防止電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位丟失的新設(shè)計(jì)

王繼沖 郭敏

摘 要 當(dāng)今在電力、化工、冶金等領(lǐng)域廣泛使用的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，多數(shù)采用霍爾元件計(jì)數(shù)器作為閥位反饋裝置，該閥位反饋裝置必須在控制電路有供電電源的情況下才能發(fā)揮作用，當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷電后，只能依靠干電池保持閥位。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一款利用全浮充蓄電池組防止電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位丟失的裝置，代替了原干電池。在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電工作期間，對(duì)蓄電池持續(xù)浮充;在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停電檢修過(guò)程中，采用蓄電池作為閥位記憶電源。因該裝置選擇的蓄電池組容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干電池，其持續(xù)工作時(shí)間將大大加長(zhǎng)。通過(guò)適當(dāng)選取蓄電池容量，完全可以實(shí)現(xiàn)電池免更換。隨著新能源汽車的快速普及，我國(guó)動(dòng)力鋰電池的數(shù)量與日俱增，退役動(dòng)力鋰電池的梯次利用被提上日程。新能源汽車淘汰下來(lái)的動(dòng)力鋰電池電芯恰恰是作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)浮充蓄電池的絕佳選擇。通過(guò)資源優(yōu)化配置，即可以為退役動(dòng)力鋰電池的梯次利用開(kāi)辟新的市場(chǎng)，同時(shí)又為增加浮充蓄電池裝置的新型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 閥位 全浮充 動(dòng)力鋰電池 梯次利用

中圖分類號(hào)：TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）03-0026-02

1 概述

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并在某種控制信號(hào)作用下工作，用以控制閥門、閘門、連桿等目標(biāo)執(zhí)行器的動(dòng)作。其基本類型有部分回轉(zhuǎn)（Part-Turn）、多回轉(zhuǎn)（Multi-Turn）及直行程（Linear）三種形式。

如從維護(hù)操作方式方面來(lái)分類，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為侵入式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩類。侵入式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要拆下執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼，通過(guò)凸輪、絲桿、螺母、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整來(lái)進(jìn)行力矩、限位等功用的設(shè)置和調(diào)試，維護(hù)調(diào)試相對(duì)繁瑣;而非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用紅外線設(shè)定遙控器就可快速對(duì)進(jìn)行力矩、限位、控制及顯現(xiàn)功用的調(diào)整，維護(hù)調(diào)試簡(jiǎn)單便利。

現(xiàn)在的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)里面多數(shù)都裝有干電池，斷電后能夠保持閥位記憶不被變更，不管動(dòng)力電源供給與否，均可對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行非侵入式設(shè)定。[1]

2 存在的問(wèn)題

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提升以及人工成本的增加，非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用在電力、化工、冶金等領(lǐng)域愈發(fā)廣泛，但在使用中也暴露出一些問(wèn)題。

早期的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分采用可變電阻來(lái)反饋閥位變化。由于控制電路線路電阻易受外界因素干擾，可變電阻相關(guān)電路必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，且閥位記憶效果不佳，當(dāng)今多數(shù)非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)已不再采用。

現(xiàn)在的非侵入電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多數(shù)采用霍爾元件計(jì)數(shù)器來(lái)反饋閥位變化?；魻栐?jì)數(shù)器有精度高、信號(hào)容易處理、適合數(shù)字電路、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì);但同時(shí)，也存在斷電后無(wú)法計(jì)數(shù)、無(wú)法發(fā)出脈沖信號(hào)的硬傷。

霍爾元件作為閥位反饋裝置，必須在控制電路有供電電源的情況下發(fā)揮作用，當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷電后，只能依靠干電池保持閥位（部分電動(dòng)門在有供電時(shí)依然依靠干電池保持閥位）。受限于干電池容量較小，受氣溫、濕度等因素影響性能波動(dòng)大，在工廠停電檢修期間很容易發(fā)生閥位丟失或者閥位不正常改變的情況。定期更換電池可部分解決這一問(wèn)題，但并不徹底，很容易發(fā)生疏漏。一旦出現(xiàn)閥位丟失或者改變，輕者需重新設(shè)置，影響系統(tǒng)試運(yùn)、設(shè)備開(kāi)機(jī);重者閥位記憶錯(cuò)誤，可能會(huì)損壞閥門、頂彎閥桿;給工廠造成惡劣影響，帶來(lái)巨大損失。

3 解決方案

為了避免這些不良影響發(fā)生，我們參照汽車啟動(dòng)蓄電池的思路，設(shè)計(jì)了一款利用全浮充蓄電池組防止電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位丟失的裝置。接線示意圖如下（圖1）。

該裝置中蓄電池組的充電電源取自電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源（AC380V或者AC220V），通過(guò)隔離變、直流電源模塊將電源轉(zhuǎn)換為與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求干電池電壓一致的直流電壓，在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電工作期間，對(duì)蓄電池持續(xù)浮充;在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停電檢修過(guò)程中，采用蓄電池作為閥位記憶電源。

因該裝置選擇的蓄電池組容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干電池，其持續(xù)工作時(shí)間將大大加長(zhǎng)。電力、化工、冶金等行業(yè)生產(chǎn)較為連續(xù)，例如，正常情況下，發(fā)電廠電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停電檢修時(shí)間不會(huì)超過(guò)3個(gè)月（一個(gè)完整的機(jī)組A級(jí)檢修時(shí)長(zhǎng)）。通過(guò)適當(dāng)選取蓄電池容量，完全可以保證3個(gè)月甚至半年內(nèi)不會(huì)發(fā)生閥位丟失等故障。電動(dòng)門送電后立即開(kāi)始給蓄電池充電應(yīng)對(duì)以后工況需要，充電完成后一直保持全浮充狀態(tài)。這樣就完全實(shí)現(xiàn)了電池免更換，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)免維護(hù)，大大提高了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)備可靠性，減少了調(diào)試維護(hù)工作量。[2]

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們利用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)具備的條件，采用1臺(tái)修復(fù)的上儀AI系列非侵入式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、1臺(tái)隔離變壓器（輸入AC380V，輸出AC220V）、1臺(tái)9V路由器用蓄電池（標(biāo)稱容量3000mAh）及其電源適配器搭建起了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在9V蓄電池浮充滿電后，對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)斷開(kāi)AC380V電源，經(jīng)3個(gè)月時(shí)長(zhǎng)驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)閥位記憶仍然正確，所有斷電后手搖操作均未對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位記憶造成影響。證實(shí)該設(shè)計(jì)思路完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

5 設(shè)計(jì)的意義

1.對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來(lái)講，將所有已投用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按此設(shè)計(jì)思路進(jìn)行逐一改造，需要占用的工作量較大，也沒(méi)有必要。但可以選擇性地對(duì)部分有必要改造的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加外掛的全浮充蓄電池組以提高設(shè)備整體的可靠性。

2.對(duì)于電動(dòng)門生產(chǎn)廠家來(lái)講，按此設(shè)計(jì)思路生產(chǎn)帶有利用蓄電池防止電動(dòng)門閥位丟失的裝置更有價(jià)值。裝置中隔離變壓器、電源轉(zhuǎn)換模塊均可集成于電動(dòng)門的變壓器模塊中，而裝置中的蓄電池組可安裝于接線端子端蓋中，并采用相應(yīng)的防著火措施提高安全性。這一創(chuàng)新對(duì)提升我國(guó)裝備制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有一定的幫助。[3]

3.隨著新能源汽車的快速普及，我國(guó)動(dòng)力鋰電池的數(shù)量與日俱增，電池原材料價(jià)格的不斷上漲，大量廢棄電池對(duì)環(huán)境影響的壓力也越來(lái)越大，退役動(dòng)力鋰電池的梯次利用被提上日程。由于循環(huán)壽命長(zhǎng)（三元鋰電池循環(huán)次數(shù)約800次，磷酸鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)甚至可達(dá)2500次）、重量輕、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，新能源汽車淘汰下來(lái)的動(dòng)力鋰電池電芯恰恰是作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)浮充蓄電池的絕佳選擇。通過(guò)資源優(yōu)化配置，即可以為退役動(dòng)力鋰電池的梯次利用開(kāi)辟新的市場(chǎng)，同時(shí)又為新型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)降低了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張兵，唐猛，王金鵬，幸權(quán).智能電動(dòng)執(zhí)行器力矩保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2014，42（08）：80-82.

[2] 閆敏，李靜.基于AT89C51單片機(jī)控制的閥門電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)[C].第十五屆沈陽(yáng)科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2018.

[3] 趙慧嫻，吳新偉.一種電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017（04）：83-87.

1.廣州華潤(rùn)熱電有限公司，廣東 廣州

2.中國(guó)科學(xué)院 廣州工業(yè)研究院，廣東 廣州