對(duì)高溫環(huán)境中電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究*

顧 萍，李 超，吳小龍，陶光海

(1.南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211102； 2.南京拓耘達(dá)智慧科技有限公司，江蘇 南京 211102；3.江蘇省熱工過(guò)程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211102)

0 引 言

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為閥門的一種驅(qū)動(dòng)裝置在高溫環(huán)境中使用時(shí)普遍會(huì)發(fā)生元器件快速老化甚損壞、密封件失效、電氣腔進(jìn)水和零件松動(dòng)、脫落等異常，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)很快就無(wú)法使用的問(wèn)題。為了從設(shè)計(jì)上解決這一問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了耐高溫系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證，滿足了最高環(huán)境溫度105 ℃下長(zhǎng)期使用性能和壽命要求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

高溫型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)包含兩大部分，一是終端控制單元的分體化設(shè)計(jì)，二是機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元的高溫化設(shè)計(jì)。

1.1 分體化設(shè)計(jì)

分體化設(shè)計(jì)就是將機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元與終端控制單元分離[1,4]，中間用電纜連接傳遞電源和信號(hào)，如圖1所示。機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元直接與閥門連接，包含機(jī)械殼體、電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)件、手自動(dòng)切換系統(tǒng)、閥位采集部件、外部接線端子、內(nèi)部轉(zhuǎn)接端子。終端控制單元在遠(yuǎn)離機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元的地方，與機(jī)械單元支架用兩根電纜連接，一根電纜傳遞電源、另一根傳遞信號(hào)，終端控制單元安裝在一個(gè)人機(jī)環(huán)境比較好的地方，便于人員操作和維護(hù)。控制單元包括電氣殼體、電氣結(jié)構(gòu)件、電源板、主控板、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊、操作面板等其他電子器件。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分體化控制系統(tǒng)

1.2 高溫化設(shè)計(jì)

機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元以及連接電纜的一部分完全處理高溫環(huán)境中，為了讓其能在高溫環(huán)境中滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能和性能，對(duì)電機(jī)、編碼器、外部接線端子、內(nèi)部轉(zhuǎn)接端子、密封件、塑料件、電線、電纜、電纜固定頭進(jìn)行了耐高溫設(shè)計(jì)，并分別進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30天的單元測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試，讓機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元滿足長(zhǎng)期在105 ℃下使用的要求，性能滿足GB/T26155[1]、DL/T 641-2015[2]的規(guī)定。

2 高溫電機(jī)設(shè)計(jì)

為了讓電機(jī)能長(zhǎng)期在105 ℃環(huán)境下使用不報(bào)警、不損壞，將電機(jī)的絕緣等級(jí)由F級(jí)升級(jí)為H級(jí)，將內(nèi)部的非金屬材料(例如漆包線、潤(rùn)滑脂等)全部更換為耐高溫材料，最高長(zhǎng)期耐溫165 ℃；對(duì)鐵芯做了加長(zhǎng)設(shè)計(jì)，提高了電機(jī)運(yùn)行效率從而降低溫升；將內(nèi)部溫度報(bào)警開關(guān)設(shè)計(jì)為165 ℃，即電機(jī)在105 ℃環(huán)境下保證在60 ℃溫升以內(nèi)不報(bào)警。

分別在環(huán)境溫度為25 ℃和105 ℃中，分別對(duì)4個(gè)型號(hào)的三相電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)[2-3]進(jìn)行了S2和S4工作制的溫升測(cè)試，結(jié)果如表1所列，105 ℃環(huán)境溫度下的電機(jī)溫升相對(duì)25 ℃環(huán)境溫度下的溫升均下降超過(guò)30%；按照105 ℃環(huán)境溫度下最大溫升為25.6 ℃可得電機(jī)最高溫度為130.6 ℃，而電機(jī)設(shè)計(jì)及溫度報(bào)警開關(guān)為165 ℃，設(shè)計(jì)安全余量為34.4 ℃。

表1 25℃和105℃環(huán)境溫度下的電機(jī)溫升對(duì)比

在環(huán)境溫度為105 ℃的試驗(yàn)箱中對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶載能力進(jìn)行了測(cè)試，在降壓10%的條件下均能滿足額定帶載啟動(dòng)；用DCS對(duì)高溫箱里帶載運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和運(yùn)行監(jiān)控，高溫電機(jī)按S4工作制運(yùn)行，從DCS上輸出的運(yùn)行曲線和輸入的信號(hào)曲線完全吻合，且無(wú)任何異常波動(dòng)，如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與反饋信號(hào)時(shí)序圖

3 對(duì)外接線端子的耐高溫設(shè)計(jì)

為了讓機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元的接線腔獨(dú)立，即在接線時(shí)因開蓋而不會(huì)導(dǎo)致水汽進(jìn)入電機(jī)或內(nèi)部轉(zhuǎn)接電控腔，將機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元的接線端子盤設(shè)計(jì)成密封的整體，即所有金屬端子鉗件與絕緣體之間滿足IP67密封。本文設(shè)計(jì)了兩種耐高溫密封接線端子，一種是注塑徑向密封端子盤、另一種是組合式端面密封端子盤，注塑徑向密封端子盤適合大批量產(chǎn)品采用，組合式端面密封端子盤適合小批量產(chǎn)品采用。

3.1 注塑徑向密封端子盤

注塑徑向密封端子盤由若干銅鉗件、O型圈和塑料組成，如圖3。鉗件上有3道V型溝槽，如圖4所示，在頭尾兩個(gè)V型溝槽上均套上O型圈，O型圈凸起比例為50%，O型圈材質(zhì)為氟橡膠，鉗件中間的V型槽用于注塑填充，使鉗件與塑料結(jié)合后軸向方向的限位更好；注塑材質(zhì)為PC，鉗件材質(zhì)為H62銅。對(duì)該端子盤進(jìn)行多樣本長(zhǎng)期性測(cè)試，在經(jīng)過(guò)30天的高低溫交變測(cè)試后，測(cè)試仍然滿足IP68防護(hù)等級(jí)。

圖3 注塑徑向密封端子盤結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 注塑徑向密封端子盤銅鉗件

3.2 組合式端面密封端子盤

組合式端面密封端子盤由絕緣盤體、銅螺柱、環(huán)氧樹脂、O型圈、組合螺釘和螺母組成，如圖5所示。銅螺柱采用H62銅材質(zhì)，組裝時(shí)將O型圈套到銅螺柱上，銅螺柱外螺紋擰入到絕緣盤體的內(nèi)螺紋上，O型圈被壓縮，壓縮率為30%，O型圈材質(zhì)為氟橡膠，絕緣盤體的材質(zhì)為聚四氟乙烯；當(dāng)絕緣盤體上的銅螺柱全部安裝好后，向絕緣盤體和銅螺柱之間的空間內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂膠，待12 h后膠干燥，銅螺柱和絕緣盤體即形成了一個(gè)牢固的整體，銅螺柱作為接線端子兩端接線分別采用組合螺釘和螺母，如圖6所示。

圖6 組合式端面密封端子盤實(shí)物圖

圖5 組合式端面密封端子盤結(jié)構(gòu)示意圖

該組合式端面密封端子盤所有材料設(shè)計(jì)均為耐溫不小于150 ℃，對(duì)該端子盤進(jìn)行了多樣本長(zhǎng)期性測(cè)試，在經(jīng)過(guò)30天的高低溫交變測(cè)試后，測(cè)試仍然滿足IP68防護(hù)等級(jí)。

4 關(guān)鍵零部件耐高溫設(shè)計(jì)

為了讓機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元能在高溫環(huán)境中精確地采集閥位信息，開發(fā)了耐高溫12位多圈絕對(duì)值編碼器，在可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行了多樣本長(zhǎng)期性測(cè)試，如圖7所示。溫度循環(huán)范圍為-25～+105℃，循環(huán)程式如圖8所示。

圖7 絕對(duì)值編碼器耐高溫測(cè)試

圖8 高低溫交變?cè)囼?yàn)環(huán)境溫度循環(huán)程式

高溫型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元包括3個(gè)相互密封隔離的內(nèi)腔：機(jī)械腔、電氣腔和接線腔。機(jī)械腔與外部用骨架和O型圈密封、機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元中用于防止漏油及外部水汽進(jìn)入的密封件包括O型密封圈、骨架油封和電纜固定頭，O型密封圈和骨架油封均采用氟橡膠材質(zhì)，電纜固定頭采用外殼為不銹鋼材質(zhì)、內(nèi)部密封圈為硅橡膠材質(zhì)，并在整機(jī)上進(jìn)行多樣本測(cè)試，在經(jīng)過(guò)30天長(zhǎng)期S4工作制運(yùn)行后再進(jìn)行防護(hù)等級(jí)測(cè)試，仍然滿足IP68防護(hù)等級(jí)。

連接機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元和終端控制單元的動(dòng)力線電纜與信號(hào)線電纜均選擇了耐高溫阻燃電纜，電纜的最高環(huán)境溫度均為130℃，信號(hào)線電纜在阻燃層和線芯之間還增加了電磁屏蔽層，如圖9所示，使得信號(hào)在最遠(yuǎn)50m的范圍內(nèi)傳輸不受干擾，最大效果的保證了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

圖9 耐高溫信號(hào)線電纜結(jié)構(gòu)示意圖

顯示窗、出線口堵頭以及內(nèi)部轉(zhuǎn)接端子均采用耐高溫塑料，顯示窗采用透明PC材質(zhì)、出線口堵頭采用PA66材質(zhì)，內(nèi)部轉(zhuǎn)接端子絕緣塑料采用PC材質(zhì)；并進(jìn)行了多樣本長(zhǎng)期性測(cè)試，在經(jīng)過(guò)30天的高低溫交變測(cè)試后仍然無(wú)任何異常。

5 終端控制單元分體式安裝設(shè)計(jì)

終端控制單元將被安裝在一個(gè)人機(jī)環(huán)境較好、人員觀察和操作均比較方便的地方[5-7]，距離機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元最遠(yuǎn)可達(dá)50 m。終端控制單元包含防護(hù)外殼、安裝支架、顯示面板、操作面板以及內(nèi)部電氣部件。其中，外殼防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP68；安裝支架的設(shè)計(jì)兼顧了現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境的所有可能，例如墻面安裝方式、水平管道安裝方式和豎直管道安裝方式，如圖10所示,顯示面板和操作面板簡(jiǎn)潔大方。

圖10 終端控制單元分體式安裝示意圖

6 結(jié) 語(yǔ)

高溫型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決了高溫環(huán)境下閥門的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，具有耐高溫、遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，其在105℃下使用的功能、性能及壽命均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；并且，在解決了耐高溫問(wèn)題的同時(shí)，同時(shí)也解決了人員觀察、操作和維護(hù)難的問(wèn)題，人機(jī)環(huán)境優(yōu)于一體式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。