抽汽碟閥電液雙作用執行器設計

王永佳

（沈陽東北電力調節技術有限公司，遼寧 沈陽 110179）

0 引言

抽汽碟閥電液雙作用執行器，除了具備常規電液雙作用執行器體積小、相應速度快、控制精度高的特點外，還具備扭矩大與快速關閉的特點[2]。抽汽碟閥電液雙作用執行器正逐步替代傳統的機械式油動控制機構，成為石油管道、氣體管道及電廠汽輪機調節系統[5]油動機改造的重要設備。近年來許多研究者對執行裝置——REXA執行器（美國REXA公司生產的智能型機、電、液一體化執行器）的應用進行了研究[4，8]，但均作為單作用執行器應用。

隨著管道系統與汽輪機系統對智能化要求的不斷提高，研究雙作用執行器系統對實現智能化、精細化與節能化控制具有重要意義。同時，該系統的設計也為后續采用雙作用執行器調節控制系統的設計提供了經驗數據，為高效快速推進雙作用執行器智能化與精細化控制應用提供技術支撐。

1 原理及動作說明

1.1 原理

抽汽碟閥雙作用電液執行器的原理圖如圖1所示。

雙點劃線右側為外供EH油源部分原理，主要用于給執行器提供壓力油、保護油、有壓回油及無壓回油接口。為提高機組自動化水平，提高系統的抗污染能力，進一步簡化系統結構，而采用REXA執行器與撥叉機構配合調節的方式。

外部油源部分為用戶EH系統提供管路，其配套電磁閥、安全閥及蓄能器等元件均基于現場系統參數要求由用戶匹配。為了保持系統壓力，壓力油P管路設置2個25L蓄能器，每個蓄能器匹配穩壓系統一套（穩壓系統主要由安全閥閥、溢流閥構成組合回路，當蓄能器充壓壓力超過設定壓力時，壓力油通過系統回油T管路溢流，返回油箱），保障蓄能器壓力穩定。壓力油P進入蓄能器前，油路設置2個電磁閥（一用一備）并聯于壓力油P管路。當需要系統快速動作時，電磁閥得電動作，蓄能器內液壓油通過壓力油P管路進入控制滑閥并最終進入撥叉執行器機構油缸，實現撥叉執行器快速動作。

雙點劃線左側則為執行器內部液壓原理圖，由REXA執行器[7]、撥叉執行機構（含單作用油缸）、控制滑閥、反饋杠桿、OPC電磁閥、配套電氣控制箱以及各附件間連接的不銹鋼管及對應的管接頭組成。不僅具備正常調節閥門開度的功能，還具備快速關閉功能。

當撥叉執行器動作時，控制系統給予REXA執行器指令，REXA執行器調整其油缸活塞桿伸出長度，此時控制滑閥閥芯位置變化，壓力油P通過控制滑閥進入撥叉執行器機構油缸，撥叉執行器機構開始動作，同時通過杠桿組件機構施加與控制滑閥閥芯運動方向相反的作用力，隨后控制滑閥閥芯恢復至初始位置，壓力油P被控制滑閥截斷，撥叉執行器完成動作[3]。

1.2 執行器動作說明

1.2.1 閥門正常開關

在控制箱未接收到快速關閉指令時，執行器可接受并響應4mA～20mA調節指令信號，當指令增加時，控制滑閥的閥芯向上移動，壓力油進入油缸無桿腔，驅動撥叉執行機構帶動閥門開啟，同時杠桿機構又使閥芯往下移動，當閥芯正好回到中位時，油缸及閥門就不再動作。反之，當指令減少時，閥芯往下移動，閥門開始關閉，同時杠桿機構又使閥芯往上移動，當閥芯又回到中位時閥門就保持當前位置不再繼續關閉。當無指令變化時，閥門也保持當前位置不變。

為了提供閥門位置信息，使用了一個由薄膜式電位計組成的反饋組件單元，該電位計與輸出軸直接機械連接，沖擊負荷和振動對讀數沒有影響，它實時給電控箱反饋閥位信號，以保證閥門開度滿足調節指令要求。

如果在運行過程中因為油缸內泄漏造成閥門位置漂移，則在反饋杠桿的作用下又使滑閥閥芯做相反方向的移動，壓力油進入油缸的對應腔，驅動撥叉及閥門動作，使閥門漂移的位置自動糾回。

1.2.2 快速關閉

當執行機構接收到快速關閉指令信號后，電氣控制箱使OPC電磁閥失電，插裝閥上腔的控制油與回油接通，插裝閥開啟，控制滑閥下的壓力油迅速卸掉，控制滑閥閥芯快速下移，壓力油迅速進入油缸有桿腔，驅動撥叉和閥門快速關閉。另外，在快速關閉指令給出的同時，OPC油壓也開始跌落，這樣即使電磁閥仍帶電，插裝閥也會開啟，從而導致閥門關閉。

1.3 電氣原理

執行器有3種運行方式，即自動（遠控）模式、就地模式和設定模式。當電源接通時，執行器處在上述3種運行模式之一。執行器斷電后，當再恢復電源時，執行器會維持上一次的運行模式。當執行器處在自動模式時，它會根據控制信號，通過自動調節到達目標位置。當執行器處在現場模式時，可以通過手動方式來調節執行器位置。當執行器處在設定模式時，可以對執行器進行校準，同時可設置其運行參數。這3種方式的切換可通過同時按下并釋放位置處理器3個按鍵中的2個來實現，當請求改變工作模式時，執行器會自動響應，并顯示所需的運行模式。

設定模式：當執行器處在設定模式時，用戶可以根據自己的需要對執行器進行參數設置，包括密碼、速度、加速度、全開位置、全關位置、死區、無擾動切換、故障安全模式、信號類型、高信號和低信號。此時執行器處在離線狀態，不會響應控制信號，用戶可通過3個按鍵來控制執行器，也可通過手輪來驅動執行器。

就地模式：當執行器進入現場模式后，位置處理控制器上的顯示屏顯示其當前位置。現場模式提供下列3種功能：手動操作，可通過3個按鍵來控制執行器，也可通過手輪來驅動執行器；查看當前實時控制信號；查找最后一次錯誤代碼，為快速檢查故障原因提供參考。在就地模式下，執行器同樣處在離線狀態，不會響應控制信號。

自動模式：處在自動模式時，執行器會自動響應4mA～20mA控制信號。控制信號被采集進控制單元，并轉換成執行器的目標位置，如果它與當前位置的偏差超過死區設定值時，執行器就會以預先設定的速度達到目標位置。

2 主要參數和功能特點

主要參數和功能特點如下。1）采用EH系統高壓抗燃油的壓力油作為動力源；2）執行機構在給定開關量信號（快速關閉）時，實施閥門的快速關閉動作，快速關閉時間小于0.5s；3）設有執行機構故障報警輸出信號，以便在上位機畫面上監視執行機構工作狀態；4）設有4mA～20mA執行機構位置輸出信號，閥位信號送給主控室；5）調節控制時間，全行程時間（90°）≤20s；6）快速關閉信號為無源接點信號，且具有最高的優先級；7）動力電源：AC220V/4A；8）額定工作扭矩：22000N·m；9）執行器能夠實現較高精度的調節，調節精度1%；10）對工作介質的清潔度要求不高，NAS1638-9級即可；11）具備OPC自動關閉功能，當OPC電磁閥動作時，閥門自動快速關閉；12）執行機構故障時，閥門原位保持。

3 參數計算及主要結構設計

3.1 參數計算

3.1.1 油缸缸徑、蓄能器容積及油管路通徑計算

該執行器配套閥門為碟閥，其額定出力達到22000N·m。由于碟閥要求的出力是在全開和全關位置時最大，在中間運行狀態要求的出力非常小，其力矩特性與撥叉的出力特性非常匹配，因此以下所有的計算均基于選用撥叉機構作為驅動閥門裝置而進行。參考以往的設計選取撥叉最小的力臂為143.5mm，再根據要求的力矩可計算得到油缸的缸徑為110mm，按此缸徑和動作行程算得的蓄能器容量為49.40L，現場須配套2個25L蓄能器。再根據容積和動作時間計算出最大流量，從而計算得到的油管路尺寸為回油管為φ50mm×4mm（外徑×壁厚），進油管為φ33mm×4.5mm（外徑×壁厚）。

3.1.2 控制滑閥及快動電磁閥選型計算

根據上面得到的最大流量可計算出控制滑閥的閥芯直徑為30mm，再根據滑閥參數計算出需要的最大電磁閥流量，從而選用DN10電磁閥。

3.2 主要結構設計

主要結構設計包括控制滑閥結構的設計、油缸設計、撥叉機構設計、反饋杠桿型線設計和閥門反饋裝置設計。

3.2.1 控制滑閥結構設計

控制滑閥結構設計是該項目的關鍵之一，除了要實現前面所說的原理外，還得盡量減少內泄漏以維持EH油系統壓力，另外考慮與其他部件如何有機地形成一個整體，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 控制滑閥結構示意圖

滑閥套筒和殼體之間選擇O型圈密封，按照標準進行了結構設計。滑閥的直徑選擇了30mm，與套筒之間的間隙選擇了0.008mm～0.012mm；閥芯和套筒材質均采用38CrMoAlA，表面氮化處理。滑閥閥芯偏離中間位置，向上最大行程1.5mm；向下最大行程17mm。滑閥殼體上有3個油口，尺寸分別按前面計算尺寸，接頭間采用O型圈密封，接頭與滑閥殼體之間也采用O型圈密封。滑閥上下蓋板與殼體均采用O型圈密封，上下板還預留聯接螺紋，分別與杠桿、試驗底板連接。滑閥下蓋板與OPC電磁閥塊連接到一起。

3.2.2 油缸的設計

油缸的設計除了要按前面所說的缸徑進行設計外，還需考慮密封結構、緩沖裝置[10]和總行程的設計[1]，同時也需要考慮與撥叉機構的連接方式。其結構示意圖如圖3。

圖3 油缸結構示意圖

3.2.3 撥叉機構的設計

撥叉機構是實現執行器出力的最重要的環節，既要考慮如何與油缸有機地連接起來還得考慮如何與杠桿機構形成負反饋，同時在撥叉機構設計時還要考慮其結構強度、加工工藝性及自身潤滑問題，此外執行器的限位調節裝置也是在撥叉箱體上實現的。撥叉機構示意圖如圖4所示。

圖4 撥叉機構內部示意圖

3.2.4 杠桿機構的設計

杠桿機構的設計實際上就是考慮如何設計杠桿型線使整個執行機構成線性調節，通過計算最終確定杠桿型線由五段直線擬合而成。杠桿型線示意圖如圖5所示。

圖5 杠桿型線示意圖

3.2.5 閥門反饋裝置的設計

反饋裝置除了要真實地反映閥門實際位置外，還要考慮執行器一般都使用在高溫環境溫度的特殊工況，選擇的元器件需要耐高溫，此外還需要在反饋裝置外部設置機械刻度以顯示當前實際開度。

3.3 執行器外形示意圖

為了保證該執行器使用后不會出現緊固件松動導致漏油或者執行器動作不正常，在執行器的結構設計時還在關鍵地方選用了高品質防松墊圈——鬧得牢墊圈；同時為了確保杠桿反饋機構可靠，在各連桿固定銷的配合間隙方面也做了一番考慮，最終設計出來的執行器如圖6所示。

圖6 執行器外形示意圖

4 試驗總結

抽汽碟閥雙作用電液執行器自身不帶油源，因此須利用檢修試驗臺JXSXT-100的油源部分并配備適當的管路和球閥，對模擬最終現場使用的原理進行試驗，試驗臺油源與執行器（實際就是與控制滑閥相連）連接示意圖如圖7所示。

圖7 試驗臺油源與執行器連接示意圖

重點進行了靜態性能試驗、執行器全開及全關試驗并進行了快速關閉試驗。執行器的定位精度小于全行程的1%。執行器從全開到全關的動作時間為9.6s。執行器從全關到全開的動作時間為7.6s。執行器的快速關閉時間為0.4s。

通過微調杠桿反饋機構支撐座的相對高度可使執行器的控制精度達到預期目標。為了避免快速關閉指令消除后執行器出現不期望的動作，在給快速關閉指令的同時，DCS應同時給執行器的控制指令置0，這樣即使快速關閉指令消失，執行器也會保持在關位。如果想進一步提高控制精度，需要改進杠桿型線設計，型線由原始的5段直線擬合細分成更多段直線擬合而成。可通過在控制滑閥的壓力油管進油管接頭處設置節流孔，來調整快動時間使其符合現場運行要求。

5 結語

抽汽碟閥電液雙作用執行器及其配套機構系統正逐步替代傳統的機械式油動機構控制，并且在應用中取得了很好的效果。該文全面且系統地介紹了整套機構系統的工作原理、結構特點及設計流程等，為推進該項技術在汽輪機調節系統的改造、管道系統設計及精細化控制系統等應用提供了新的技術方案[6]。