用于调节阀的高精度直行程核级电动执行机构

□ 吴运国 □ 郭 庆

扬州电力设备修造厂有限公司 江苏扬州 225003

1 研制背景

调节阀在冶金、核电、化工、石油等行业的工业过程控制系统中起重要作用。直行程电动执行机构用于控制调节阀开启和关闭,其基本功能及主要参数可以保证调节阀安全稳定运行。直行程电动执行机构是工业过程控制系统的重要组成部分,在核电领域过程控制系统中,作为关键设备,将旋转运动转换为直线往复运动,实现远距离控制、集中控制或自动控制。笔者研制了一种用于调节阀的高精度直行程核级电动执行机构,对其推力、额定行程、精度等级等主要技术参数进行了测试。

2 结构与参数

直行程核级电动执行机构主要由壳体、蜗杆、手轮、切换装置、蜗轮、输出轴、过渡法兰、推杆、连接法兰等构成,如图1所示。其主要参数中,质量不大于92 kg,额定推力为50 kN,额定行程为45 mm,行程速度为168 mm/min,基本误差、回差、死区精度等级不大于1%,尺寸为558 mm长、532 mm宽、510 mm高,防护等级为IP 68,安全类别为K1。

▲图1 直行程核级电动执行机构结构

3 工作原理

直行程核级电动执行机构将旋转运动转换为直线运动,其工作原理如下:电机直接连接蜗杆,电机运转带动蜗杆转动;蜗轮蜗杆啮合,蜗轮与输出轴连接,输出轴与螺纹套部件相连,电机旋转运动转换为螺纹套部件的旋转运动;螺纹套部件旋转,最终驱动推杆实现轴向移动。

直行程核级电动执行机构设置行程计数器组件,行程计数器组件中的行程齿轮与输出轴上的齿轮啮合。行程计数器组件内的齿轮组将推杆的直线行程反馈至凸轮,并压动微动开关,切断电机电源,使直行程核级电动执行机构停止动作,实现行程控制。

直行程核级电动执行机构设置力矩保护机构。蜗杆受到转矩作用形成位移,同时将位移反馈至力矩保护机构,力矩保护机构动作,切断电机电源,使直行程核级电动执行机构停止动作,实现力矩控制。

4 性能试验

性能试验的目的是通过测试,验证直行程核级电动执行机构在实际工况载荷下是否能够正常工作,同时对额定推力、行程速度、精度等级等性能参数进行测试。直行程核级电动执行机构的性能试验过程如下:将推杆与测试设备的液压推杆通过过渡连接轴连接,由测试系统向直行程核级电动执行机构和测试设备同时发送信号,测试反馈信息,从而得到性能参数。

直行程核级电动执行机构的额定推力、行程速度、精度等级通过直行程测试设备进行检测。直行程测试设备能够检测的推力范围为1 kN～100 kN,推力精度为1 N,位移精度为0.005 mm。将直行程核级电动执行机构安装在测试设备台座上,推杆连接测试设备的液压推杆,测试现场如图2所示。

▲图2 测试现场

额定推力测试主要检测直行程核级电动执行机构的输出推力是否满足实际工况负载,验证打开额定负载阀门的能力。直行程核级电动执行机构关闭阀门方向和开启阀门方向的五次推力如图3所示。测试过程中,使用测试设备的轮辐式拉压力传感器实时采集推力数值。由图3可以看出,直行程核级电动执行机构满足50 kN额定推力的要求。

▲图3 直行程级电动执行机构推力

直行程核级电动执行机构关闭阀门方向和开启阀门方向的五次行程速度如图4所示。测试过程中,采用测试设备的光栅尺实时采集两个方向的坐标数值和运行时间,从而得到行程速度。由图4可以看出,直行程核级电动执行机构在关闭阀门方向的最小行程速度为163 mm/min,在开启阀门方向的最大行程速度为181 mm/min,两个方向的速度略有差异,主要是由于直行程核级电动执行机构的主传动部分蜗轮蜗杆和推杆加工工艺引起的差异。

▲图4 直行程核级电动执行机构行程速度

精度等级测试主要检测直行程核级电动执行机构的基本误差、回差、死区是否满足1%的要求。直行程核级电动执行机构关闭阀门方向和开启阀门方向的基本误差如图5所示。测试过程中,采用测试设备的光栅尺采集两个方向的实时坐标数值。当输入信号为4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA时,对应的实际行程偏离理论位置依次为0 mm、11.25 mm、22.5 mm、33.75 mm、45 mm。由图5可以看出,直行程核级电动执行机构的基本误差绝对值最大为0.64%,最小为0.13%。直行程核级电动执行机构的回差如图6所示。由图6可以看出,直行程核级电动执行结构的回差小于1%。直行程核级电动执行机构的死区如图7所示。由图7可以看出,直行程核级电动执行机构的死区小于1%。

▲图5 直行程核级电动执行机构基本误差

▲图6 直行程核级电动执行机构回差

▲图7 直行程核级电动执行机构死区

由推力测试、行程速度测试、精度等级测试验证了直行程核级电动执行机构满足额定推力50 kN、行程速度168 mm/min、精度等级1%的要求。

5 结束语

笔者研制了一种调节阀用高精度直行程核级电动执行机构,用于开启和关闭调节阀。介绍了这一直行程核级电动执行机构的结构及工作原理,使用直行程测试设备对额定推力、行程速度、基本误差、回差、死区进行测试。

测试表明,所研制的直行程核级电动执行机构满足额定推力50 kN、行程速度168 mm/min,以及基本误差、回差、死区精度等级1%的要求。