一種核級電動執行機構的力矩保護裝置

朱 瑄，陳 根，陳寶龍

（重慶川儀自動化股份有限公司 執行器分公司，重慶 401121）

0 引言

核級電動執行機構是核電站重要的電氣設備，主要用于控制核電站閥門。整個“十三五”期間，我國核電行業經歷了3年“零核準”，于2019年迎來重啟，新項目陸續核準、開工，后續項目開啟“排隊”模式。隨著國家對節能減排的迫切要求，特別是近期提出的“碳達峰，碳中和”的要求，核電作為清潔能源之一，自然成為國家電力重點發展的方向。為保障能源供應安全，優化電源結構，未來幾年核電建設規模還將繼續擴大。面對如此大的發展機遇，國內的核級電動執行機構制造水平與科技發達國家還有較大差距，主要體現在設備穩定性和對核電廠復雜環境的適應性上。我國目前在役核電站中，除秦山一期、二期中使用部分國產電動執行機構外，其它核島和常規島部分所用電動執行機構幾乎全部進口[1]，主要原因是國內執行機構供貨批量小，國內配套能力不夠。目前，核級閥門及執行機構產品可靠性數據較少，自動控制水平低，產品質量不穩定[2]，導致核電廠應用很少。因此，制造具有高性能和高穩定性的核級電動執行機構，打破國外對這一領域的壟斷具有重要戰略意義。

核電作為一種高效的清潔能源，因其特殊的使用環境，核級設備的安全性需要重點關注，并且核級設備在抗輻照和抗地震方面都有要求。因此，傳統的智能型電動執行機構在安全殼內及一些重要工位并不適用，此時要滿足核級電動執行機構對行程和力矩控制的要求，就必須設計一套機械式控制機構。不同于傳統智能型電動執行機構的力矩控制機構采用電氣與軟件相結合的方式實現對力矩的檢測及相應動作，多數核級電動執行機構力矩保護裝置都是在蝸桿上安裝碟簧組，利用不同力矩下為抵消該力矩使用碟簧組形成不同壓縮量形成線性直線位置輸出，利用轉換裝置將直線位移量轉換成轉動量。當輸出超限時，觸碰微動開關以達到停機功能[3]，因此轉換裝置的精度直接影響力矩保護裝置精度和效果。本文也同樣采用了這一基本原理，設計了一種新型核級電動執行機構的力矩保護裝置，運用凸輪機構原理，創造出一種在直線上將微小線性位移量變為與之相對應的轉動量的裝置，力求在保證運行可靠性的同時，提升力矩采集精度。

1 執行機構原理及參數

N系列核級電動執行機構是為了滿足核電站需求設計的多回轉式閥門驅動裝置。該執行機構設計嚴格按照三代核電設計要求，并依據相關設計標準[4]，采用機械式力矩及行程控制技術，形成力矩范圍30 N.m～3000 N.m，轉速范圍24 rmp～120 rmp輸出的產品，適用于核電廠1E級K3類安全等級的場所。以N90為例，其額定力矩900 N.m，額定轉速60 r/min。為實現其高可靠性及穩定性，N90電動執行機構在設計上采用經典的一級蝸輪蝸桿傳動的模式[5]，如圖1。采用電機→蝸桿蝸輪→離合→空心軸的傳動方式，為保證電動執行機構強度，在結構設計過程中對受力零件采用理論計算與NX軟件仿真的方式進行受力分析。此傳動模式的特點是：體積小，承載能力高，傳遞功率大，易于布置，能實現手電動自動切換等。電動執行機構可以增加不同類型二級減速箱，實現多回轉、部分回轉、推力型等輸出方式，實現對閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、切斷閥等多種閥門進行電動控制，對核電廠的各種閥門具有廣泛的適用性。此外，力矩保護裝置的設計與驗證作為本次電動執行機構開發項目的重點及難點，在對比多種設計方案和理論論證后，N90核級電動執行機構力矩保護裝置采用一種創新的凸輪傳動方式，可實現與蝸桿同軸連接的基礎上，實時精準地采集力矩數據，保證布局合理性的同時，也能提供較為方便的調節方式和調節位置。下文通過對該裝置結構、參數理論分析和樣機實際測試結合的方式論證其可靠性和實用性。

圖1 電動執行機構傳動原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of the transmission principle of the electric actuator

2 力矩保護裝置結構分析

N90力矩保護裝置結構簡圖如圖2。其工作原理為：蝸桿1承受蝸輪在電動執行機構負載作用下形成反作用力，選用能承受蝸桿額定軸向力的減震行程碟簧組2吸收該力，并將設定好預壓力的碟簧組一端固定在蝸桿上，另一端固定在箱體上。碟簧組與蝸桿通過軸承和鎖緊螺母連接，在保證連接剛度的同時蝸桿也可自由轉動，此時在負載作用下蝸桿產生的拉（壓）力使碟簧組形成一個壓縮量來保證執行機構穩定運行。此壓縮量大小與負載大小存在對應關系，根據輸出正反方向不同，該壓縮量可呈現兩個方向的壓縮變化，此時蝸桿整體也對應產生了與碟簧組壓縮量相同的位移量，通過凸輪轉換機構3將碟簧組產生的直線位移量變為轉動量輸出，輸出軸上固定有預先設定好力矩保護位置的凸輪，當力矩超限時，超限轉動量使凸輪觸碰微動開關組件并停轉電機[6]。該力矩保護機構將蝸桿、碟簧組、輸出凸輪做成一個組件后，直接安裝在電動執行機構箱體上，其體積小巧，安裝方便的同時也有利于批量化生產。

圖2 力矩保護裝置結構簡圖Fig.2 Structure diagram of torque protection device

該力矩保護裝置達到預期效果的難點在于凸輪轉換機構如何將碟簧組位移量變為轉動量，并且要求實時、準確、一致性好。通過圖3凸輪轉換機構設計一個帶有對稱螺旋滑槽的轉軸作為角度輸出軸，轉軸和碟簧組連接軸用與對稱螺旋滑槽寬度一致的圓柱銷連接，此時碟簧組連接軸直線位移可通過圓柱銷推動旋轉輸出軸轉動，形成對應轉動角度，并將圓柱銷兩端卡入一個帶對稱通槽的裝置中。該裝置固定在箱體上，以達到對碟簧組連接軸防轉的目的。此裝置實現了同一軸線上變直線位移為旋轉運動的傳動方式，通過控制對稱滑槽精度可以最大限度降低回差影響，通過適當加大螺旋滑槽螺距能得到較大的旋轉量。該力矩保護裝置能準確輸出不同力矩下的旋轉角度，對該角度進行量化即可實現不同力矩下切斷執行機構電源的功能，符合核電執行機構機械式力矩保護的要求[7]。

圖3 凸輪轉換機構結構簡圖Fig.3 Structure diagram of cam conversion mechanism

3 參數分析與測試效果

3.1 蝸輪蝸桿基本參數

根據N90電動執行機構額定參數和蝸輪蝸桿傳動受力分析計算公式，可得以下基本參數：

電動執行機構輸出額定力矩T=900N?m=900000N?mm，此扭矩直接作用于蝸輪上。

蝸輪分度圓d=140mm。

計算額定力矩下蝸桿軸向拉（壓）力：

表1 理論參數計算表Table 1 Theoretical parameter calculation table

3.2 理論參數計算

根據蝸桿額定力矩下軸向拉（壓）力選擇符合要求的碟簧組，規格：60mm×30.5mm×3mm×4.7mm，每組6片，其允許負荷13226N，大于蝸桿額定力矩下的軸向拉（壓）力。

設計對稱螺旋滑槽螺距：20mm。

按照執行機構額定力矩900 N.m，最小保護力矩為額定力矩30%開始計算轉動量，將需要測算的輸出力矩以10%一檔的梯度計算各個力矩下碟簧組理論變形量及輸出軸理論轉動量：

理論計算結果顯示，N90電動執行機構力矩保護裝置在270N.m～900N.m輸出力矩下理論轉動角度由0°增加到99°（此處以270N.m輸出扭矩作為角度采集數據起點），角度變化范圍較廣，結合碟簧壓縮變形特性，此增量接近線性。這樣就有利于在不同負載下力矩保護裝置輸出位置差異較大的信號，理論上可以實現額定力矩范圍內任意力矩值輸出位置準確的轉動角度，即可在任意力矩值實現電動執行機構的電源切斷。

3.3 測試結果

將N90電動執行機構裝在最大測量力矩2000N.m的磁粉力矩測試設備上，如圖4。通過對力矩測試設備施加定值負載，使電動執行機構負載分別達到上述輸出力矩，此時N90電動執行機構能穩定運行并且力矩保護裝置形成一定對應角度的輸出量，記錄下力矩保護裝置轉動角度，進而得到實際開關方向上力矩保護裝置的轉動角度。為保證數據準確性和一致性，排除突變影響，開關方向分3次測量，取平均值。

圖4 執行機構角度測試Fig.4 Actuator angle test

對測試得到的轉角數據進行收集整理，結合理論計算中各個負載力矩下的轉角值，形成對比折線圖如圖5。

圖5 測試結果與理論數據對比圖Fig.5 Comparison of test results and theoretical data

測試結果顯示，這種力矩保護裝置能實現正反方向不同負載下輸出轉動角度的功能，實際轉動角度略小于理論值，但其變化規律接近線性，與理論變化規律一致，并且可在30%～100%額定力矩下轉動角度由0°變化到90°，滿足核級電動執行機構對力矩保護重復偏差≤7%的要求。通過對電動執行機構樣機測試，達到預期的力矩保護裝置的基本要求，并且可實現大范圍轉動角度輸出，能較好保證產品可調性和調節精度。

3.4 設計完善

在得到測試數據并與理論數據對比后，判斷此種力矩保護裝置能提供穩定準確的力矩采集數據，此時添加微動開關組件和切斷凸輪組件，組成可進行信號測試的整機，如圖6。

圖6 N90力矩保護裝置實物圖Fig.6 Physical drawing of N90 torque protection device

切斷力矩和切斷凸輪調節方式為：在開向上通過力矩測試設備加載到需要切斷的力矩值，此時力矩保護裝置輸出軸會根據負載不同轉動到對應位置。在力矩保護裝置穩定后，將開向凸輪撥到剛好觸碰到開向微動開關作用點位置，再鎖緊固定螺母，即可完成開方向的切斷力矩調試，關方向用同樣的方式在關向運行時進行調試，此時需要注意的是切斷力矩通常在出廠時就按要求設定為公稱值，考慮到力矩保護裝置對核電廠閥門使用安全的重要性，一般該力矩不可進行調整和重設。

4 結語及建議

通過理論計算與試驗相結合的方式，對N90核級電動執行機構力矩保護裝置的功能進行了充分的論證。本文對這種可應用于核電站閥門控制的新型的力矩保護裝置的研究，得到如下結果：

1）因核電站對抗輻照和抗地震環境的要求，采用機械式的力矩和行程保護裝置可實現在上述環境的安全應用。

2）本文研究的力矩保護裝置經過理論分析和試驗可實現力矩保護功能，是一種具有良好調節精度和調節方式的機械式力矩保護裝置，今后不僅可以在核級電動執行機構的設計中應用，也可推廣到適用于普通開關型的電動執行機構設計中。

3）用理論計算與樣機試驗結合的方法進行電動執行機構的設計，有利于新結構的快速成熟應用，能有效加快研發進度。