超大口徑高壓閥門(mén)智能型電動(dòng)執(zhí)行器的研發(fā)

曹永明，解小明，汪玉海

（1.特福隆（上海）科技有限公司，上海 201306；2.歐維克集團(tuán)有限公司，浙江溫州 325105）

0 引言

從仿制有觸點(diǎn)的執(zhí)行器開(kāi)始，我國(guó)電動(dòng)執(zhí)行器經(jīng)過(guò)30 多年發(fā)展，多數(shù)產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化，技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家具備一定規(guī)模的生產(chǎn)能力和研發(fā)能力。但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要應(yīng)用于市政、電力、冶金等普通場(chǎng)所，在核電的核島、火電廠的關(guān)鍵閥門(mén)以及長(zhǎng)輸油氣管道的大多數(shù)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器還是依賴進(jìn)口。特別是在超大口徑高壓力的長(zhǎng)輸管道干線閥門(mén)上，由于其大扭矩、快開(kāi)關(guān)速度的特性要求，及使用環(huán)境和高可靠性的要求，目前基本上使用進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被歐洲、美國(guó)等流體巨頭的執(zhí)行器產(chǎn)品壟斷。未來(lái)幾年將是我國(guó)油氣管道建設(shè)的高峰期，作為長(zhǎng)輸油氣管道的關(guān)鍵設(shè)備——電動(dòng)執(zhí)行器，必將得到大量運(yùn)用[1-3]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

智能電動(dòng)執(zhí)行器主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、力矩傳感器、閥位傳感器、電氣控制單元控、手輪操作機(jī)構(gòu)、手/電切換機(jī)構(gòu)、接線盒及聯(lián)軸器等組成（圖1）[4]。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行器基本結(jié)構(gòu)

1.1 力矩傳感器

力矩傳感器能夠可靠和精確地測(cè)量全行程每一點(diǎn)的作用力，是對(duì)閥門(mén)和執(zhí)行器提供保護(hù)的基礎(chǔ)。在驅(qū)動(dòng)力矩作用下，通過(guò)安裝在傳感器內(nèi)的壓敏電阻將蝸桿軸向推力的反作用力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終測(cè)量到精確的驅(qū)動(dòng)力矩，且不受電機(jī)頻率、電壓和溫度變化的影響。如在運(yùn)行時(shí)力矩達(dá)到設(shè)定值，電機(jī)將被斷開(kāi)，力矩開(kāi)關(guān)可在額定力矩40%～100%范圍內(nèi)設(shè)定。另外，開(kāi)閥的力矩開(kāi)關(guān)可設(shè)定為“加強(qiáng)”，使電機(jī)產(chǎn)生的力矩超過(guò)額定力矩的1.4 倍，以操作“粘住”的閥門(mén)。

1.2 電機(jī)

采用F 級(jí)絕緣鼠籠式的三相異步電機(jī)，該電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩、低慣性的特性，符合閥門(mén)用電機(jī)的要求。在電機(jī)線圈內(nèi)裝有兩個(gè)熱動(dòng)開(kāi)關(guān)，直接感受電機(jī)線圈的溫度。如果電機(jī)線圈過(guò)熱，可將執(zhí)行器的控制電路斷開(kāi)。而在ESD 緊急保護(hù)期間，溫度保護(hù)器可被超越。

1.3 接線盒

執(zhí)行器上其他電氣設(shè)備的電纜和外部供電均接至接線盒，接線盒采用雙密封設(shè)計(jì)，確保內(nèi)部元件受到保護(hù)。防水接線端子模塊將內(nèi)部電纜與接線端子箱隔離。

1.4 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器由聯(lián)軸套和連接法蘭等零件組成，執(zhí)行器扭矩的輸出通過(guò)與輸出軸相連的聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)，法蘭接口按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

1.5 手輪操作機(jī)構(gòu)

手輪操作機(jī)構(gòu)可在電源中斷時(shí)手動(dòng)操作閥門(mén)，緊急情況時(shí)在電動(dòng)操作期間按下并按住手柄，可使電動(dòng)驅(qū)動(dòng)緊急脫開(kāi)。手輪操作機(jī)構(gòu)具有錘擊作用，可以省力，尤其在閥門(mén)卡死時(shí)能夠通過(guò)錘擊作用較快地打開(kāi)閥門(mén)。對(duì)于大力矩的閥門(mén)，執(zhí)行器可以選用行星齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)手輪，以降低操作力。

1.6 閥位傳感器

閥位傳感器采用先進(jìn)的24 位光電絕對(duì)編碼器，指示和反饋閥門(mén)全開(kāi)位置、閥門(mén)全關(guān)位置。該編碼器用光電編碼盤(pán)記錄閥位，無(wú)需備用電池，在斷電時(shí)仍可準(zhǔn)確記錄閥位。

1.7 電氣控制單元

電氣控制單元由電源分配電路、比較電路、邏輯及保護(hù)電路、放大電路等組件構(gòu)成。能夠接收遠(yuǎn)方信號(hào)：4～20 mA 模擬量輸入，無(wú)源干接點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入。能向遠(yuǎn)方提供雙向行程接點(diǎn)、雙向轉(zhuǎn)矩接點(diǎn)及電源丟失、齒輪卡澀等故障信號(hào)（無(wú)源接點(diǎn)）。對(duì)于調(diào)節(jié)型執(zhí)行器，可提供4～20 mA 位置反饋信號(hào)。失信號(hào)時(shí)，可根據(jù)用戶要求組態(tài)選擇停在原位或驅(qū)動(dòng)閥門(mén)至全開(kāi)，并具有供報(bào)警用的輸出接點(diǎn)。

1.8 手/電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)

當(dāng)壓下手動(dòng)/電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)手柄使其處于手動(dòng)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使離合器掛上，此時(shí)松開(kāi)手柄，手柄將自動(dòng)回到原位，手輪將保持驅(qū)動(dòng)，直到執(zhí)行器被電動(dòng)操作，手輪會(huì)自行脫開(kāi)回到電動(dòng)模式。如果需要，可用掛鎖將離合器鎖定。

1.9 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

采用蝸輪蝸桿作為主傳動(dòng)，蝸桿與電機(jī)轉(zhuǎn)子做成一體，蝸輪與輸出軸通過(guò)離合器連接，其中電機(jī)軸與蝸桿可以快速組裝更換。蝸輪、蝸桿采用浸油潤(rùn)滑，可以更好的適應(yīng)環(huán)境溫差變化。

2 工作原理

2.1 機(jī)械部分

當(dāng)電動(dòng)操作時(shí)，在電氣控制單元的作用下控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)蝸桿和蝸輪傳動(dòng)，使輸出軸產(chǎn)生相應(yīng)大小的扭矩，以帶動(dòng)閥門(mén)動(dòng)作。

當(dāng)手動(dòng)操作時(shí)，在手/電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)作用下控制蝸輪與手輪之間的離合。當(dāng)壓下手柄時(shí)，蝸輪與手輪通過(guò)離合器連接，通過(guò)手輪可以操作執(zhí)行器，此時(shí)松開(kāi)手柄，手柄將自動(dòng)回到原位，手輪將保持驅(qū)動(dòng)，直到執(zhí)行器被電動(dòng)操作，手輪會(huì)自行脫開(kāi)回到電動(dòng)模式。

2.2 電氣部分

電動(dòng)執(zhí)行器電氣原理如圖2 所示，由控制主板、電機(jī)、閥位傳感器、壓力傳感器和絕對(duì)編碼器等組成一個(gè)帶反饋的控制系統(tǒng)。執(zhí)行器接收到控制指令后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。

圖2 電動(dòng)執(zhí)行器電氣原理

3 技術(shù)參數(shù)

輸出力矩：320 000 N·m（56″900LB 球閥開(kāi)啟力矩為209 376 N·m）；開(kāi)關(guān)時(shí)間：231 s；控制信號(hào)：開(kāi)關(guān)控制；全行程精度：≤0.5%；扭矩控制精度：≤5%；溫度范圍：-46～70 ℃；防護(hù)等級(jí)：IP66/IP68；防爆等級(jí)：Ex dbⅡC T4 Gb；電壓：380 V±10%，允計(jì)短時(shí)間壓降-15%；頻率：50 Hz±5%；SIL2 安全完整性等級(jí)認(rèn)證。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 傳動(dòng)效率

執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿作為主要傳動(dòng)型式，其傳動(dòng)效率在整個(gè)執(zhí)行器的效率中起著主導(dǎo)作用。為提高蝸輪、蝸桿的傳動(dòng)效率，蝸桿采用齒面淬硬并經(jīng)磨削的合金鋼蝸桿與鑄造鋁青銅蝸輪嚙合，同時(shí)經(jīng)過(guò)專有嚙合檢測(cè)修正技術(shù)，并對(duì)一級(jí)傳動(dòng)采用浸油潤(rùn)滑，機(jī)械傳動(dòng)效率達(dá)到32%。

4.2 控制系統(tǒng)可靠性

（1）電子部分采用高可靠性32 位ARM 處理器。在電路中加入多級(jí)抗浪涌裝置，使其更好適應(yīng)工業(yè)電源的復(fù)雜環(huán)境。按IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電路進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)失效概率降到最低。輸入輸出數(shù)字接口和模擬量接口電路使用光電和磁電隔離技術(shù)，大大降低外界干擾對(duì)產(chǎn)品的影響。

（2）采用國(guó)際先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)，對(duì)電子電路進(jìn)行仿真模擬。PCB 板設(shè)計(jì)完成后通過(guò)EMC 驗(yàn)證，并根據(jù)分析結(jié)果迭代優(yōu)化PCB 板。軟件設(shè)計(jì)遵循MISRA—C2004 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，減小軟件系統(tǒng)失效的概率。采用魯棒性設(shè)計(jì)方法，提升軟件的可靠性。通過(guò)黑盒、白盒測(cè)試方法對(duì)軟件邏輯進(jìn)行完善。

（3）線路板的生產(chǎn)采用國(guó)際先進(jìn)的高速貼片機(jī)，波峰焊、回流焊技術(shù)，保證元器件焊接的可靠性。引進(jìn)先進(jìn)的AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）設(shè)備，通過(guò)電腦自動(dòng)檢查電路板的焊接效果，使成品電路板虛焊、漏焊、錯(cuò)焊的概率降到最低。成品電路板在測(cè)試完成后均需經(jīng)過(guò)70 ℃，24 h 的熱老化處理來(lái)考驗(yàn)電子元器件的穩(wěn)定性。

4.3 控制精度

閥位傳感器采用先進(jìn)的24 位光電絕對(duì)編碼器提升定位精度。控制芯片采用高速CPU，以縮短信號(hào)處理時(shí)間。控制電路采用新型電力電子器件替代傳統(tǒng)的電磁繼電器，提升響應(yīng)速度。

4.4 大力矩減速箱

配套設(shè)計(jì)了系列化的齒輪減速箱，可以組成多種傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)速、力矩的配置，滿足各種不同種類和規(guī)格的閥門(mén)選取合適的電動(dòng)執(zhí)行器型號(hào)，確保力矩不能太大對(duì)閥門(mén)造成損害，同時(shí)兼顧全行程啟閉時(shí)間滿足閥門(mén)的控制要求，執(zhí)行器和大傳動(dòng)比的減速箱配套組合，可以對(duì)執(zhí)行器輸出力矩進(jìn)行放大，其結(jié)合力矩輸出可達(dá)到320 000 N·m。

5 結(jié)語(yǔ)

超大口徑高壓閥門(mén)智能型電動(dòng)執(zhí)行器是當(dāng)今全球超大口徑高壓長(zhǎng)輸管線全焊接球閥和站場(chǎng)球閥使用的重要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的電動(dòng)執(zhí)行器是中石油重大科技專項(xiàng)“油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化”關(guān)鍵設(shè)備之一，是流程工業(yè)大量應(yīng)用的一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，自動(dòng)化程度高，安全性好，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品具有輸出力矩大、可靠性高、測(cè)量控制技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)功能完善等優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。該產(chǎn)品已大量應(yīng)用多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)工程，如西氣東輸中靖線工程、陜京四線輸氣管道工程、慶三慶四、中俄原油、勝利油田原油庫(kù)，和我國(guó)目前為止口徑最大、壓力最高、輸氣量最大的中俄東線管道項(xiàng)目，運(yùn)行穩(wěn)定，有力保障了重大工程建設(shè)。