□ 吳運(yùn)國 □ 郭 慶

揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠有限公司 江蘇揚(yáng)州 225003

1 研制背景

調(diào)節(jié)閥在冶金、核電、化工、石油等行業(yè)的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中起重要作用。直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于控制調(diào)節(jié)閥開啟和關(guān)閉,其基本功能及主要參數(shù)可以保證調(diào)節(jié)閥安全穩(wěn)定運(yùn)行。直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)過程控制系統(tǒng)的重要組成部分,在核電領(lǐng)域過程控制系統(tǒng)中,作為關(guān)鍵設(shè)備,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動控制。筆者研制了一種用于調(diào)節(jié)閥的高精度直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu),對其推力、額定行程、精度等級等主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了測試。

2 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由殼體、蝸桿、手輪、切換裝置、蝸輪、輸出軸、過渡法蘭、推桿、連接法蘭等構(gòu)成,如圖1所示。其主要參數(shù)中,質(zhì)量不大于92 kg,額定推力為50 kN,額定行程為45 mm,行程速度為168 mm/min,基本誤差、回差、死區(qū)精度等級不大于1%,尺寸為558 mm長、532 mm寬、510 mm高,防護(hù)等級為IP 68,安全類別為K1。

▲圖1 直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 工作原理

直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動,其工作原理如下:電機(jī)直接連接蝸桿,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動蝸桿轉(zhuǎn)動;蝸輪蝸桿嚙合,蝸輪與輸出軸連接,輸出軸與螺紋套部件相連,電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為螺紋套部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;螺紋套部件旋轉(zhuǎn),最終驅(qū)動推桿實(shí)現(xiàn)軸向移動。

直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置行程計(jì)數(shù)器組件,行程計(jì)數(shù)器組件中的行程齒輪與輸出軸上的齒輪嚙合。行程計(jì)數(shù)器組件內(nèi)的齒輪組將推桿的直線行程反饋至凸輪,并壓動微動開關(guān),切斷電機(jī)電源,使直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動作,實(shí)現(xiàn)行程控制。

直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)。蝸桿受到轉(zhuǎn)矩作用形成位移,同時將位移反饋至力矩保護(hù)機(jī)構(gòu),力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)動作,切斷電機(jī)電源,使直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動作,實(shí)現(xiàn)力矩控制。

4 性能試驗(yàn)

性能試驗(yàn)的目的是通過測試,驗(yàn)證直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在實(shí)際工況載荷下是否能夠正常工作,同時對額定推力、行程速度、精度等級等性能參數(shù)進(jìn)行測試。直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)過程如下:將推桿與測試設(shè)備的液壓推桿通過過渡連接軸連接,由測試系統(tǒng)向直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測試設(shè)備同時發(fā)送信號,測試反饋信息,從而得到性能參數(shù)。

直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定推力、行程速度、精度等級通過直行程測試設(shè)備進(jìn)行檢測。直行程測試設(shè)備能夠檢測的推力范圍為1 kN～100 kN,推力精度為1 N,位移精度為0.005 mm。將直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在測試設(shè)備臺座上,推桿連接測試設(shè)備的液壓推桿,測試現(xiàn)場如圖2所示。

▲圖2 測試現(xiàn)場

額定推力測試主要檢測直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出推力是否滿足實(shí)際工況負(fù)載,驗(yàn)證打開額定負(fù)載閥門的能力。直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉閥門方向和開啟閥門方向的五次推力如圖3所示。測試過程中,使用測試設(shè)備的輪輻式拉壓力傳感器實(shí)時采集推力數(shù)值。由圖3可以看出,直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足50 kN額定推力的要求。

▲圖3 直行程級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力

直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉閥門方向和開啟閥門方向的五次行程速度如圖4所示。測試過程中,采用測試設(shè)備的光柵尺實(shí)時采集兩個方向的坐標(biāo)數(shù)值和運(yùn)行時間,從而得到行程速度。由圖4可以看出,直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在關(guān)閉閥門方向的最小行程速度為163 mm/min,在開啟閥門方向的最大行程速度為181 mm/min,兩個方向的速度略有差異,主要是由于直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主傳動部分蝸輪蝸桿和推桿加工工藝引起的差異。

▲圖4 直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程速度

精度等級測試主要檢測直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本誤差、回差、死區(qū)是否滿足1%的要求。直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉閥門方向和開啟閥門方向的基本誤差如圖5所示。測試過程中,采用測試設(shè)備的光柵尺采集兩個方向的實(shí)時坐標(biāo)數(shù)值。當(dāng)輸入信號為4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA時,對應(yīng)的實(shí)際行程偏離理論位置依次為0 mm、11.25 mm、22.5 mm、33.75 mm、45 mm。由圖5可以看出,直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本誤差絕對值最大為0.64%,最小為0.13%。直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回差如圖6所示。由圖6可以看出,直行程核級電動執(zhí)行結(jié)構(gòu)的回差小于1%。直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)如圖7所示。由圖7可以看出,直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)小于1%。

▲圖5 直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本誤差

▲圖6 直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)回差

▲圖7 直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)

由推力測試、行程速度測試、精度等級測試驗(yàn)證了直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足額定推力50 kN、行程速度168 mm/min、精度等級1%的要求。

5 結(jié)束語

筆者研制了一種調(diào)節(jié)閥用高精度直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu),用于開啟和關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。介紹了這一直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理,使用直行程測試設(shè)備對額定推力、行程速度、基本誤差、回差、死區(qū)進(jìn)行測試。

測試表明,所研制的直行程核級電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足額定推力50 kN、行程速度168 mm/min,以及基本誤差、回差、死區(qū)精度等級1%的要求。