具有緊急關斷功能的開關型電液執行器的研制

蔡 婧 王麗然

（西安航天遠征流體控制股份有限公司）

具有緊急關斷（ESD）功能的開關型電液執行器是一種以電液驅動裝置為動力， 執行ESD信號實現緊急快速關斷的執行機構。 其與各種截斷閥配套使用， 用于在緊急狀態下切斷管路系統，避免安全事故發生或擴大，是大型工藝裝置和壓力管道系統的重要安全設備［1］。 2016年6月，國家安監總局62號文件規定，一級、二級重大危險源場所必須采用具有ESD功能的執行機構。

中石化、中石油和中航油的油庫罐根和管路系統大量使用開關型緊急切斷閥門。 目前，國內市場大量使用美國Rexa、 英國Rotork及德國法奧克等廠家的產品，這些產品價格昂貴，供貨周期較長，售后服務不及時，維護備件也需進口，不能滿足國家重點工程建設進度和能源輸送保障需要，還可能給國家和企業造成巨大的損失，甚至危及國家能源安全。

筆者根據國內某新建機場2座2 000 m3的儲油罐罐根閘閥實際需求，按“用、研、產”倒逼路徑，研制開發出一種典型規格（65 kN，400 mm）的具有ESD功能的直行程開關型電液執行器， 突破開關型電液執行器的集成技術，掌握液壓驅動控制技術、蓄能控制技術和性能測試技術，具有完全自主知識產權。

1 國內外現狀及發展趨勢

執行器是工業過程控制領域中不可缺少的關鍵部件，其工作的可靠性、可控性和功能的優劣，直接影響調節性能、控制成敗和設備安全，并制約著自動化總體水平。 目前，工業過程控制領域中廣泛采用的執行器主要實現開關動作和調節功能，從而控制過程工藝參數。 雖然大多工業執行器已實現國產，但對于含有關鍵技術的工位仍大量采用進口產品，國產執行器現況存在著可靠性、可控性差等缺陷。

國外多家電液執行器生產商都開發了具有ESD功能的開關型電液執行器， 如德國法奧克SHE系列緊急關斷執行機構、 英國Rotork公司的EH系列電液執行器和美國Koso公司的Rexa電液執行器。 國外廠商產品具備驅動力大、動作快速等優點，但仍存在價格昂貴、體積較大、抗油污染能力差及后期維護成本較高等缺點。 目前，國內有部分廠家進行開關型電液執行器的研制生產，但產品整體性能和技術指標與國外先進技術相比存在一定的差距。

2 技術指標及方案

2.1 技術指標

應用于國內某機場油庫的輕型電液聯動閘閥的開關型電液執行器技術指標如下：

驅動方式 直行程

行程 400 mm

輸出推力 65 kN

工作溫度 -20～60 ℃

供電 380 V（AC），50 Hz

功率 1 kW

失效模式 ESD緊急切斷

運行時間 可調

ESD運行時間 不大于10 s，可調

蓄能設備完成動作次數 2次

外殼防護性能 IP65

防爆等級 Exd II BT4 Gb

2.2 工作原理

開關型電液執行器系統原理如圖1所示，主要包含5個模塊，分別是動力模塊、蓄能模塊、液壓控制模塊、執行模塊和控制箱。 在使用中，所有模塊集成化設計，安裝在被驅動裝置上。

圖1 開關型電液執行器系統原理框圖

控制箱包括處理器、電源等電氣部件，具有遠程、 就地和設置3種操作模式。 遠程模式由SCADA系統給定控制信號進行開閥、 關閥以及ESD操作； 就地模式由控制箱給定控制信號進行操作； 設置模式下使用者可以利用鍵盤和顯示板，通過一些簡單的操作步驟對行程、ESD模式等各種參數進行設定［2］。

動力模塊由交流電機、齒輪泵、手動泵、壓力開關和過濾器組成。 壓力開關設定高低限位，蓄能器壓力低于壓力開關設定的最低壓力時，交流電機驅動齒輪泵轉動，齒輪泵輸出流量以容積方式為蓄能器充壓，蓄能器壓力達到壓力開關設定的最高壓力時，電機停止轉動。

液壓控制模塊由電磁閥、液控換向閥、減壓閥、調速閥、液控單向閥、平衡閥及溢流閥等組成。 分為主回路液壓控制模塊和ESD回路液壓控制模塊，當接收到開閥信號時，高壓油進入液壓油缸有桿腔，無桿腔低壓油回流至油箱，推動活塞桿上行實現開閥動作； 當接收到關閥信號時，高壓油進入液壓油缸無桿腔，有桿腔低壓油回流至油箱，推動活塞桿下行實現關閥動作；ESD電磁閥常態時得電關閉， 當接收到ESD信號時失電打開，高壓油流入液壓油缸無桿腔，有桿腔低壓油回流至油箱， 推動活塞桿下行實現緊急關閥動作。

執行模塊由單出軸雙作用油缸、位移傳感器和限位開關組成，功能是將液壓油內能轉化為機械能，位移傳感器將負載驅動軸實際位置實時反饋給控制系統，進而確定電磁閥的工作狀態。 限位開關實現限幅保護作用，輸出開關量信號。

蓄能模塊由蓄能器、手動截止閥、壓力表及溢流閥等組成，蓄能器將壓力系統的液壓能轉換為勢能儲存起來［3］，功能是作為執行機構打開或關閉時的動力源。 執行機構非運動狀態時，動力模塊為蓄能器充壓， 使蓄能器保持在高壓狀態；當電磁閥接收到控制箱信號時實現打開或關閉油路連通， 蓄壓油箱中高壓液壓油進入液壓油缸，推動活塞桿直線運動，液壓油缸低壓腔液壓油流入油箱。

2.3 功能分析

應用于國內某機場油庫用輕型電液聯動閘閥的開關型電液執行器應具有如下功能：

a. 運行速度可調， 具有降速接近的功能，防止高速接觸造成閥座損傷；

b. ESD回路并聯設計， 實現ESD關閥速度可獨立調節，具備更高的安全性；

c. 支持根據應用要求設定推力限制，當閥板阻力增大時可調高系統壓力提高推力；

d. 具有力（力矩）保護和位置保護雙重保護功能；

e. 蓄能裝置壓力輸出平穩，支持多次動作；

f. 具有手動充壓、手動開關閥門的功能；

g. 系統油箱采用全封閉式， 與空氣無接觸，避免液壓油的污染、氧化等，延長維護周期；

h. 具有遠程、就地、設置3種操作模式；

i. 可在線進行部分行程測試；

j. 實現產品十多種故障自診斷功能。

2.4 與進口產品的對比

通過對進口產品性能指標、功能特點的深入分析，本方案研制的開關型電液執行器與主流的進口產品相比具有以下優勢：

a. ESD回路獨立于主回路液壓系統， 具備ESD關閥速度單獨調節的功能， 可實現ESD回路快速關閥，具備更高的安全性；

b. 系統油箱采用全封閉式， 與空氣無接觸，避免液壓油的污染、氧化等，延長維護周期；

c. 具有降速接近的功能，保護閥座，提高定位精度；

d. 可采用力（力矩）和位置限位兩種限位方式；

e. 十余種故障檢測及報警設計。

2.5 部分設計計算

根據執行器技術指標和系列化需求，選取液壓油缸參數如下：

缸徑 100 mm

活塞桿徑 45 mm

行程 450 mm

結構形式 單出軸雙作用

蓄能器參數如下：

最低工作壓力p112 MPa

最高工作壓力p220 MPa

最低溫度tmin-20 ℃

最高溫度tmax60 ℃

有效容積ΔV 5.5 L

2.5.1 蓄能器容積計算

根據蓄能器技術參數， 在tmax時的預充壓力為：

在tmin時的預充壓力為：

20 ℃（t0）時的預充壓力為：

理想的氣體容量為：

式中 K——絕熱狀態多變指數，取1.4。

因此，根據蓄能器規格系列選取容積25 L。

2.5.2 齒輪泵參數計算

齒輪泵為蓄能器充壓， 蓄能器有效容積ΔV=5.5 L，蓄能器充壓時間t≯240 s，則齒輪泵流量Qb為：

結合齒輪泵選型，選取Qb=1.6 L/min，轉速1 500 r/min。

計算齒輪泵最大輸出功率PWb：

齒輪泵液壓損失很小，可忽略不計，取容積效率為0.8，機械效率為0.9，則總效率η為0.72。

電機輸出功率PWd為：

3 關鍵技術及解決措施

3.1 液壓控制技術

系統液壓控制包含由蓄能器驅動的主控制回路、ESD控制回路和手動操作下的控制回路，通過信號和液壓元件的切換實現不同模式下的回路控制。 蓄能器要實現主控制回路完成兩個運動行程的正常工作，會造成開、關閥門時的輸出壓力不同，為了避免關閥作用力過大造成的閥座損壞，必須控制蓄能器輸出壓力。ESD控制回路要滿足更快的關斷速度。 失電時還要切換到手操控制回路采用手搖泵進行蓄能器充壓補壓和閥門的打開關閉操作。 因此，液壓控制技術是實現系統各項功能的關鍵技術之一。

為輕量化、小型化設計，計算出滿足系統輸出壓力時液壓缸的最小排量，應盡可能減小蓄能器的容積，為了減小蓄能器的容積，采用擴大蓄能器工作壓差的辦法，如此便使蓄能器完成充壓后連續兩次動作的工作壓力存在較大差異。 而且液壓缸采用的是單出軸雙作用油缸， 第1次關閥的向下推力與第2次開閥的向上拉力比值為1.62，會造成閥門結構的損壞。 因此在蓄能器出口處設置使出口壓力恒定的減壓閥，控制蓄能器內的高壓液壓油的輸出壓力，使蓄能器在兩個動作行程中的壓力保持恒定，實現系統工作壓力可控。

ESD控制回路采用一個常開的兩位三通電磁換向閥作為先導控制， 并且給電磁閥常通電，使其處于關閉狀態；若系統故障失電，則電磁閥失電切換至打開狀態，控制兩個液控單向閥，實現關閥動作， 電磁閥作為先導閥的設計方法使ESD回路的最大流量不受電磁閥流量影響，選用功率很小的電磁閥即可實現ESD回路的液壓控制。 同時通過液壓回路即可實現失電啟動ESD， 提高了緊急關斷的可靠性。

3.2 系統性能參數匹配

液壓系統包含齒輪泵為蓄能器充壓和蓄能器作為動力裝置帶動液壓油缸運動兩個過程，開關閥動作又包含了主回路控制動作和ESD回路控制動作兩部分，動作過程均要實現速度和壓力的可控可調，是通過一系列液壓元件實現的，因此系統性能參數的匹配是本項目的關鍵技術之一。

開關型電液執行器的執行動作由蓄能器完成，當蓄能器壓力低于設定值時，壓力開關控制電機轉動，從而驅動齒輪泵轉動對蓄能器進行充壓，達到預設高壓時停止充壓。 蓄能器壓力保證執行器完成兩個動作行程（即閥門一開一關）。 動作時，通過控制電磁閥換向使蓄能器內高壓油進入液壓油缸一側腔體控制閥門打開或者關閉。 蓄能器容積設計與液壓缸排量進行匹配計算，確保完成兩個行程動作后蓄能器壓力降至壓力下限，繼續進行充壓。

系統設置了兩級調速，在蓄能器出口設置一級調速閥，用于ESD回路關閥速度的調節，在主回路中液壓油缸的進出口分別設置單向節流閥，用于主回路開關閥動作時回油速度的調節。

系統中在液壓缸兩腔、蓄能器出口等多處設計測壓口，性能試驗過程可實時監測系統壓力變化，采集數據可用于系統性能分析、調整匹配參數。

4 試驗驗證

產品樣機進行一系列試驗對性能指標進行驗證， 結合產品研制提出的性能指標和應用工況，策劃試驗項目見表1。

表1 試驗項目策劃

（續表1）

2020年10月，2020-01～2020-06號電液聯動閥在國內某機場供油工程完成了現場裝配；2020年11月完成產品調試并通過機場供油工程竣工驗收；2021年1月16日開始帶油試運轉至今，所有產品在線上加電運行，可工作正常，各項性能都滿足技術要求、使用要求，現場觀測產品工況良好、動作標準、ESD關斷時間最快可達7 s、 無滲漏等異常現象。

5 結束語

通過理論分析、 設計計算以及試驗驗證，筆者介紹的民用機場油庫輕型電液聯動閘閥所采用的具有緊急關斷功能的開關型電液執行器，所使用的設計方案合理可行，能夠滿足設計指標和現場工況的使用要求，性能指標達到并超過進口產品水平，具有完全自主知識產權，可替代進口產品，實現了國產化。