防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制

張 宇 吳 江 李德勝 徐文才

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

近年來,隨著液壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)電控液壓系統(tǒng)已經(jīng)落伍,取而代之的是一體化電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在石油、化工,以及西氣東輸?shù)裙こ讨杏昧枯^大,僅一個(gè)支線項(xiàng)目就需要幾十套電液執(zhí)行機(jī)構(gòu),且大部分電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是國(guó)外產(chǎn)品[1-5]。隨著我國(guó)西氣東輸?shù)葒?guó)家大型石化項(xiàng)目的推進(jìn),未來防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)需求巨大。

2 結(jié)構(gòu)方案

筆者研制的防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電控部分、液控單元、輸出機(jī)構(gòu)、行程指示機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

▲圖1 防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案

電控部分采用先進(jìn)的ARM芯片作為整機(jī)控制系統(tǒng),配合變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)液控單元的無級(jí)變速調(diào)節(jié),可以提高控制精度[6]。液控單元采用變頻電機(jī)連接高精度齒輪泵,通過變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速變換達(dá)到液壓油流量的精確控制,使輸出機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度輸出[7]。輸出機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條的輸出形式,在減小體積的同時(shí)滿足大扭矩輸出的要求。行程指示機(jī)構(gòu)為防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置反饋的關(guān)鍵部件,設(shè)計(jì)采用自行研發(fā)的高精度霍爾位置傳感器,實(shí)現(xiàn)輸出位置的準(zhǔn)確反饋。

3 油路方案

防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油路方案如圖2所示。采用電動(dòng)傳動(dòng)時(shí),由電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生油壓,通過電動(dòng)油路部分,帶動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。采用手動(dòng)傳動(dòng)時(shí),由手動(dòng)泵吸油產(chǎn)生油壓,通過手動(dòng)油路部分,帶動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

▲圖2 防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)油路方案

4 技術(shù)參數(shù)

防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)見表1,其防爆等級(jí)為ExdIICT4。

表1 防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

5 性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)內(nèi)容

防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)本質(zhì)上依舊屬于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),為驗(yàn)證防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求,對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn),具體項(xiàng)目包括轉(zhuǎn)矩設(shè)置、轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差、全行程時(shí)間、保壓能力。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)臺(tái)本體、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、試驗(yàn)軟件、多功能控制箱組成,試驗(yàn)臺(tái)本體由接口部分、加載裝置、轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳感器、行程位置傳感器組成[8-10],如圖3所示。通過計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)的加載及防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),從而采集轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳感器和光電編碼器的信號(hào),得出防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩設(shè)置、轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差、全行程時(shí)間等參數(shù)。

▲圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2 輸出扭矩

輸出扭矩是防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)重要參數(shù),輸出扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求是保障防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的關(guān)鍵。筆者針對(duì)防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩，進(jìn)行開關(guān)方向上的試驗(yàn)各三次,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。開關(guān)方向各三次試驗(yàn)中,每次所測(cè)得的輸出扭矩均大于4 000 N·m,滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)向輸出扭矩平均值為4 198 N·m,開向輸出扭矩平均值為4 060 N·m,輸出扭矩偏差滿足小于±10%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

▲圖4 輸出扭矩試驗(yàn)結(jié)果

5.3 行程重復(fù)偏差

行程重復(fù)偏差反映電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次運(yùn)行過程中實(shí)際位置與理想位置的偏差,直接表征防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行過程中的位置精度。筆者針對(duì)防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程重復(fù)偏差,進(jìn)行開關(guān)方向上的試驗(yàn)各三次,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。開關(guān)方向各三次試驗(yàn)中,每次所測(cè)得的行程重復(fù)偏差均小于1°,滿足設(shè)計(jì)要求。最大行程重復(fù)偏差出現(xiàn)在第2次開向試驗(yàn),結(jié)果為0.26°。行程重復(fù)偏差試驗(yàn)結(jié)果顯示,采用變頻控制的防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較高的位置精度。

▲圖5 行程重復(fù)偏差試驗(yàn)結(jié)果

5.4 全行程時(shí)間

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中的一項(xiàng)重要參數(shù)。防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)大部分用于石化行業(yè),石化行業(yè)對(duì)防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)間較為關(guān)注。筆者針對(duì)防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間,進(jìn)行開關(guān)方向上的試驗(yàn)各三次,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示,防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間為22 s左右,最大偏差出現(xiàn)在第1次開向試驗(yàn),偏差為0.3 s。

▲圖6 全行程時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

5.5 保壓能力

防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓力作為動(dòng)力源,保壓能力直接表現(xiàn)為輸出扭矩的保持效果。目前行業(yè)要求電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的保壓能力要求為48 h內(nèi)壓降小于最大保壓上限的20%。對(duì)防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行保壓能力試驗(yàn),將運(yùn)行壓力增大至設(shè)計(jì)壓力上限,并記錄壓力變化情況。保壓能力試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在保壓能力試驗(yàn)中,最小壓力為11.9 MPa,最大壓力為12.31 MPa,壓差為0.41 MPa,壓降遠(yuǎn)小于保壓上限的20%。防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力波動(dòng)隨時(shí)間變化呈現(xiàn)S形波動(dòng),當(dāng)夜晚氣溫降低后,壓力自然減小,當(dāng)白天溫度升高后,壓力也隨之增大。比較試驗(yàn)初始時(shí)刻壓力與試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻壓力,壓差僅為0.09 MPa,因此,對(duì)于電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的保壓能力試驗(yàn),應(yīng)綜合考慮溫度的影響。

▲圖7 保壓能力試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

針對(duì)石化行業(yè),筆者研制了一種大輸出扭矩、部分回轉(zhuǎn)、運(yùn)行穩(wěn)定的防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu),并采用試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩試驗(yàn)結(jié)果均大于4 000 N·m,滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)輸出扭矩偏差小于±10%。

采用變頻控制方案,能夠有效提高防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置精度,最大誤差僅為0.26°。

空載情況下,防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間最大誤差僅為0.3 s。

保壓能力試驗(yàn)中,防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力隨時(shí)間呈S形波動(dòng),溫度降低時(shí),壓力減小,溫度升高后,壓力增大。

防爆型雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行保壓能力試驗(yàn)時(shí),應(yīng)充分考慮溫度的影響,進(jìn)行綜合評(píng)定。