浅析高温气冷堆控制棒驱动机构主减速器锥齿轮优化

郭云龙，王勇慧，金东杰

（中核能源科技有限公司，北京 100193）

控制棒驱动机构是反应堆的重要组成部分，主要作用是在正常工况下调节反应堆运行功率，事故工况下快速落棒实现反应堆安全停堆。控制棒主减速器就是为了保证在事故工况下控制棒能够安全下落的重要设备。由于主减速器在纯氦气环境中工作，不能使用润滑油等可能污染环境的物质，零件表面不可能形成具有保护作用的氧化膜，所以对主减速器齿轮的设计提出了更高的要求。适当齿轮变位（径向和切向方向）可以提高齿轮齿根抗弯疲劳强度和齿面接触疲劳强度。因此，本文以控制棒驱动机构主减速器锥齿轮为基础，以控制棒驱动机构样机主减速器锥齿轮变位系数为依据，通过改变锥齿轮变位系数分析齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力及最小安全系数，得出最优变位系数，从而优化主减速器锥齿轮。

1 控制棒驱动机构主减速器

圆锥齿轮传动常用于输入轴和输出轴需要相交成一定角度的场合，可用来传递两相交轴之间的运动和动力，降低转速并增大转矩，一般与圆柱齿轮组成圆锥-圆柱齿轮减速器。控制棒驱动机构主减速器采用三级圆锥-圆柱齿轮组，具体结构见图1；考虑锥齿轮承受负载较大，锥齿轮采用格里森零度弧齿。

图1 主减速器传动结构示意图

2 锥齿轮设计计算

2.1 锥齿轮变位

锥齿轮的变位可分为切向变位（齿厚变位）和径向变位（齿高变位），如图2所示。

图2 锥齿轮径向变位（左）和切向变位（右）

用展成法加工锥齿时，当加工轮齿的两侧刀刃在其所构成的产形齿轮的分度面上的距离为πm/2时，加工出来的齿轮为标准齿轮；若改变两刀刃之间的距离，则加工出来的齿轮为切向变位齿轮，变位系数为xt。

用展成法加工锥齿时，若刀具所构成的产形齿轮的齿条中线与被加工锥齿轮的当量圆柱齿轮的分度圆相切，加工出来的齿轮为标准齿轮；当齿条中线沿当量圆柱齿轮的径向移开一段距离xm时，加工出来的齿轮为径向变位齿轮，变位系数为x。

齿轮变位一般选择高-切综合变位，即x1+x2=0；xt1+xt2=0。

在控制棒驱动机构样机中，主减速器锥齿轮径向变位系数x为0.38、切向变位系数xt为0.003；适当增大径向变位系数可减小齿面接触应力，增大最小安全系数；适当增大切向变位系数可减小齿根弯曲应力。因此以样机主减速器锥齿轮变位系数为依据，锥齿轮径向变位系数x分别取0.38～0.42，切向变位系数xt分别取0.003～0.007，依据《机械设计手册》，对锥齿轮进行设计计算，得出锥齿轮-受力情况，并进行强度校核，分析得出最优变位系数。

2.2 锥齿轮传动计算

（1）设计参数。锥齿轮设计参数示意图见图3；锥齿轮设计参数见表1。

表1 锥齿轮设计参数

图3 锥齿轮设计参数示意图

（2）齿轮主要参数计算。

（3）锥齿轮重合度计算。

（4）锥齿轮受力分析。

小锥齿宽中点处的径向力：

大锥齿宽中点处的径向力：

小锥齿宽中点处的轴向力：

大锥齿宽中点处的轴向力：

式中，齿宽中点处分度圆上的切向力：

锥齿轮齿宽中点分度圆直径：dm1；齿宽中点螺旋角：βm=0°；锥齿轮转矩：T1由减速机传动比分配得知，包含3倍安全系数，取T1=14。

3 锥齿轮强度校核

3.1 齿面接触疲劳强度校核

适当增大径向变位系数可减小齿面接触应力并增大最小安全系数，计算不同径向变位系数下最小安全系数和齿面接触应力。

最小安全系数：

式中各项参数表示如下：

（1）齿面接触应力：

（2）接触疲劳极限σHlim：材料质量等级选用MQ，表示齿轮材料质量和热处理质量达到中等要求时的疲劳极限。

（3）重合度系数

重合度系数：

式中，

啮合线长度：

式中，齿顶圆直径：

dva1=dv+2·(ha1-0.5·b·tanθa1)；

dva2=dv+2·(ha2-0.5·b·tanθa2)；

（4）动载系数。

通过强度校核计算得到不同径向变位系数下，齿面接触应力和最小安全系数见表2。

表2 不同径向变位系数下齿面接触应力值和最小安全系数

3.2 齿根弯曲疲劳强度校核

适当增大切向变位系数，可减小齿根弯曲应力。计算不同切向变位系数下齿根弯曲应力；

小锥齿根应力：

大锥齿根应力：

通过强度校核计算得到齿根许用弯曲应力，不同切向变位系数下，齿根弯曲应力值见表3。

表3 不同切向变位系数下齿根弯曲应力值

4 结语

本文通过对工程用控制棒驱动机构主减速器锥齿轮进行尺寸计算和强度校核，得出主减速器锥齿轮不同径向变位系数下的齿面接触应力、最小安全系数和不同切向变位系数下的齿根弯曲应力，得到如下结论：

（1）控制棒驱动机构主减速器锥齿轮在径向变位系数为0.4，切向变位系数在0.005时，锥齿轮齿面接触应力σH和齿根弯曲应力σF最小，并均小于许用应力；最小安全系数最大。

（2）对比控制棒驱动机构样机中在径向变位系数为0.38和切向变位系数为0.003时的齿面接触应力σH和齿根弯曲应力σF，锥齿轮齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和最小安全系数均有所增强，达到了优化设计结果。此优化后的变位系数已经应用到目前工程用控制棒驱动机构主减速器锥齿轮中，满足设计及高可靠度要求。