用于調節閥的高精度直行程核級電動執行機構

□ 吳運國 □ 郭 慶

揚州電力設備修造廠有限公司 江蘇揚州 225003

1 研制背景

調節閥在冶金、核電、化工、石油等行業的工業過程控制系統中起重要作用。直行程電動執行機構用于控制調節閥開啟和關閉,其基本功能及主要參數可以保證調節閥安全穩定運行。直行程電動執行機構是工業過程控制系統的重要組成部分,在核電領域過程控制系統中,作為關鍵設備,將旋轉運動轉換為直線往復運動,實現遠距離控制、集中控制或自動控制。筆者研制了一種用于調節閥的高精度直行程核級電動執行機構,對其推力、額定行程、精度等級等主要技術參數進行了測試。

2 結構與參數

直行程核級電動執行機構主要由殼體、蝸桿、手輪、切換裝置、蝸輪、輸出軸、過渡法蘭、推桿、連接法蘭等構成,如圖1所示。其主要參數中,質量不大于92 kg,額定推力為50 kN,額定行程為45 mm,行程速度為168 mm/min,基本誤差、回差、死區精度等級不大于1%,尺寸為558 mm長、532 mm寬、510 mm高,防護等級為IP 68,安全類別為K1。

▲圖1 直行程核級電動執行機構結構

3 工作原理

直行程核級電動執行機構將旋轉運動轉換為直線運動,其工作原理如下:電機直接連接蝸桿,電機運轉帶動蝸桿轉動;蝸輪蝸桿嚙合,蝸輪與輸出軸連接,輸出軸與螺紋套部件相連,電機旋轉運動轉換為螺紋套部件的旋轉運動;螺紋套部件旋轉,最終驅動推桿實現軸向移動。

直行程核級電動執行機構設置行程計數器組件,行程計數器組件中的行程齒輪與輸出軸上的齒輪嚙合。行程計數器組件內的齒輪組將推桿的直線行程反饋至凸輪,并壓動微動開關,切斷電機電源,使直行程核級電動執行機構停止動作,實現行程控制。

直行程核級電動執行機構設置力矩保護機構。蝸桿受到轉矩作用形成位移,同時將位移反饋至力矩保護機構,力矩保護機構動作,切斷電機電源,使直行程核級電動執行機構停止動作,實現力矩控制。

4 性能試驗

性能試驗的目的是通過測試,驗證直行程核級電動執行機構在實際工況載荷下是否能夠正常工作,同時對額定推力、行程速度、精度等級等性能參數進行測試。直行程核級電動執行機構的性能試驗過程如下:將推桿與測試設備的液壓推桿通過過渡連接軸連接,由測試系統向直行程核級電動執行機構和測試設備同時發送信號,測試反饋信息,從而得到性能參數。

直行程核級電動執行機構的額定推力、行程速度、精度等級通過直行程測試設備進行檢測。直行程測試設備能夠檢測的推力范圍為1 kN～100 kN,推力精度為1 N,位移精度為0.005 mm。將直行程核級電動執行機構安裝在測試設備臺座上,推桿連接測試設備的液壓推桿,測試現場如圖2所示。

▲圖2 測試現場

額定推力測試主要檢測直行程核級電動執行機構的輸出推力是否滿足實際工況負載,驗證打開額定負載閥門的能力。直行程核級電動執行機構關閉閥門方向和開啟閥門方向的五次推力如圖3所示。測試過程中,使用測試設備的輪輻式拉壓力傳感器實時采集推力數值。由圖3可以看出,直行程核級電動執行機構滿足50 kN額定推力的要求。

▲圖3 直行程級電動執行機構推力

直行程核級電動執行機構關閉閥門方向和開啟閥門方向的五次行程速度如圖4所示。測試過程中,采用測試設備的光柵尺實時采集兩個方向的坐標數值和運行時間,從而得到行程速度。由圖4可以看出,直行程核級電動執行機構在關閉閥門方向的最小行程速度為163 mm/min,在開啟閥門方向的最大行程速度為181 mm/min,兩個方向的速度略有差異,主要是由于直行程核級電動執行機構的主傳動部分蝸輪蝸桿和推桿加工工藝引起的差異。

▲圖4 直行程核級電動執行機構行程速度

精度等級測試主要檢測直行程核級電動執行機構的基本誤差、回差、死區是否滿足1%的要求。直行程核級電動執行機構關閉閥門方向和開啟閥門方向的基本誤差如圖5所示。測試過程中,采用測試設備的光柵尺采集兩個方向的實時坐標數值。當輸入信號為4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA時,對應的實際行程偏離理論位置依次為0 mm、11.25 mm、22.5 mm、33.75 mm、45 mm。由圖5可以看出,直行程核級電動執行機構的基本誤差絕對值最大為0.64%,最小為0.13%。直行程核級電動執行機構的回差如圖6所示。由圖6可以看出,直行程核級電動執行結構的回差小于1%。直行程核級電動執行機構的死區如圖7所示。由圖7可以看出,直行程核級電動執行機構的死區小于1%。

▲圖5 直行程核級電動執行機構基本誤差

▲圖6 直行程核級電動執行機構回差

▲圖7 直行程核級電動執行機構死區

由推力測試、行程速度測試、精度等級測試驗證了直行程核級電動執行機構滿足額定推力50 kN、行程速度168 mm/min、精度等級1%的要求。

5 結束語

筆者研制了一種調節閥用高精度直行程核級電動執行機構,用于開啟和關閉調節閥。介紹了這一直行程核級電動執行機構的結構及工作原理,使用直行程測試設備對額定推力、行程速度、基本誤差、回差、死區進行測試。

測試表明,所研制的直行程核級電動執行機構滿足額定推力50 kN、行程速度168 mm/min,以及基本誤差、回差、死區精度等級1%的要求。