = β1Δpt ,Δp45 =β2Δpt ,Δp67 =β3Δpt ,其中,β1 、β2 和β3 為線性比例因子,則結(jié)合式(2) ,液壓缸單端密封的總流阻為:

水壓缸兩端密封為兩個(gè)并聯(lián)的流阻,且其結(jié)構(gòu)參數(shù)間存在著線性比例關(guān)系, 比例因子 k = 0. 733 。由于水壓缸單端密封的流阻主要集中在3 道活塞環(huán)上,因此,取其中1 道活塞環(huán)為研究對(duì)象,下標(biāo)“up”表示水壓缸上端活塞環(huán)密封,下標(biāo)“down”表示水壓缸下端活塞環(huán)密封, 則由式(2) 可知:

根據(jù)水壓缸單端密封流阻計(jì)算公式(3) 可推知:水壓缸兩端密封總流阻存在著線性比例關(guān)系, Rt .down = Rt.up/k2 = 1. 86 Rt .up 。其中, Rt.up 為水壓缸上端密封總流阻, Rt.down為水壓缸下端密封總流阻。于是水壓缸總的密封流阻為:

其中:b0 = 0. 65 a0 , b1 = 0. 65 a1 ,經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得, b0 、b1 為常量。

2 　實(shí)驗(yàn)結(jié)果 

在控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)單缸步進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)[7 ] 中,從開始充壓到水壓缸內(nèi)套動(dòng)作這一段時(shí)間定義為步升前充壓時(shí)間,在此段時(shí)間內(nèi),由于水壓缸內(nèi)套未動(dòng)作,回路中入缸流量等于泄漏流量,利用不同配重步升過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可求出水壓缸活塞環(huán)密封的泄漏流阻。用最小二乘法來擬合不同配重步升前充壓時(shí)間內(nèi)的( R ,Δp) , 自變量為Δp , 函數(shù)為R = Δp/QV ,求出各個(gè)配重下的流阻擬合公式, 即不同配重實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的b0 和b1 值, 擬合結(jié)果示于圖5 , 其中, M 為配重。可以看出,對(duì)幾何結(jié)構(gòu)一定的活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)而言,不同配重實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的b0 和b1 值基本不變。取它們的平均值, B0 和B1 為計(jì)算公式中的系數(shù)。

圖6 為60 、90 和130 kg 配重實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論公式計(jì)算所得流阻的對(duì)比曲線。該曲線顯示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果吻合得很好。同時(shí),可以看出,隨著配重的增加,步升開始所需壓力逐漸增大,步升前充壓時(shí)間逐漸變長(zhǎng),流阻對(duì)應(yīng)的壓力范圍隨之逐漸增大。 

3 　結(jié)束語 

1) 水壓缸活塞環(huán)密封的泄漏途徑包括通過活塞環(huán)本身切口處的泄漏、活塞環(huán)外圓與水壓缸鏡面貼合不緊出現(xiàn)的間隙處的泄漏和活塞環(huán)與環(huán)槽端面貼和不緊形成間隙處的泄漏。 

2) 在結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下,活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)的泄漏流阻與活塞環(huán)前后壓差呈正比,由此導(dǎo)出的水壓缸密封泄露流阻與水壓缸內(nèi)外壓差間存在線性關(guān)系式(式(3) 、(4) ,式中常量因子可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得) 。 

3) 用控制棒水壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)單缸步進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)擬合求得的流阻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好,從而為水壓缸活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。