具有緊急關(guān)斷功能的開關(guān)型電液執(zhí)行器的研制

蔡 婧 王麗然

（西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司）

具有緊急關(guān)斷（ESD）功能的開關(guān)型電液執(zhí)行器是一種以電液驅(qū)動(dòng)裝置為動(dòng)力， 執(zhí)行ESD信號(hào)實(shí)現(xiàn)緊急快速關(guān)斷的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 其與各種截?cái)嚅y配套使用， 用于在緊急狀態(tài)下切斷管路系統(tǒng)，避免安全事故發(fā)生或擴(kuò)大，是大型工藝裝置和壓力管道系統(tǒng)的重要安全設(shè)備［1］。 2016年6月，國家安監(jiān)總局62號(hào)文件規(guī)定，一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源場所必須采用具有ESD功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

中石化、中石油和中航油的油庫罐根和管路系統(tǒng)大量使用開關(guān)型緊急切斷閥門。 目前，國內(nèi)市場大量使用美國Rexa、 英國Rotork及德國法奧克等廠家的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，供貨周期較長，售后服務(wù)不及時(shí)，維護(hù)備件也需進(jìn)口，不能滿足國家重點(diǎn)工程建設(shè)進(jìn)度和能源輸送保障需要，還可能給國家和企業(yè)造成巨大的損失，甚至危及國家能源安全。

筆者根據(jù)國內(nèi)某新建機(jī)場2座2 000 m3的儲(chǔ)油罐罐根閘閥實(shí)際需求，按“用、研、產(chǎn)”倒逼路徑，研制開發(fā)出一種典型規(guī)格（65 kN，400 mm）的具有ESD功能的直行程開關(guān)型電液執(zhí)行器， 突破開關(guān)型電液執(zhí)行器的集成技術(shù)，掌握液壓驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、蓄能控制技術(shù)和性能測試技術(shù)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

執(zhí)行器是工業(yè)過程控制領(lǐng)域中不可缺少的關(guān)鍵部件，其工作的可靠性、可控性和功能的優(yōu)劣，直接影響調(diào)節(jié)性能、控制成敗和設(shè)備安全，并制約著自動(dòng)化總體水平。 目前，工業(yè)過程控制領(lǐng)域中廣泛采用的執(zhí)行器主要實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作和調(diào)節(jié)功能，從而控制過程工藝參數(shù)。 雖然大多工業(yè)執(zhí)行器已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)，但對(duì)于含有關(guān)鍵技術(shù)的工位仍大量采用進(jìn)口產(chǎn)品，國產(chǎn)執(zhí)行器現(xiàn)況存在著可靠性、可控性差等缺陷。

國外多家電液執(zhí)行器生產(chǎn)商都開發(fā)了具有ESD功能的開關(guān)型電液執(zhí)行器， 如德國法奧克SHE系列緊急關(guān)斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 英國Rotork公司的EH系列電液執(zhí)行器和美國Koso公司的Rexa電液執(zhí)行器。 國外廠商產(chǎn)品具備驅(qū)動(dòng)力大、動(dòng)作快速等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在價(jià)格昂貴、體積較大、抗油污染能力差及后期維護(hù)成本較高等缺點(diǎn)。 目前，國內(nèi)有部分廠家進(jìn)行開關(guān)型電液執(zhí)行器的研制生產(chǎn)，但產(chǎn)品整體性能和技術(shù)指標(biāo)與國外先進(jìn)技術(shù)相比存在一定的差距。

2 技術(shù)指標(biāo)及方案

2.1 技術(shù)指標(biāo)

應(yīng)用于國內(nèi)某機(jī)場油庫的輕型電液聯(lián)動(dòng)閘閥的開關(guān)型電液執(zhí)行器技術(shù)指標(biāo)如下：

驅(qū)動(dòng)方式 直行程

行程 400 mm

輸出推力 65 kN

工作溫度 -20～60 ℃

供電 380 V（AC），50 Hz

功率 1 kW

失效模式 ESD緊急切斷

運(yùn)行時(shí)間 可調(diào)

ESD運(yùn)行時(shí)間 不大于10 s，可調(diào)

蓄能設(shè)備完成動(dòng)作次數(shù) 2次

外殼防護(hù)性能 IP65

防爆等級(jí) Exd II BT4 Gb

2.2 工作原理

開關(guān)型電液執(zhí)行器系統(tǒng)原理如圖1所示，主要包含5個(gè)模塊，分別是動(dòng)力模塊、蓄能模塊、液壓控制模塊、執(zhí)行模塊和控制箱。 在使用中，所有模塊集成化設(shè)計(jì)，安裝在被驅(qū)動(dòng)裝置上。

圖1 開關(guān)型電液執(zhí)行器系統(tǒng)原理框圖

控制箱包括處理器、電源等電氣部件，具有遠(yuǎn)程、 就地和設(shè)置3種操作模式。 遠(yuǎn)程模式由SCADA系統(tǒng)給定控制信號(hào)進(jìn)行開閥、 關(guān)閥以及ESD操作； 就地模式由控制箱給定控制信號(hào)進(jìn)行操作； 設(shè)置模式下使用者可以利用鍵盤和顯示板，通過一些簡單的操作步驟對(duì)行程、ESD模式等各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定［2］。

動(dòng)力模塊由交流電機(jī)、齒輪泵、手動(dòng)泵、壓力開關(guān)和過濾器組成。 壓力開關(guān)設(shè)定高低限位，蓄能器壓力低于壓力開關(guān)設(shè)定的最低壓力時(shí)，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪泵輸出流量以容積方式為蓄能器充壓，蓄能器壓力達(dá)到壓力開關(guān)設(shè)定的最高壓力時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

液壓控制模塊由電磁閥、液控?fù)Q向閥、減壓閥、調(diào)速閥、液控單向閥、平衡閥及溢流閥等組成。 分為主回路液壓控制模塊和ESD回路液壓控制模塊，當(dāng)接收到開閥信號(hào)時(shí)，高壓油進(jìn)入液壓油缸有桿腔，無桿腔低壓油回流至油箱，推動(dòng)活塞桿上行實(shí)現(xiàn)開閥動(dòng)作； 當(dāng)接收到關(guān)閥信號(hào)時(shí)，高壓油進(jìn)入液壓油缸無桿腔，有桿腔低壓油回流至油箱，推動(dòng)活塞桿下行實(shí)現(xiàn)關(guān)閥動(dòng)作；ESD電磁閥常態(tài)時(shí)得電關(guān)閉， 當(dāng)接收到ESD信號(hào)時(shí)失電打開，高壓油流入液壓油缸無桿腔，有桿腔低壓油回流至油箱， 推動(dòng)活塞桿下行實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)閥動(dòng)作。

執(zhí)行模塊由單出軸雙作用油缸、位移傳感器和限位開關(guān)組成，功能是將液壓油內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，位移傳感器將負(fù)載驅(qū)動(dòng)軸實(shí)際位置實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)而確定電磁閥的工作狀態(tài)。 限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)限幅保護(hù)作用，輸出開關(guān)量信號(hào)。

蓄能模塊由蓄能器、手動(dòng)截止閥、壓力表及溢流閥等組成，蓄能器將壓力系統(tǒng)的液壓能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能儲(chǔ)存起來［3］，功能是作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開或關(guān)閉時(shí)的動(dòng)力源。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力模塊為蓄能器充壓， 使蓄能器保持在高壓狀態(tài)；當(dāng)電磁閥接收到控制箱信號(hào)時(shí)實(shí)現(xiàn)打開或關(guān)閉油路連通， 蓄壓油箱中高壓液壓油進(jìn)入液壓油缸，推動(dòng)活塞桿直線運(yùn)動(dòng)，液壓油缸低壓腔液壓油流入油箱。

2.3 功能分析

應(yīng)用于國內(nèi)某機(jī)場油庫用輕型電液聯(lián)動(dòng)閘閥的開關(guān)型電液執(zhí)行器應(yīng)具有如下功能：

a. 運(yùn)行速度可調(diào)， 具有降速接近的功能，防止高速接觸造成閥座損傷；

b. ESD回路并聯(lián)設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)ESD關(guān)閥速度可獨(dú)立調(diào)節(jié)，具備更高的安全性；

c. 支持根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)定推力限制，當(dāng)閥板阻力增大時(shí)可調(diào)高系統(tǒng)壓力提高推力；

d. 具有力（力矩）保護(hù)和位置保護(hù)雙重保護(hù)功能；

e. 蓄能裝置壓力輸出平穩(wěn)，支持多次動(dòng)作；

f. 具有手動(dòng)充壓、手動(dòng)開關(guān)閥門的功能；

g. 系統(tǒng)油箱采用全封閉式， 與空氣無接觸，避免液壓油的污染、氧化等，延長維護(hù)周期；

h. 具有遠(yuǎn)程、就地、設(shè)置3種操作模式；

i. 可在線進(jìn)行部分行程測試；

j. 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品十多種故障自診斷功能。

2.4 與進(jìn)口產(chǎn)品的對(duì)比

通過對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品性能指標(biāo)、功能特點(diǎn)的深入分析，本方案研制的開關(guān)型電液執(zhí)行器與主流的進(jìn)口產(chǎn)品相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

a. ESD回路獨(dú)立于主回路液壓系統(tǒng)， 具備ESD關(guān)閥速度單獨(dú)調(diào)節(jié)的功能， 可實(shí)現(xiàn)ESD回路快速關(guān)閥，具備更高的安全性；

b. 系統(tǒng)油箱采用全封閉式， 與空氣無接觸，避免液壓油的污染、氧化等，延長維護(hù)周期；

c. 具有降速接近的功能，保護(hù)閥座，提高定位精度；

d. 可采用力（力矩）和位置限位兩種限位方式；

e. 十余種故障檢測及報(bào)警設(shè)計(jì)。

2.5 部分設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)執(zhí)行器技術(shù)指標(biāo)和系列化需求，選取液壓油缸參數(shù)如下：

缸徑 100 mm

活塞桿徑 45 mm

行程 450 mm

結(jié)構(gòu)形式 單出軸雙作用

蓄能器參數(shù)如下：

最低工作壓力p112 MPa

最高工作壓力p220 MPa

最低溫度tmin-20 ℃

最高溫度tmax60 ℃

有效容積ΔV 5.5 L

2.5.1 蓄能器容積計(jì)算

根據(jù)蓄能器技術(shù)參數(shù)， 在tmax時(shí)的預(yù)充壓力為：

在tmin時(shí)的預(yù)充壓力為：

20 ℃（t0）時(shí)的預(yù)充壓力為：

理想的氣體容量為：

式中 K——絕熱狀態(tài)多變指數(shù)，取1.4。

因此，根據(jù)蓄能器規(guī)格系列選取容積25 L。

2.5.2 齒輪泵參數(shù)計(jì)算

齒輪泵為蓄能器充壓， 蓄能器有效容積ΔV=5.5 L，蓄能器充壓時(shí)間t≯240 s，則齒輪泵流量Qb為：

結(jié)合齒輪泵選型，選取Qb=1.6 L/min，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

計(jì)算齒輪泵最大輸出功率PWb：

齒輪泵液壓損失很小，可忽略不計(jì)，取容積效率為0.8，機(jī)械效率為0.9，則總效率η為0.72。

電機(jī)輸出功率PWd為：

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 液壓控制技術(shù)

系統(tǒng)液壓控制包含由蓄能器驅(qū)動(dòng)的主控制回路、ESD控制回路和手動(dòng)操作下的控制回路，通過信號(hào)和液壓元件的切換實(shí)現(xiàn)不同模式下的回路控制。 蓄能器要實(shí)現(xiàn)主控制回路完成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)行程的正常工作，會(huì)造成開、關(guān)閥門時(shí)的輸出壓力不同，為了避免關(guān)閥作用力過大造成的閥座損壞，必須控制蓄能器輸出壓力。ESD控制回路要滿足更快的關(guān)斷速度。 失電時(shí)還要切換到手操控制回路采用手搖泵進(jìn)行蓄能器充壓補(bǔ)壓和閥門的打開關(guān)閉操作。 因此，液壓控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為輕量化、小型化設(shè)計(jì)，計(jì)算出滿足系統(tǒng)輸出壓力時(shí)液壓缸的最小排量，應(yīng)盡可能減小蓄能器的容積，為了減小蓄能器的容積，采用擴(kuò)大蓄能器工作壓差的辦法，如此便使蓄能器完成充壓后連續(xù)兩次動(dòng)作的工作壓力存在較大差異。 而且液壓缸采用的是單出軸雙作用油缸， 第1次關(guān)閥的向下推力與第2次開閥的向上拉力比值為1.62，會(huì)造成閥門結(jié)構(gòu)的損壞。 因此在蓄能器出口處設(shè)置使出口壓力恒定的減壓閥，控制蓄能器內(nèi)的高壓液壓油的輸出壓力，使蓄能器在兩個(gè)動(dòng)作行程中的壓力保持恒定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作壓力可控。

ESD控制回路采用一個(gè)常開的兩位三通電磁換向閥作為先導(dǎo)控制， 并且給電磁閥常通電，使其處于關(guān)閉狀態(tài)；若系統(tǒng)故障失電，則電磁閥失電切換至打開狀態(tài)，控制兩個(gè)液控單向閥，實(shí)現(xiàn)關(guān)閥動(dòng)作， 電磁閥作為先導(dǎo)閥的設(shè)計(jì)方法使ESD回路的最大流量不受電磁閥流量影響，選用功率很小的電磁閥即可實(shí)現(xiàn)ESD回路的液壓控制。 同時(shí)通過液壓回路即可實(shí)現(xiàn)失電啟動(dòng)ESD， 提高了緊急關(guān)斷的可靠性。

3.2 系統(tǒng)性能參數(shù)匹配

液壓系統(tǒng)包含齒輪泵為蓄能器充壓和蓄能器作為動(dòng)力裝置帶動(dòng)液壓油缸運(yùn)動(dòng)兩個(gè)過程，開關(guān)閥動(dòng)作又包含了主回路控制動(dòng)作和ESD回路控制動(dòng)作兩部分，動(dòng)作過程均要實(shí)現(xiàn)速度和壓力的可控可調(diào)，是通過一系列液壓元件實(shí)現(xiàn)的，因此系統(tǒng)性能參數(shù)的匹配是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。

開關(guān)型電液執(zhí)行器的執(zhí)行動(dòng)作由蓄能器完成，當(dāng)蓄能器壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓力開關(guān)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)蓄能器進(jìn)行充壓，達(dá)到預(yù)設(shè)高壓時(shí)停止充壓。 蓄能器壓力保證執(zhí)行器完成兩個(gè)動(dòng)作行程（即閥門一開一關(guān)）。 動(dòng)作時(shí)，通過控制電磁閥換向使蓄能器內(nèi)高壓油進(jìn)入液壓油缸一側(cè)腔體控制閥門打開或者關(guān)閉。 蓄能器容積設(shè)計(jì)與液壓缸排量進(jìn)行匹配計(jì)算，確保完成兩個(gè)行程動(dòng)作后蓄能器壓力降至壓力下限，繼續(xù)進(jìn)行充壓。

系統(tǒng)設(shè)置了兩級(jí)調(diào)速，在蓄能器出口設(shè)置一級(jí)調(diào)速閥，用于ESD回路關(guān)閥速度的調(diào)節(jié)，在主回路中液壓油缸的進(jìn)出口分別設(shè)置單向節(jié)流閥，用于主回路開關(guān)閥動(dòng)作時(shí)回油速度的調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)中在液壓缸兩腔、蓄能器出口等多處設(shè)計(jì)測壓口，性能試驗(yàn)過程可實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)壓力變化，采集數(shù)據(jù)可用于系統(tǒng)性能分析、調(diào)整匹配參數(shù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行一系列試驗(yàn)對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證， 結(jié)合產(chǎn)品研制提出的性能指標(biāo)和應(yīng)用工況，策劃試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目策劃

（續(xù)表1）

2020年10月，2020-01～2020-06號(hào)電液聯(lián)動(dòng)閥在國內(nèi)某機(jī)場供油工程完成了現(xiàn)場裝配；2020年11月完成產(chǎn)品調(diào)試并通過機(jī)場供油工程竣工驗(yàn)收；2021年1月16日開始帶油試運(yùn)轉(zhuǎn)至今，所有產(chǎn)品在線上加電運(yùn)行，可工作正常，各項(xiàng)性能都滿足技術(shù)要求、使用要求，現(xiàn)場觀測產(chǎn)品工況良好、動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)、ESD關(guān)斷時(shí)間最快可達(dá)7 s、 無滲漏等異常現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過理論分析、 設(shè)計(jì)計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證，筆者介紹的民用機(jī)場油庫輕型電液聯(lián)動(dòng)閘閥所采用的具有緊急關(guān)斷功能的開關(guān)型電液執(zhí)行器，所使用的設(shè)計(jì)方案合理可行，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和現(xiàn)場工況的使用要求，性能指標(biāo)達(dá)到并超過進(jìn)口產(chǎn)品水平，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可替代進(jìn)口產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。