長輸管道執行機構研制與應用

楊尊平，李 巧，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）

隨著國家智能制造的不斷推進，各行業的國產化工作正如火如荼的開展，油氣管道執行機構國產化已經取得了顯著成果[1]。由于國產化前油氣管線執行機構均使用進口品牌，其產品的多數功能和性能均優于原國產執行機構，所以本文從產品應用出發，重點介紹國產化電動執行機構關鍵性能指標的研制與實現。

1 油氣管線電動執行機構應用需求分析

油氣行業電動執行機構由于所處環境和管道介質為油、氣、各類烯烴有機物等，具有易燃易爆特性，給執行機構產品提出了更高的可靠性要求。油氣管道用電動執行機構及其所驅動的閥門有很多安裝在寒冷偏遠地區，如東北、新疆等地，社會依托條件較差，需適應高低溫環境。目前，國內應用低溫已達到-46℃左右，其設備要求自動化程度高，執行機構既要安全、可靠、連續運轉周期長，而且防爆等級要達到EXdⅡBT4及以上等級，在煉化裝置上要求達到EXdⅡCT4及以上等級，同時又要重量輕，易于運輸、安裝。主干管線口徑最大達到56"，壓力等級達Class900，所配套閥門電動執行機構最大控制轉矩不小于300kN.m，齒輪箱傳動效率須達到35%以上。維護和維修能實現遠程監控，具有豐富的運行數據管理功能，包括在線力矩實時顯示，同時支持運行數據下載功能。

2 油氣管道電動執行機構研制

2.1 執行機構耐低溫設計

電動執行機構要在低溫下穩定運行，首先要考慮低溫對機械傳動及機械強度的影響，其次要考慮對電氣控制部件及驅動電機的影響。由于產品為防爆型，還必須考慮低溫不會影響防爆性能；再者密封性能也要做專門考慮，避免防護失效。

1）減速機構耐低溫設計

在減速器的設計中，結合IP68防護等級的需求，考慮到低溫環境對材料力學性能的影響，針對材料進行低溫選型設計?？紤]到低溫環境下對密封、潤滑及軸承等零部件的影響，特對密封、潤滑及軸承進行了低溫處理。

減速器的材料選擇，主要解決材料低溫脆性問題，45#鋼材質全部改為性能更優的40Cr，蝸輪采用錫青銅材料，減速器殼體材料采用QT400-18AL耐低溫球墨鑄鐵[2]。減速器中的密封件包括O型圈和骨架密封圈，在材質的選擇上采用硅橡膠（MVQ）來替代傳統的丁腈橡膠[3]（NBR），滿足-50℃及更低環境溫度的要求。在潤滑油的選擇上采用了Mobil SHC 624，能適用于最低溫度-57℃的環境需求。

2）控制器耐低溫設計

電子元器件均采用工業級產品，它在低溫下電氣性能良好，對關鍵IC采用更高級別產品，阻容充分考慮溫度系數影響。采用了寬溫高亮的OLED顯示器，該顯示器無需背光，具有高亮、寬視角及顯示清晰等特點，方便工業現場操作與巡視?？紤]到-50℃以上極端低溫內的電氣穩定性，設計了熱風循環加熱模塊對電控部分迅速、均勻加熱。加熱模塊能量來自于主電源，采用自動溫控設計，當溫度低于-30℃時啟動電加熱模塊，當溫度超過+15℃時停止加熱。

3）電機耐低溫設計

考慮到電機在低溫下的高速旋轉，相對于常溫普通電機，除滿足執行機構的機械及電氣性能以外，特對電機軸承進行了低溫處理。電機軸承潤滑脂是影響電機低溫性能的因素之一，選擇適用于高低溫、長壽命的潤滑脂，能夠滿足環境溫度-50℃～200℃的使用需求。電機導線采用氟塑料高溫導線，對電機線進行了-50℃低溫彎曲試驗。電機軸材料采用42CrMo，并對電機軸進行了低溫下力學性能的測試，各項試驗均通過了-50℃測試。

4）低溫防爆設計

防爆設計嚴格按照GB3836標準執行，采用隔爆型外殼設計，并且經國家權威實驗室進行產品認證，防爆等級為EXdⅡCT4 GB，本文不再贅述。

2.2 高效率重載齒輪箱設計

2.2.1 傳動方案設計

高效重載齒輪箱的設計制造與驗證為國產化替代的重點。為實現高可靠性，在減速器的設計上采用行星傳動+蝸輪蝸桿傳動模式，如圖1所示。行星減速器作為電動頭的一級減速器，它的特點是：傳動比大，承載能力強，體積小，輸入與輸出同軸，造型美觀。蝸輪蝸桿副作為執行器最后一級減速輸出，充分滿足了閥門驅動機構自鎖性、位置直觀可視性、機械限位等要求。齒輪箱的材料選擇仍需滿足低溫要求，蝸桿材料選用42CrMo，蝸輪及箱體材料選用QT400-18AL球墨鑄鐵，表面采用物理氣相沉積工藝處理以提高其耐磨性[4]，滿足低速（＜0.07rpm）重載（＞300kN.m）的工況需要。為了滿足國產化需求，重載齒輪箱進行了系列化設計，力矩覆蓋400kN.m，分3種不同規格，均采用了同樣的傳動方案，僅是傳動參數有所不同。設計過程采用Solid works軟件進行建模和有限元分析，在進行軟件模擬驗證之后，利用大力矩加載試驗裝置進行了實物試驗驗證，保證了設計參數完全滿足設計要求。

圖1 傳動簡圖Fig.1 Transmission diagram

2.2.2 理論強度計算

1）蝸輪蝸桿受力分析

蝸桿受力分析[5]如圖2所示，蝸輪蝸桿傳動副共有3組分力，按照負載300kN.m計算，各自分力計算如下：

圖2 蝸桿受力圖Fig.2 Stress diagram of worm

其中，Ft1——蝸桿切向力；Fr1——蝸桿徑向力；Fx1——蝸桿軸向力；Ft2——蝸輪切向力；Fr2——蝸輪徑向力；Fx2——蝸輪軸向力。

2）蝸輪齒面接觸強度分析

① 平面包絡環面蝸桿傳動的齒面接觸強度計算公式[6]為：

其中，fN為最大齒間載荷分配系數公式[6]如下：

式（2）中，z2為蝸輪齒數，z2=55，經計算fN=0.67；Ft2蝸輪切向力，計算如上Ft2=719000N。

Zm=，m為模數，m=12.727；d1為蝸桿分度圓直徑，d1=147mm，經計算Zm=0.93；YZ為齒形系數，螺旋角 γ=5.194°，tanγ=0.08657，查取相關圖表得YZ=0.67 ；bm2為 平 均 齒 寬，bm2=0.45（d1+6m），mm， 經 計 算 得bm2=100.5；d2為蝸輪分度圓直徑，d2=693mm。

② 平面包絡環面蝸桿傳動的齒面接觸疲勞極限計算公式[6]為：

其中，K0——蝸輪與蝸桿的配對材料系數，查表得K0=11.76 ；fh——壽命系數，fh=3√12000/Lh。

齒輪箱90°開關時間為214s，壽命次數為開關1000次循環，按通斷率25% ，計算總的工作時間為1000×2×209×4 ≈ 500h。則fh=3√12000/Lh=2.88

圖3 蝸輪有限元分析Fig.3 Finite element analysis of worm gear

fn——速度系數，當轉速不變時，查表得fh=0.935；fw——壽命系數，當載荷平穩時，fw=1。

綜上所述：σH=11.1MPa≤σHlim=31.6MPa，蝸輪齒面接觸強度安全。

3）有限元應力分析

使用Solid works進行軟件有限元應力分析，分別經過實物建模、網格劃分、應力計算、應變計算等步驟。最大扭矩T=300kN.m施加于不完全蝸輪最末齒位置，經分析計算，最大應力小于200MPa，最大應變小于0.3mm。

靜態應力分析結果：滿足設計要求，峰值轉矩300kN.m。最后通過壽命試驗，通過了1100次的壽命試驗（大綱要求1000次）后，產品性能合格，間隙小于0.5°。

通過以上過程分析，研制的重載齒輪箱強度符合設計要求。

2.3 重載齒輪箱壽命試驗與驗證

針對本次電動執行機構國產化技術要求，仿真現場的實際運行工況，便于進行長期的變力矩周期性壽命測試，設計了400kN.m的液壓扭矩測試及壽命試驗裝置。同時，基于本公司電液執行機構的生產制造能力，使該裝置的設計制造順利完成并投入使用。

測試裝置原理基于雙齒輪齒條擺動油缸結構，電動執行機構輸出端和擺動油缸齒輪剛性連接，執行機構運行帶動齒輪90°往復轉動，齒條驅動油缸活塞直線往復運動，通過控壓實現模擬閥門負載特性的目的。壽命試驗裝置原理如圖4所示。

圖4 壽命試驗裝置原理Fig.4 Principle of life test device

裝置技術參數如下：

齒輪齒數：Z=44，模數：m=8，油缸直徑：Db=250 mm

負載力臂：Da=Z×m=44×8=352 mm

油缸推力：F=P×S= 49062×P

油缸內摩擦力：f≈0.3×49062×P ≈14719 N

圖5 工業性現場應用Fig.5 Industrial field application

液壓系統壓力：P（MPa）

負載扭矩 ：T=(F+f)×Da=F×Da+f×Da=17270×P+5180

液壓系統的穩定性和準確性對整個測試起著十分關鍵的作用，經過試驗研制的大轉矩液壓測試裝置滿足了測試要求。

3 油氣管道電動執行機構應用

3.1 主要技術參數實現

智能一體化執行機構產品完全滿足國產化技術條件，部分性能優于技術條件。滿足產品數據單中規定的最惡劣操作條件下的閥門運行要求，最大控制轉矩大于1.5倍公稱轉矩的安全系數。內部控制器的精度≤0.75%，執行機構和閥門配套后的整體精度≤0.85%。執行機構每次通電后開始自巡檢功能，確保設備可以正常工作。執行機構具有數據及事件記錄功能，所記錄各種參數及事件實現安全下載。OLED面板可實現自由調節，保證正視操作者，顯示與閥門、控制回路、執行機構本身的故障及報警。電動執行機構的防爆/防護等級達到ExdⅡCT4/IP68，大轉矩齒輪箱效率＞40%。

3.2 工業性試驗與應用

國產化電動執行機構通過樣機鑒定驗收以后，在西氣東輸二線、三線部分場站上進行了一年以上的工業現場試驗，設置完全的工業現場運行條件，包括并網運行、現場操作、定期巡檢，產品完全符合工業性應用要求。在主持方的推動下，國產化執行機構已經在油氣開采、輸儲、煉化等領域獲得了批量應用，得到了用戶的認可。

4 結束語

油氣管道電動執行機構的成功研制為油氣管道關鍵設備國產化提供了有力支撐，產品通過精密設計和材質優化，解決了電動執行機構在低溫下的可靠運行問題，采用行星+包絡型蝸輪副結構解決了低速重載減速器的效率和壽命問題，采用電液聯動技術為大力矩執行機構的測試和驗證提供了一種有效的試驗方案，油氣管道執行機構產品及技術值得向其他領域推廣。