淺談電動執行器的選型應用及發展趨勢

付建林

摘要： 介紹了國內電動執行器的應用現狀及國際智能電動執行器的發展狀況，指出電動執行器結構、原理、選型和應用，并給出相應的日常維護保養建議。

Abstract： The application status of domestic electric actuators and the development status of international intelligent electric actuators are introduced， and the structure， principle， selection and application of electric actuators are pointed out， and corresponding daily maintenance suggestions are given.

關鍵詞： 電動執行器;原理結構;現狀;應用及案例;困難;日常維護;發展趨勢

Key words： electric actuator;principle structure;status quo;application and case;difficulty;daily maintenance;development trend

中圖分類號：X505 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0076-03

0 ?引言

電動執行器是自動控制系統不可缺少的重要組成部分，是工業過程控制系統中一個十分重要的驅動裝置。它是利用電力能源作為動力，接受一定的信號并將其功率放大后，將其轉換成輸出軸相應的轉角或直線位移，來推動各種控制機構完成作業過程。其具有其動力取用方便、安裝調試簡單等特點，在石油、化工、煤炭等多個工業領域中得到應用。

1 ?電動執行器的基本介紹

1.1 電動執行器的種類很多，主要有以下兩種分類方式。

①按照執行器運動形式不同可以分為3類見表1。

②根據閥門的作用不同又可將分為開關型和調節型兩大類。主要區別：開關型一般是實現對球閥的開或關控制，對介質流量不需要精確控制。而調節型既具有開關型的結構，還要能夠精確調節介質流量。

1.2 電動執行器結構和工作原理

電動執行器主要結構如圖1。主要由伺服電機、機械減速和位置發送器三部分組成。①減速箱包括底座、齒輪、手輪、渦輪蝸桿、出軸、聯軸器等。②電機包括直流電機、單相電機、三相電機、變頻電機等。③位置發送器，主要是接收和輸出位置電流信號。

工作原理如圖2。

1.3 電動執行器的優點和缺點

優點主要有：動力源取用方便;信號靈敏度和精度高，且傳輸距離遠，便于控制;安裝方便、接線簡單;還具有抗偏離能力強的特點。

缺點主要有：結構較復雜，容易發生故障，對維護人員的技術水平要求高;調節太頻繁，容易造成電機和電氣元件過熱燒壞，也會加大對減速齒輪的磨損;還有運行較慢的缺點。

2 ?國際、國內發展和使用狀況及目前面臨困境

2.1 國際發展和使用狀況

自1929年 LIMITORQUE公司制造出了世界上第一臺電動執行機構以來，國際上電動執行器技術水平發展迅速。由于互聯網等高新技術的迅猛發展，目前國外新型智能化電動執行器已經具備了智能化、信息化、自動化等高精尖技術，還有防水防爆等新功能。

2.2 國內發展和使用狀況

我國電動執行器的研制起步較晚，開始是從蘇聯有觸點的執行機構進行仿制的。后來逐步開發了DDZ-II型和DDZ-III型兩種產品。80年代以來，又開發了無觸點的 DKJ型角行程和DKZ型直行程兩款。隨著現代工控計算機管理的應用發展，我國多數產品也實現了智能化，但與國際先進的智能化電動執行器相比，仍存在控制方式落后，可靠性不高，不能連接網絡、不能遠程控制等問題。

2.3 國內電動執行器發展面臨的困境

①生產企業規模小、產品技術含量低，更新換代慢。

目前，我國電動執行器生產企業約有幾千家，年銷售收入超過一個億元的僅有幾家。這種小規模的企業經濟基礎差，競爭能力弱，與同行業國際知名企業的競爭就更加困難。產品大都屬于一般技術含量或勞動密集型產品，引入的工業新技術少，產品更新換代慢。

②企業管理水平低下，技術人員欠缺新知識。

企業技術管理人才短缺且管理水平低，研發和管理上投入少，缺少專項培訓，技術人員對國際新技術掌握欠缺，導致電動執行器的發展很難跟上國際步伐。

3 ?電動執行器的未來發展方向

電子、計算機及通訊技術的快速發展必將推動電動執行器快速更新換代。控制精度將越來越高，使用環境越來越廣，功能越來越強，可靠性越來越高的新技術將被應用在各行各業中，以適應不斷的社會發展需要。未來先進的電動執行器具備以下新技術：

①數字化、智能化;②微型化、一體化;③網絡化、信息化。數字化、智能化是當前一切工業控制設備的流行趨勢，因此數字化和智能化電動執行器將應用現代控制理論的先進算法來提高控制性能。微型化和一體化，使得執行器的安裝與調試工作都得到了簡化，減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統的影響，提高了系統的可靠性。電動執行器的發展也應以工業局域網技術為基礎，具備與其它控制設備間的互聯連接能力，提高信息傳播的速率和范圍，擴大其應用領域。

4 ?電動執行器選型步驟

第一步：電動執行器的類型選擇：①首先根據需要的閥門種類來選擇電動執行器的類型：閥門的種類很多，工作原理也不一樣，有些以轉動閥板角度實現開關控制、有的以升降閥板來實現啟閉開關控制。所以選用電動執行器配套時要先應看閥門的類型，看需要哪種控制方式。②再根據生產工藝要求來確定電動執行器的控制模式：是選擇開關型（開環控制），還是選擇調節型（閉環控制）。第二步：根據閥門開、關所需的扭力確定電動執行器的輸出扭力：需要先了解閥門啟閉所需的最大扭力，再依據扭力選擇輸出扭力適合的電動執行器。閥門正常啟閉所需的扭力由閥門口徑大小、工作壓力等因素決定。第三步：根據所選電動執行器確定電氣參數：因不同執行器廠家的電氣參數有所差別，所以設計選型時需要電氣方面人員確定其電氣參數（主要有電機功率、額定電流、二次控制回路電壓等），往往在這方面的疏忽，結果控制系統與電動執行器參數不匹配造成工作時空開跳閘、保險絲熔斷、熱過載繼電器保護起跳等故障現像。第四步：根據使用場合選擇外殼防護等級、防爆等級。第五步：選擇合適的減速箱或推力轉換裝置。

在相同功率情況下，使用減速箱放大力矩同時，轉速就會減少，會使閥門行程時間變長，所以選擇減速箱的減速比時，應在保證閥門正常開關和滿足行程時間兩者之間，選取中間最佳值。廠家輸出裝置的螺紋摩擦系數、螺距等都不同，要選擇合適的推力轉換裝置。

5 ?電動執行機構參數計算

電動執行機構輸出力矩大小和特性是選型最主要的參數。

5.1 確定閥門最大操作力矩

閥門操作力矩是指閥門開啟或關閉時所需的力矩，與閥門的結構形式、口徑大小、工作壓力和摩擦系數等相關。力矩數值可以通過查閱相關資料和詢問閥門生產廠家等方式獲取。

5.2 確定電動執行機構輸出力矩

輸出力矩是電動執行機構的重要參數，具體數值可以通過功率和轉速的計算公式得出。值得注意是，在實際應用中，操作壓力、溫度、介質密度和黏度這些影響因素往往是波動的，導致實際閥門開啟、關閉力力矩有很大變化。為了滿足穩定工作要求，輸出力矩一般預留至少1.2～1.5倍的安全系數。

參數的計算可以按照如下公式計算：

執行機構力矩=閥門推力*安全系數（1.2～1.5）

執行機構全行程圈數=閥門行程高度×圈數行程系數

執行機構全行程圈數=閥門行程高度×圈數行程系數

力矩推力系數——直行程輸出裝置的輸入力矩和輸出推力的比例系數，N·m/kN;

圈數行程系數——直行程輸出裝置的圈數和行程的比例系數r/mm。

6 ?電動執行器在我公司應用情況

使用案例一：用于105型節流閥試驗中。

⑤復核閥桿強度。

根據閥門供貨商提供的閥桿強度為429N·m，大于執行機構的整機輸出力矩。

⑥根據現場條件選用額定頻率50Hz、額定電壓380V、額定電流2.3A，外殼防護等級IP67的電動執行器，電氣參數指標符合我們的項目設計要求。

選型結論：選擇SMC03型可以滿足使用要求。

使用案例二：用于泥漿泵實驗臺節流管匯上。

我們的產品泥漿泵要在試驗臺上進行出廠試驗，試驗最高壓力為101MPa。原來都是由操作人員旋轉節流閥閥門來調控壓力。試驗臺空間狹窄，管匯壓力大，容易泄露，對人身安全存在很大的風險。通過計算節流閥的最大扭矩和轉換裝置的選用，選取適合的電動執行器，設計連接裝置完成連接安裝后，又設計并安裝了操控平臺和移動操控車，實現遠程操控。既提高了生產效率，又增強了安全性能。

7 ?電動執行器的日常檢查和維護保養

為了安全、可靠、有效地使用電動執行器，避免出現因電動執行機構失靈導致管匯壓力劇增引發事故，我們為使用單位編制了《電動執行機構使用維保規范》，規范重主要包括以下幾方面內容：①日常檢查要點：電動執行機構使用前需要檢查：1）檢查執行機構是否能正常運行，關到位和開到位是否正常;2）檢查電氣線路、電源開關、安全限位是否安全可靠;3）檢查齒輪箱潤滑情況，是否潤滑正常;

4）檢查手輪手動方式是否正常;5）檢查執行機構是否顯示報警信息;6）檢查執行機構制動動作是否正常，制動是否可靠;電動執行機構使用中需要注意：7）檢查執行機構運行時電機的轉動聲音是否平穩正常;8）檢查執行機構運行時電機的溫升情況，是否正常。

②維護保養要點：1）加強潤滑和清潔度的管理。電動執行器使用潤滑油，其粘度隨油溫變化而變化。如果粘度過低，會使渦輪蝸桿及齒輪等傳動部件的磨損增大，造成傳動精度下降;如果粘度過高，會影響正常動作，造成零部件損壞。另外，渦輪蝸桿等傳動部件磨損、老化產生的鐵屑、雜質、水分的滲入，會造成內部出現涂層的脫落、銹蝕，這些因素都會影響潤滑油的清潔度。2）及時解決潤滑油脂泄漏問題。由于電動執行器動作頻率高、速度快，容易引起振動，這些因素極易導致潤滑油脂泄漏，一旦潤滑油脂泄漏，需要及時加以解決，避免出現事故。3）提高使用和維護人員的專業水平。使用和維護人員專業水平高，可以提前發現隱患，及時消除故障，他們掌握知識程度直接影響執行機構維護管理質量。因此需要加強自身學習，努力提高技術水平，單位應提供需要的專業培訓。4）改善電動執行機構的工作環境和使用條件。電動執行機構的可靠性和壽命長短與使用情況、所處的環境條件、人員素質等因素有著直接的關系。在管理上改善其工作環境與使用條件，使之延長壽命。

③電動執行機構的常見故障：1）電動執行器指示燈的故障：在電動執行器通電的情況下，指示燈出現不亮的情況，就是通過信號動作，也起不了作用，這個時候應當要檢查保險管是否完好，如果完好，通過綜合故障的分析，那么很有可能會是伺放板的電源部分出了故障，接下來再通過萬用表來檢測指示燈，也可以嘗試更換一下指示燈，看看是不是指示燈的故障。2）閥門不能開啟到位。閥門電動、手動皆不能使閥門打到全開位置，且開啟力矩較大。引起故障因素有閥桿螺母螺紋有部分損壞、有異物卡澀在閥門內部、螺距不均勻等。如果是閥桿或閥桿螺母螺紋有損壞或螺距不均勻，解決方法是應及時更換損壞零部件;如有異物卡澀，解決方法是拆解閥門，檢查卡澀情況，去除異物，弄清產生異物原因并從源頭加以控制。3）閥門開啟位置與閥門中流量不成比例。當出現以下情況時，需要對設備進行檢查，如閥門開度僅達到滿行程的10%，而流量已達額定流量的90%，已大大超過設計流量。發生原因主要是儀控在畫面上的模擬信號與實際反饋信號不一致;閥體各連接傳動件的間隙較大;或是限位開關動作不準確。專業維修人員進行處理，檢查電氣元件和線路，消除故障;重新調整限位開關的位置，使開關和閥門位置相一致。4）電動執行器電機轉動的故障。電動執行器無論在什么信號之下都沒有動作，在通電的情況下，電機也不會出現運轉，就算是將抱閘拆除下來還是沒有任何動作，而且電機的繞組阻值都是限時正常的，人工操作電動執行器則顯示正常。檢測結果顯示正常，則是說明在通電的情況下電機不會轉動，那么就有可能是電機的轉子出現了問題，這個時候將電機拆開，你會發現轉子用手都無法擰動，這是因為在轉子之間可能會有一層堅固的灰塵，當將這層灰塵清楚之后，只需要加上一點潤滑油，轉子又可以擰動了，將電機裝好，通電之后就會顯示正常了。

8 ?管理規范執行情況

為了人員和設施的安全，加強管理規范執行效果，編制了電動執行機構檢查表。表中需要填寫檢查日期、檢查人員、檢查內容、檢查情況、問題解決情況，問題負責人等內容，方便員工開展工作。

9 ?結束語

電動執行器正朝著小型化、一體化、數字化、智能化、網絡化方向快速發展。隨著不斷發展，我們公司使用的電動執行器產品種類越來越多，目前僅應用在設備設施上，未來我們還將更多地應用在產品上。

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