超大口徑高壓閥門智能型電動執(zhí)行器的研發(fā)

曹永明，解小明，汪玉海

（1.特福隆（上海）科技有限公司，上海 201306；2.歐維克集團(tuán)有限公司，浙江溫州 325105）

0 引言

從仿制有觸點的執(zhí)行器開始，我國電動執(zhí)行器經(jīng)過30 多年發(fā)展，多數(shù)產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了智能化，技術(shù)相對成熟，國內(nèi)不少廠家具備一定規(guī)模的生產(chǎn)能力和研發(fā)能力。但國內(nèi)產(chǎn)品主要應(yīng)用于市政、電力、冶金等普通場所，在核電的核島、火電廠的關(guān)鍵閥門以及長輸油氣管道的大多數(shù)閥門電動執(zhí)行器還是依賴進(jìn)口。特別是在超大口徑高壓力的長輸管道干線閥門上，由于其大扭矩、快開關(guān)速度的特性要求，及使用環(huán)境和高可靠性的要求，目前基本上使用進(jìn)口產(chǎn)品，國內(nèi)市場被歐洲、美國等流體巨頭的執(zhí)行器產(chǎn)品壟斷。未來幾年將是我國油氣管道建設(shè)的高峰期，作為長輸油氣管道的關(guān)鍵設(shè)備——電動執(zhí)行器，必將得到大量運用[1-3]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

智能電動執(zhí)行器主要由電機、傳動機構(gòu)、力矩傳感器、閥位傳感器、電氣控制單元控、手輪操作機構(gòu)、手/電切換機構(gòu)、接線盒及聯(lián)軸器等組成（圖1）[4]。

圖1 電動執(zhí)行器基本結(jié)構(gòu)

1.1 力矩傳感器

力矩傳感器能夠可靠和精確地測量全行程每一點的作用力，是對閥門和執(zhí)行器提供保護(hù)的基礎(chǔ)。在驅(qū)動力矩作用下，通過安裝在傳感器內(nèi)的壓敏電阻將蝸桿軸向推力的反作用力轉(zhuǎn)換成電信號，最終測量到精確的驅(qū)動力矩，且不受電機頻率、電壓和溫度變化的影響。如在運行時力矩達(dá)到設(shè)定值，電機將被斷開，力矩開關(guān)可在額定力矩40%～100%范圍內(nèi)設(shè)定。另外，開閥的力矩開關(guān)可設(shè)定為“加強”，使電機產(chǎn)生的力矩超過額定力矩的1.4 倍，以操作“粘住”的閥門。

1.2 電機

采用F 級絕緣鼠籠式的三相異步電機，該電機具有高轉(zhuǎn)矩、低慣性的特性，符合閥門用電機的要求。在電機線圈內(nèi)裝有兩個熱動開關(guān)，直接感受電機線圈的溫度。如果電機線圈過熱，可將執(zhí)行器的控制電路斷開。而在ESD 緊急保護(hù)期間，溫度保護(hù)器可被超越。

1.3 接線盒

執(zhí)行器上其他電氣設(shè)備的電纜和外部供電均接至接線盒，接線盒采用雙密封設(shè)計，確保內(nèi)部元件受到保護(hù)。防水接線端子模塊將內(nèi)部電纜與接線端子箱隔離。

1.4 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器由聯(lián)軸套和連接法蘭等零件組成，執(zhí)行器扭矩的輸出通過與輸出軸相連的聯(lián)軸器來實現(xiàn)，法蘭接口按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

1.5 手輪操作機構(gòu)

手輪操作機構(gòu)可在電源中斷時手動操作閥門，緊急情況時在電動操作期間按下并按住手柄，可使電動驅(qū)動緊急脫開。手輪操作機構(gòu)具有錘擊作用，可以省力，尤其在閥門卡死時能夠通過錘擊作用較快地打開閥門。對于大力矩的閥門，執(zhí)行器可以選用行星齒輪機構(gòu)或蝸輪蝸桿機構(gòu)手輪，以降低操作力。

1.6 閥位傳感器

閥位傳感器采用先進(jìn)的24 位光電絕對編碼器，指示和反饋閥門全開位置、閥門全關(guān)位置。該編碼器用光電編碼盤記錄閥位，無需備用電池，在斷電時仍可準(zhǔn)確記錄閥位。

1.7 電氣控制單元

電氣控制單元由電源分配電路、比較電路、邏輯及保護(hù)電路、放大電路等組件構(gòu)成。能夠接收遠(yuǎn)方信號：4～20 mA 模擬量輸入，無源干接點開關(guān)量輸入。能向遠(yuǎn)方提供雙向行程接點、雙向轉(zhuǎn)矩接點及電源丟失、齒輪卡澀等故障信號（無源接點）。對于調(diào)節(jié)型執(zhí)行器，可提供4～20 mA 位置反饋信號。失信號時，可根據(jù)用戶要求組態(tài)選擇停在原位或驅(qū)動閥門至全開，并具有供報警用的輸出接點。

1.8 手/電動切換機構(gòu)

當(dāng)壓下手動/電動切換機構(gòu)手柄使其處于手動位置，轉(zhuǎn)動手輪使離合器掛上，此時松開手柄，手柄將自動回到原位，手輪將保持驅(qū)動，直到執(zhí)行器被電動操作，手輪會自行脫開回到電動模式。如果需要，可用掛鎖將離合器鎖定。

1.9 傳動機構(gòu)

采用蝸輪蝸桿作為主傳動，蝸桿與電機轉(zhuǎn)子做成一體，蝸輪與輸出軸通過離合器連接，其中電機軸與蝸桿可以快速組裝更換。蝸輪、蝸桿采用浸油潤滑，可以更好的適應(yīng)環(huán)境溫差變化。

2 工作原理

2.1 機械部分

當(dāng)電動操作時，在電氣控制單元的作用下控制電機轉(zhuǎn)動，通過蝸桿和蝸輪傳動，使輸出軸產(chǎn)生相應(yīng)大小的扭矩，以帶動閥門動作。

當(dāng)手動操作時，在手/電動切換機構(gòu)作用下控制蝸輪與手輪之間的離合。當(dāng)壓下手柄時，蝸輪與手輪通過離合器連接，通過手輪可以操作執(zhí)行器，此時松開手柄，手柄將自動回到原位，手輪將保持驅(qū)動，直到執(zhí)行器被電動操作，手輪會自行脫開回到電動模式。

2.2 電氣部分

電動執(zhí)行器電氣原理如圖2 所示，由控制主板、電機、閥位傳感器、壓力傳感器和絕對編碼器等組成一個帶反饋的控制系統(tǒng)。執(zhí)行器接收到控制指令后，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的開關(guān)。

圖2 電動執(zhí)行器電氣原理

3 技術(shù)參數(shù)

輸出力矩：320 000 N·m（56″900LB 球閥開啟力矩為209 376 N·m）；開關(guān)時間：231 s；控制信號：開關(guān)控制；全行程精度：≤0.5%；扭矩控制精度：≤5%；溫度范圍：-46～70 ℃；防護(hù)等級：IP66/IP68；防爆等級：Ex dbⅡC T4 Gb；電壓：380 V±10%，允計短時間壓降-15%；頻率：50 Hz±5%；SIL2 安全完整性等級認(rèn)證。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 傳動效率

執(zhí)行器傳動機構(gòu)采用蝸輪蝸桿作為主要傳動型式，其傳動效率在整個執(zhí)行器的效率中起著主導(dǎo)作用。為提高蝸輪、蝸桿的傳動效率，蝸桿采用齒面淬硬并經(jīng)磨削的合金鋼蝸桿與鑄造鋁青銅蝸輪嚙合，同時經(jīng)過專有嚙合檢測修正技術(shù)，并對一級傳動采用浸油潤滑，機械傳動效率達(dá)到32%。

4.2 控制系統(tǒng)可靠性

（1）電子部分采用高可靠性32 位ARM 處理器。在電路中加入多級抗浪涌裝置，使其更好適應(yīng)工業(yè)電源的復(fù)雜環(huán)境。按IEC標(biāo)準(zhǔn)對電路進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計，將系統(tǒng)失效概率降到最低。輸入輸出數(shù)字接口和模擬量接口電路使用光電和磁電隔離技術(shù)，大大降低外界干擾對產(chǎn)品的影響。

（2）采用國際先進(jìn)的設(shè)計軟件進(jìn)行電子電路設(shè)計，對電子電路進(jìn)行仿真模擬。PCB 板設(shè)計完成后通過EMC 驗證，并根據(jù)分析結(jié)果迭代優(yōu)化PCB 板。軟件設(shè)計遵循MISRA—C2004 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，減小軟件系統(tǒng)失效的概率。采用魯棒性設(shè)計方法，提升軟件的可靠性。通過黑盒、白盒測試方法對軟件邏輯進(jìn)行完善。

（3）線路板的生產(chǎn)采用國際先進(jìn)的高速貼片機，波峰焊、回流焊技術(shù)，保證元器件焊接的可靠性。引進(jìn)先進(jìn)的AOI（自動光學(xué)檢測）設(shè)備，通過電腦自動檢查電路板的焊接效果，使成品電路板虛焊、漏焊、錯焊的概率降到最低。成品電路板在測試完成后均需經(jīng)過70 ℃，24 h 的熱老化處理來考驗電子元器件的穩(wěn)定性。

4.3 控制精度

閥位傳感器采用先進(jìn)的24 位光電絕對編碼器提升定位精度。控制芯片采用高速CPU，以縮短信號處理時間。控制電路采用新型電力電子器件替代傳統(tǒng)的電磁繼電器，提升響應(yīng)速度。

4.4 大力矩減速箱

配套設(shè)計了系列化的齒輪減速箱，可以組成多種傳動比、轉(zhuǎn)速、力矩的配置，滿足各種不同種類和規(guī)格的閥門選取合適的電動執(zhí)行器型號，確保力矩不能太大對閥門造成損害，同時兼顧全行程啟閉時間滿足閥門的控制要求，執(zhí)行器和大傳動比的減速箱配套組合，可以對執(zhí)行器輸出力矩進(jìn)行放大，其結(jié)合力矩輸出可達(dá)到320 000 N·m。

5 結(jié)語

超大口徑高壓閥門智能型電動執(zhí)行器是當(dāng)今全球超大口徑高壓長輸管線全焊接球閥和站場球閥使用的重要驅(qū)動機構(gòu)。設(shè)計的電動執(zhí)行器是中石油重大科技專項“油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化”關(guān)鍵設(shè)備之一，是流程工業(yè)大量應(yīng)用的一種機電一體化產(chǎn)品，自動化程度高，安全性好，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品具有輸出力矩大、可靠性高、測量控制技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)功能完善等優(yōu)勢，填補了國內(nèi)空白。該產(chǎn)品已大量應(yīng)用多個國家重點工程，如西氣東輸中靖線工程、陜京四線輸氣管道工程、慶三慶四、中俄原油、勝利油田原油庫，和我國目前為止口徑最大、壓力最高、輸氣量最大的中俄東線管道項目，運行穩(wěn)定，有力保障了重大工程建設(shè)。