防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的研制

張 宇 吳 江 李德勝 徐文才

揚州電力設(shè)備修造廠有限公司 江蘇揚州 225003

1 研制背景

近年來,隨著液壓技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)電控液壓系統(tǒng)已經(jīng)落伍,取而代之的是一體化電液執(zhí)行機構(gòu)。電液執(zhí)行機構(gòu)在石油、化工,以及西氣東輸?shù)裙こ讨杏昧枯^大,僅一個支線項目就需要幾十套電液執(zhí)行機構(gòu),且大部分電液執(zhí)行機構(gòu)都是國外產(chǎn)品[1-5]。隨著我國西氣東輸?shù)葒掖笮褪椖康耐七M,未來防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的市場需求巨大。

2 結(jié)構(gòu)方案

筆者研制的防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)主要包括電控部分、液控單元、輸出機構(gòu)、行程指示機構(gòu)等結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

▲圖1 防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)方案

電控部分采用先進的ARM芯片作為整機控制系統(tǒng),配合變頻器實現(xiàn)對液控單元的無級變速調(diào)節(jié),可以提高控制精度[6]。液控單元采用變頻電機連接高精度齒輪泵,通過變頻電機的轉(zhuǎn)速變換達到液壓油流量的精確控制,使輸出機構(gòu)實現(xiàn)高精度輸出[7]。輸出機構(gòu)采用齒輪齒條的輸出形式,在減小體積的同時滿足大扭矩輸出的要求。行程指示機構(gòu)為防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)位置反饋的關(guān)鍵部件,設(shè)計采用自行研發(fā)的高精度霍爾位置傳感器,實現(xiàn)輸出位置的準確反饋。

3 油路方案

防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的油路方案如圖2所示。采用電動傳動時,由電機帶動齒輪泵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生油壓,通過電動油路部分,帶動輸出機構(gòu)轉(zhuǎn)動。采用手動傳動時,由手動泵吸油產(chǎn)生油壓,通過手動油路部分,帶動輸出機構(gòu)轉(zhuǎn)動。

▲圖2 防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)油路方案

4 技術(shù)參數(shù)

防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的技術(shù)參數(shù)見表1,其防爆等級為ExdIICT4。

表1 防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)參數(shù)

5 性能試驗

5.1 試驗內(nèi)容

防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)本質(zhì)上依舊屬于電動執(zhí)行機構(gòu),為驗證防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)是否滿足設(shè)計要求,對其進行性能試驗,具體項目包括轉(zhuǎn)矩設(shè)置、轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差、全行程時間、保壓能力。

試驗系統(tǒng)主要由試驗臺本體、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、試驗軟件、多功能控制箱組成,試驗臺本體由接口部分、加載裝置、轉(zhuǎn)矩信號傳感器、行程位置傳感器組成[8-10],如圖3所示。通過計算機控制試驗臺的加載及防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的運動,從而采集轉(zhuǎn)矩信號傳感器和光電編碼器的信號,得出防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩設(shè)置、轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差、全行程時間等參數(shù)。

▲圖3 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2 輸出扭矩

輸出扭矩是防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的一項重要參數(shù),輸出扭矩達到設(shè)計要求是保障防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)在運行過程中能夠滿足現(xiàn)場要求的關(guān)鍵。筆者針對防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的輸出扭矩，進行開關(guān)方向上的試驗各三次,試驗結(jié)果如圖4所示。開關(guān)方向各三次試驗中,每次所測得的輸出扭矩均大于4 000 N·m,滿足設(shè)計要求。關(guān)向輸出扭矩平均值為4 198 N·m,開向輸出扭矩平均值為4 060 N·m,輸出扭矩偏差滿足小于±10%的標準要求。

▲圖4 輸出扭矩試驗結(jié)果

5.3 行程重復(fù)偏差

行程重復(fù)偏差反映電液執(zhí)行機構(gòu)每次運行過程中實際位置與理想位置的偏差,直接表征防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)在實際運行過程中的位置精度。筆者針對防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的行程重復(fù)偏差,進行開關(guān)方向上的試驗各三次,試驗結(jié)果如圖5所示。開關(guān)方向各三次試驗中,每次所測得的行程重復(fù)偏差均小于1°,滿足設(shè)計要求。最大行程重復(fù)偏差出現(xiàn)在第2次開向試驗,結(jié)果為0.26°。行程重復(fù)偏差試驗結(jié)果顯示,采用變頻控制的防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)具有較高的位置精度。

▲圖5 行程重復(fù)偏差試驗結(jié)果

5.4 全行程時間

電液執(zhí)行機構(gòu)的全行程時間是現(xiàn)場運行過程中的一項重要參數(shù)。防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)大部分用于石化行業(yè),石化行業(yè)對防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的運行時間較為關(guān)注。筆者針對防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的全行程時間,進行開關(guān)方向上的試驗各三次,試驗結(jié)果如圖6所示。試驗結(jié)果顯示,防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的全行程時間為22 s左右,最大偏差出現(xiàn)在第1次開向試驗,偏差為0.3 s。

▲圖6 全行程時間試驗結(jié)果

5.5 保壓能力

防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)采用液壓力作為動力源,保壓能力直接表現(xiàn)為輸出扭矩的保持效果。目前行業(yè)要求電液執(zhí)行機構(gòu)的保壓能力要求為48 h內(nèi)壓降小于最大保壓上限的20%。對防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)進行保壓能力試驗,將運行壓力增大至設(shè)計壓力上限,并記錄壓力變化情況。保壓能力試驗結(jié)果如圖7所示。防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)在保壓能力試驗中,最小壓力為11.9 MPa,最大壓力為12.31 MPa,壓差為0.41 MPa,壓降遠小于保壓上限的20%。防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的壓力波動隨時間變化呈現(xiàn)S形波動,當(dāng)夜晚氣溫降低后,壓力自然減小,當(dāng)白天溫度升高后,壓力也隨之增大。比較試驗初始時刻壓力與試驗結(jié)束時刻壓力,壓差僅為0.09 MPa,因此,對于電液執(zhí)行機構(gòu)的保壓能力試驗,應(yīng)綜合考慮溫度的影響。

▲圖7 保壓能力試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

針對石化行業(yè),筆者研制了一種大輸出扭矩、部分回轉(zhuǎn)、運行穩(wěn)定的防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu),并采用試驗系統(tǒng)進行性能試驗。

防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的輸出扭矩試驗結(jié)果均大于4 000 N·m,滿足設(shè)計要求,同時輸出扭矩偏差小于±10%。

采用變頻控制方案,能夠有效提高防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的位置精度,最大誤差僅為0.26°。

空載情況下,防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的全行程時間最大誤差僅為0.3 s。

保壓能力試驗中,防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)的壓力隨時間呈S形波動,溫度降低時,壓力減小,溫度升高后,壓力增大。

防爆型雙作用電液執(zhí)行機構(gòu)進行保壓能力試驗時,應(yīng)充分考慮溫度的影響,進行綜合評定。