低溫防爆閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究

李 巧，向?qū)W院，余 亞

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

0 引言

防爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的產(chǎn)品類型，隨著該產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化推廣，產(chǎn)品性能和可靠性已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，打破了進(jìn)口壟斷局面。近些年油氣長(zhǎng)輸管線在極寒領(lǐng)域的深入擴(kuò)展，提出了低溫防爆的新課題。執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要在-50℃的極限低溫環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行，產(chǎn)品既要保證基本防爆性能完好性，又要確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定性，這對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)提出了新要求。本文細(xì)致分析了低溫防爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并按此思路設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品取得了成功應(yīng)用，具備較大推廣價(jià)值。

1 閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)一系列的減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多回轉(zhuǎn)（Multi-Turn）、部分回轉(zhuǎn)（Part-Turn）或者直線運(yùn)動(dòng)（Linear），最終驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作的機(jī)電一體化裝置。其主要包括：電機(jī)、減速部件、手動(dòng)離合部分、控制部分。

電機(jī)通常是采用220VC單相交流電機(jī)、380VAC三相交流電機(jī)或者24VDC直流電機(jī)，電機(jī)通常都具備較強(qiáng)的防堵轉(zhuǎn)特性，啟動(dòng)力矩和堵轉(zhuǎn)力矩可達(dá)到額定扭矩的3～5倍以上。針對(duì)開關(guān)型產(chǎn)品，配套閥門只需要做開閥或關(guān)閥動(dòng)作，而且動(dòng)作頻率通常不高。因此，電機(jī)工作制通常為S2工作制，電機(jī)瞬時(shí)最大扭矩和閥門的啟閉負(fù)載功率特性匹配，極大降低了設(shè)計(jì)功耗。針對(duì)調(diào)節(jié)型產(chǎn)品，配套閥門需要在全行程范圍內(nèi)隨動(dòng)調(diào)節(jié)，動(dòng)作頻率比開關(guān)型產(chǎn)品高，電機(jī)工作制一般匹配S1或S9，通常以電機(jī)額定扭矩來(lái)匹配閥門全壓差開啟扭矩，以達(dá)到頻繁動(dòng)作溫升可控的目的。

減速部件分為齒輪箱和推力減速器。齒輪箱通常為平行軸齒輪、行星傳動(dòng)、阿基米德或二次包絡(luò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]，齒輪箱通常呈扁平化布局，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備相對(duì)的機(jī)械自鎖功能。推力減速器通常采用梯形絲桿或行星絲桿結(jié)構(gòu)，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，輸出零件既可以是絲桿，也可以是螺母，最終將多回轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的推力。

手動(dòng)離合部分是滿足產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的功能，主要包含手輪和離合機(jī)構(gòu)，當(dāng)需要手動(dòng)操作時(shí)，工人需先切換離合裝置，然后手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作。

控制部分是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦，包含了人機(jī)界面、CPU板、控制板、信號(hào)板、數(shù)字通訊板、位置傳感器、力傳感器、接線盤等，而這些裝置通常采用層疊化布局設(shè)計(jì)，安裝在一個(gè)防爆外殼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)閥門的智能控制。

2 低溫防爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

目前而言，應(yīng)用于普通場(chǎng)合的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能已經(jīng)十分成熟，但能直接應(yīng)用于低溫防爆場(chǎng)合的產(chǎn)品，則基本沒(méi)有。總體來(lái)說(shuō)，低溫環(huán)境對(duì)于防爆執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來(lái)的考驗(yàn)主要包括產(chǎn)品使用性能和產(chǎn)品防爆性能兩方面的影響[2]。

2.1 低溫環(huán)境對(duì)產(chǎn)品使用性能的影響

2.1.1 低溫對(duì)電機(jī)性能的影響

電機(jī)本身屬于一種耗能的裝置，其在低溫環(huán)境下工作，其自身的發(fā)熱會(huì)對(duì)溫度起一定的補(bǔ)償作用。因此，很多人認(rèn)為低溫環(huán)境對(duì)電機(jī)的影響較小。然而，很多事實(shí)說(shuō)明，電機(jī)在低溫環(huán)境下的性能與常溫下是不一樣的。

低溫情況下，電機(jī)內(nèi)部的潤(rùn)滑脂的黏度增大，甚至潤(rùn)滑脂凍結(jié)，引起電機(jī)的靜態(tài)阻力矩增大，容易導(dǎo)致小功率或啟動(dòng)力矩小的電機(jī)在低溫環(huán)境下無(wú)法啟動(dòng)。因此，低溫環(huán)境電機(jī)必須對(duì)電機(jī)內(nèi)部的潤(rùn)滑脂做低溫要求。

低溫情況下，對(duì)電機(jī)內(nèi)部的絕緣材料易出現(xiàn)裂開的現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)的絕緣性能下降。因此，低溫環(huán)境下使用的電機(jī)，需對(duì)電機(jī)內(nèi)部使用的絕緣材料做低溫抗裂性要求。

表1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要材料低溫性分析Table 1 Low temperature analysis of main materials of electric actuator

2.1.2 低溫對(duì)減速機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的影響

金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)表明，在低溫情況下，材料內(nèi)部原子結(jié)合得較緊密，原子間彈性變差。從宏觀上看，就體現(xiàn)在材料吸收的外部能量的能力降低而呈現(xiàn)出脆性[4]，當(dāng)材料受到外部沖擊，容易導(dǎo)致脆斷現(xiàn)象。結(jié)合電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工況特點(diǎn)，閥門啟閉瞬間，產(chǎn)品輸出扭矩會(huì)突然增大，產(chǎn)品的減速機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)沖擊，內(nèi)部齒輪、蝸桿、蝸輪的傳動(dòng)齒會(huì)受到懸臂負(fù)載沖擊導(dǎo)致斷齒，傳動(dòng)軸受到?jīng)_擊阻力矩導(dǎo)致斷軸，箱體受到附加的線性沖擊負(fù)載導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。

進(jìn)一步地，深入整理產(chǎn)品內(nèi)部常用材料的低溫特性，得到如下結(jié)果見表1。

材質(zhì)低溫性分析結(jié)論：

1）QT500-7不滿足-50℃低溫環(huán)境，推薦使用QT400-18AL替代[5]。

2）45#不滿足-50℃低溫環(huán)境，推薦使用40Cr替代。

3）青銅屬于非冷脆材料，低溫不脆變，可滿足-50℃環(huán)境要求。

4）不銹鋼304屬于非冷脆材料，低溫不脆變，可滿足-50℃環(huán)境要求。

2.1.3 低溫對(duì)控制系統(tǒng)的影響

低溫對(duì)控制系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)中電子元器件的影響。絕大多數(shù)電子元器件都有一個(gè)適用溫度范圍，一旦超出此范圍，其性能就會(huì)降低，甚至失效。目前，一般民用級(jí)溫度范圍為：0℃~70℃，工業(yè)級(jí)為：-40℃~70℃，軍用級(jí)為：-55℃~128℃。

電器元件的低溫失效形式包含以下幾個(gè)方面：①電氣性能發(fā)生變化，導(dǎo)致使用故障；②封裝材料脆化龜裂，影響性能；③支撐材料發(fā)生收縮，機(jī)械結(jié)構(gòu)改變。

在溫度的變化中，溫度對(duì)半導(dǎo)體電子元器件影響應(yīng)是較為顯著的。目前，一個(gè)芯片內(nèi)部集成了數(shù)百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)個(gè)晶體管以及其他元器件，其內(nèi)部集成元件的極小偏差就可能導(dǎo)致整個(gè)半導(dǎo)體的特性發(fā)生極大的變化。如低溫下，半導(dǎo)體內(nèi)部元件發(fā)生皸裂；溫度過(guò)低，導(dǎo)致內(nèi)部半導(dǎo)體在額定電壓下無(wú)法開關(guān)，均能導(dǎo)致半導(dǎo)體失效，無(wú)法正常工作。

-50℃的應(yīng)用，雖然軍用級(jí)的電子元器件均能滿足使用要求，但是相對(duì)工業(yè)級(jí)電子元器件來(lái)說(shuō)，軍用級(jí)器件的價(jià)格增幅是一般工業(yè)產(chǎn)品不易接受的。因此，針對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在-50℃低溫環(huán)境下的使用，目前主要采用工業(yè)級(jí)元器件構(gòu)成的控制系統(tǒng)，配套加熱器的方式適應(yīng)極低溫度環(huán)境。

2.1.4 低溫對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

潤(rùn)滑性能的失效根源于潤(rùn)滑油粘度的變化。由于潤(rùn)滑油的粘度和溫度變化的指數(shù)關(guān)系，溫度越低，液體的粘度增加越快。當(dāng)溫度降低至分子熱運(yùn)動(dòng)十分微弱時(shí)，液體從宏觀上表現(xiàn)出不能流動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)所有傳動(dòng)部件效率大幅度降低甚至出現(xiàn)卡死狀態(tài)，不僅沒(méi)有潤(rùn)滑性能，還將阻礙執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。因此，低溫對(duì)潤(rùn)滑的考驗(yàn)是特別嚴(yán)峻的。

2.1.5 低溫對(duì)軸承性能的影響

溫度會(huì)直接影響軸承疲勞壽命[6]，在低溫環(huán)境中，軸承的材料、自帶潤(rùn)滑脂，配合間隙需要滿足低溫使用要求。①溫度降低后，軸承內(nèi)外圈、保持架、滾動(dòng)體之間的配合間隙會(huì)發(fā)生變化，震動(dòng)和噪音會(huì)增大，軸承磨損加劇；②滾動(dòng)體的潤(rùn)滑油脂性能下降或流失，將使軸承性能惡化，軸承壽命明顯縮短；③軸承材料需滿足低溫要求，只能選用非冷脆性材料，防止低溫受力脆裂。

2.1.6 低溫對(duì)密封結(jié)構(gòu)的影響

低溫環(huán)境下密封材料的選擇及變形率的設(shè)計(jì)十分重要。目前，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常用的密封材料為丁晴橡膠，在-30℃以下它的彈性和壓縮永久變形率會(huì)發(fā)生改變，長(zhǎng)期低溫環(huán)境中,其會(huì)發(fā)生脆化，甚至玻璃化，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部密封失效發(fā)生泄漏。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，在-50℃低溫環(huán)境中，采用氫化丁晴橡膠具備較好的適應(yīng)性。

2.2 低溫環(huán)境對(duì)產(chǎn)品防爆性能的影響

國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)GB3836.2中明確規(guī)定，隔爆等級(jí)Exd ⅡCT4要求中，凡采用止口接合面，且隔爆容積v＞2000cm3的情況，其接合面最小寬度和最大間隙需要分別達(dá)到25mm和0.15mm，或40mm和0.20mm。由此可見在低溫情況下，保證隔爆間隙不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大間隙值，是保證產(chǎn)品隔爆性能的基本要求。

由于溫度變化，金屬零件會(huì)出現(xiàn)的熱脹冷縮現(xiàn)象，其變化能力以熱膨脹系數(shù)表示。熱膨脹系數(shù)可簡(jiǎn)化定義為：?jiǎn)挝粶囟雀淖兿拢L(zhǎng)度的增加量與原長(zhǎng)度的比值。

具體計(jì)算公式如下：

式（1）中：

L0——初始長(zhǎng)度。

ΔT——溫度變化量（對(duì)比溫度為20℃）。

α——線膨脹系數(shù)。

Lt——t溫度下的長(zhǎng)度值。

基于此，組成防爆結(jié)合面的兩個(gè)零件最好采用相同材質(zhì)，線膨脹系數(shù)一致，使防爆結(jié)合面在低溫情況下，隔爆間隙不會(huì)被放大，從而導(dǎo)致隔爆失效。

3 低溫防爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 材質(zhì)的強(qiáng)度脆性要求

低溫用鋼按化學(xué)成分不同分為3類：低合金鐵素體鋼、中合金鋼及高合金奧氏體鋼。寒冷地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)材料通常采用低合金鐵素體鋼[3]。碳、磷、氧等雜質(zhì)元素會(huì)引起冷脆性的加劇，因此低溫鋼冶煉必須控制雜質(zhì)含量。而加入定量的硅、鎳、錳等元素可以改善低溫性能，它們使晶粒變細(xì)，降低臨界脆性溫度。此外全鐵素體的球鐵，也可以使用在較低溫的場(chǎng)合。

3.2 防爆零件材質(zhì)的冷縮特性要求

由于各種材料的熱膨脹系數(shù)不一致，在低溫時(shí)極易出現(xiàn)間隙變大的情況而影響防爆性能的情況。因此，具有防爆配合的兩個(gè)零件必須選用同樣材質(zhì)，或者線膨脹系數(shù)相近的材質(zhì)。

3.3 潤(rùn)滑密封要求

傳動(dòng)部件的潤(rùn)滑油脂必須選用低溫產(chǎn)品，必須保證在低溫環(huán)境下不能凍結(jié)。在密封環(huán)節(jié)，必須選用耐低溫的橡膠材質(zhì)。在低溫下既不能硬度過(guò)大，失去彈性密封作用，也不能在低溫下過(guò)快老化。

3.4 電氣系統(tǒng)要求

低溫對(duì)電氣控制是致命的，要求所有電子元器件都能適應(yīng)低溫環(huán)境是不科學(xué)的設(shè)計(jì)。目前，唯一能有效及低成本解決的辦法是設(shè)計(jì)與之配套的加熱系統(tǒng)，在控制板和電機(jī)內(nèi)部可以設(shè)計(jì)一個(gè)溫控的風(fēng)熱式加熱器，保證局部適合溫度環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

低溫防爆環(huán)境是對(duì)防爆電裝產(chǎn)品嚴(yán)酷的考驗(yàn)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏漏將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的失效。但基于以上原則設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品，既保證了電氣系統(tǒng)在低溫下能正常運(yùn)行，又滿足了低溫下傳動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度和韌性要求，極限溫度時(shí)的隔爆間隙和隔爆強(qiáng)度仍然符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是人類目前科學(xué)技術(shù)水平下，設(shè)計(jì)低溫防爆電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最為有效的方法。