抽汽碟閥電液雙作用執(zhí)行器設(shè)計(jì)

王永佳

（沈陽東北電力調(diào)節(jié)技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110179）

0 引言

抽汽碟閥電液雙作用執(zhí)行器，除了具備常規(guī)電液雙作用執(zhí)行器體積小、相應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)外，還具備扭矩大與快速關(guān)閉的特點(diǎn)[2]。抽汽碟閥電液雙作用執(zhí)行器正逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)械式油動控制機(jī)構(gòu)，成為石油管道、氣體管道及電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[5]油動機(jī)改造的重要設(shè)備。近年來許多研究者對執(zhí)行裝置——REXA執(zhí)行器（美國REXA公司生產(chǎn)的智能型機(jī)、電、液一體化執(zhí)行器）的應(yīng)用進(jìn)行了研究[4，8]，但均作為單作用執(zhí)行器應(yīng)用。

隨著管道系統(tǒng)與汽輪機(jī)系統(tǒng)對智能化要求的不斷提高，研究雙作用執(zhí)行器系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化與節(jié)能化控制具有重要意義。同時(shí)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為后續(xù)采用雙作用執(zhí)行器調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為高效快速推進(jìn)雙作用執(zhí)行器智能化與精細(xì)化控制應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原理及動作說明

1.1 原理

抽汽碟閥雙作用電液執(zhí)行器的原理圖如圖1所示。

雙點(diǎn)劃線右側(cè)為外供EH油源部分原理，主要用于給執(zhí)行器提供壓力油、保護(hù)油、有壓回油及無壓回油接口。為提高機(jī)組自動化水平，提高系統(tǒng)的抗污染能力，進(jìn)一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而采用REXA執(zhí)行器與撥叉機(jī)構(gòu)配合調(diào)節(jié)的方式。

外部油源部分為用戶EH系統(tǒng)提供管路，其配套電磁閥、安全閥及蓄能器等元件均基于現(xiàn)場系統(tǒng)參數(shù)要求由用戶匹配。為了保持系統(tǒng)壓力，壓力油P管路設(shè)置2個(gè)25L蓄能器，每個(gè)蓄能器匹配穩(wěn)壓系統(tǒng)一套（穩(wěn)壓系統(tǒng)主要由安全閥閥、溢流閥構(gòu)成組合回路，當(dāng)蓄能器充壓壓力超過設(shè)定壓力時(shí)，壓力油通過系統(tǒng)回油T管路溢流，返回油箱），保障蓄能器壓力穩(wěn)定。壓力油P進(jìn)入蓄能器前，油路設(shè)置2個(gè)電磁閥（一用一備）并聯(lián)于壓力油P管路。當(dāng)需要系統(tǒng)快速動作時(shí)，電磁閥得電動作，蓄能器內(nèi)液壓油通過壓力油P管路進(jìn)入控制滑閥并最終進(jìn)入撥叉執(zhí)行器機(jī)構(gòu)油缸，實(shí)現(xiàn)撥叉執(zhí)行器快速動作。

雙點(diǎn)劃線左側(cè)則為執(zhí)行器內(nèi)部液壓原理圖，由REXA執(zhí)行器[7]、撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)（含單作用油缸）、控制滑閥、反饋杠桿、OPC電磁閥、配套電氣控制箱以及各附件間連接的不銹鋼管及對應(yīng)的管接頭組成。不僅具備正常調(diào)節(jié)閥門開度的功能，還具備快速關(guān)閉功能。

當(dāng)撥叉執(zhí)行器動作時(shí)，控制系統(tǒng)給予REXA執(zhí)行器指令，REXA執(zhí)行器調(diào)整其油缸活塞桿伸出長度，此時(shí)控制滑閥閥芯位置變化，壓力油P通過控制滑閥進(jìn)入撥叉執(zhí)行器機(jī)構(gòu)油缸，撥叉執(zhí)行器機(jī)構(gòu)開始動作，同時(shí)通過杠桿組件機(jī)構(gòu)施加與控制滑閥閥芯運(yùn)動方向相反的作用力，隨后控制滑閥閥芯恢復(fù)至初始位置，壓力油P被控制滑閥截?cái)?，撥叉?zhí)行器完成動作[3]。

1.2 執(zhí)行器動作說明

1.2.1 閥門正常開關(guān)

在控制箱未接收到快速關(guān)閉指令時(shí)，執(zhí)行器可接受并響應(yīng)4mA～20mA調(diào)節(jié)指令信號，當(dāng)指令增加時(shí)，控制滑閥的閥芯向上移動，壓力油進(jìn)入油缸無桿腔，驅(qū)動撥叉執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動閥門開啟，同時(shí)杠桿機(jī)構(gòu)又使閥芯往下移動，當(dāng)閥芯正好回到中位時(shí)，油缸及閥門就不再動作。反之，當(dāng)指令減少時(shí)，閥芯往下移動，閥門開始關(guān)閉，同時(shí)杠桿機(jī)構(gòu)又使閥芯往上移動，當(dāng)閥芯又回到中位時(shí)閥門就保持當(dāng)前位置不再繼續(xù)關(guān)閉。當(dāng)無指令變化時(shí)，閥門也保持當(dāng)前位置不變。

為了提供閥門位置信息，使用了一個(gè)由薄膜式電位計(jì)組成的反饋組件單元，該電位計(jì)與輸出軸直接機(jī)械連接，沖擊負(fù)荷和振動對讀數(shù)沒有影響，它實(shí)時(shí)給電控箱反饋閥位信號，以保證閥門開度滿足調(diào)節(jié)指令要求。

如果在運(yùn)行過程中因?yàn)橛透變?nèi)泄漏造成閥門位置漂移，則在反饋杠桿的作用下又使滑閥閥芯做相反方向的移動，壓力油進(jìn)入油缸的對應(yīng)腔，驅(qū)動撥叉及閥門動作，使閥門漂移的位置自動糾回。

1.2.2 快速關(guān)閉

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到快速關(guān)閉指令信號后，電氣控制箱使OPC電磁閥失電，插裝閥上腔的控制油與回油接通，插裝閥開啟，控制滑閥下的壓力油迅速卸掉，控制滑閥閥芯快速下移，壓力油迅速進(jìn)入油缸有桿腔，驅(qū)動撥叉和閥門快速關(guān)閉。另外，在快速關(guān)閉指令給出的同時(shí)，OPC油壓也開始跌落，這樣即使電磁閥仍帶電，插裝閥也會開啟，從而導(dǎo)致閥門關(guān)閉。

1.3 電氣原理

執(zhí)行器有3種運(yùn)行方式，即自動（遠(yuǎn)控）模式、就地模式和設(shè)定模式。當(dāng)電源接通時(shí)，執(zhí)行器處在上述3種運(yùn)行模式之一。執(zhí)行器斷電后，當(dāng)再恢復(fù)電源時(shí)，執(zhí)行器會維持上一次的運(yùn)行模式。當(dāng)執(zhí)行器處在自動模式時(shí)，它會根據(jù)控制信號，通過自動調(diào)節(jié)到達(dá)目標(biāo)位置。當(dāng)執(zhí)行器處在現(xiàn)場模式時(shí)，可以通過手動方式來調(diào)節(jié)執(zhí)行器位置。當(dāng)執(zhí)行器處在設(shè)定模式時(shí)，可以對執(zhí)行器進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)可設(shè)置其運(yùn)行參數(shù)。這3種方式的切換可通過同時(shí)按下并釋放位置處理器3個(gè)按鍵中的2個(gè)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)請求改變工作模式時(shí)，執(zhí)行器會自動響應(yīng)，并顯示所需的運(yùn)行模式。

設(shè)定模式：當(dāng)執(zhí)行器處在設(shè)定模式時(shí)，用戶可以根據(jù)自己的需要對執(zhí)行器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括密碼、速度、加速度、全開位置、全關(guān)位置、死區(qū)、無擾動切換、故障安全模式、信號類型、高信號和低信號。此時(shí)執(zhí)行器處在離線狀態(tài)，不會響應(yīng)控制信號，用戶可通過3個(gè)按鍵來控制執(zhí)行器，也可通過手輪來驅(qū)動執(zhí)行器。

就地模式：當(dāng)執(zhí)行器進(jìn)入現(xiàn)場模式后，位置處理控制器上的顯示屏顯示其當(dāng)前位置?，F(xiàn)場模式提供下列3種功能：手動操作，可通過3個(gè)按鍵來控制執(zhí)行器，也可通過手輪來驅(qū)動執(zhí)行器；查看當(dāng)前實(shí)時(shí)控制信號；查找最后一次錯(cuò)誤代碼，為快速檢查故障原因提供參考。在就地模式下，執(zhí)行器同樣處在離線狀態(tài)，不會響應(yīng)控制信號。

自動模式：處在自動模式時(shí)，執(zhí)行器會自動響應(yīng)4mA～20mA控制信號?？刂菩盘柋徊杉M(jìn)控制單元，并轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器的目標(biāo)位置，如果它與當(dāng)前位置的偏差超過死區(qū)設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行器就會以預(yù)先設(shè)定的速度達(dá)到目標(biāo)位置。

2 主要參數(shù)和功能特點(diǎn)

主要參數(shù)和功能特點(diǎn)如下。1）采用EH系統(tǒng)高壓抗燃油的壓力油作為動力源；2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)在給定開關(guān)量信號（快速關(guān)閉）時(shí)，實(shí)施閥門的快速關(guān)閉動作，快速關(guān)閉時(shí)間小于0.5s；3）設(shè)有執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障報(bào)警輸出信號，以便在上位機(jī)畫面上監(jiān)視執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)；4）設(shè)有4mA～20mA執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置輸出信號，閥位信號送給主控室；5）調(diào)節(jié)控制時(shí)間，全行程時(shí)間（90°）≤20s；6）快速關(guān)閉信號為無源接點(diǎn)信號，且具有最高的優(yōu)先級；7）動力電源：AC220V/4A；8）額定工作扭矩：22000N·m；9）執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度1%；10）對工作介質(zhì)的清潔度要求不高，NAS1638-9級即可；11）具備OPC自動關(guān)閉功能，當(dāng)OPC電磁閥動作時(shí)，閥門自動快速關(guān)閉；12）執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)，閥門原位保持。

3 參數(shù)計(jì)算及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)計(jì)算

3.1.1 油缸缸徑、蓄能器容積及油管路通徑計(jì)算

該執(zhí)行器配套閥門為碟閥，其額定出力達(dá)到22000N·m。由于碟閥要求的出力是在全開和全關(guān)位置時(shí)最大，在中間運(yùn)行狀態(tài)要求的出力非常小，其力矩特性與撥叉的出力特性非常匹配，因此以下所有的計(jì)算均基于選用撥叉機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動閥門裝置而進(jìn)行。參考以往的設(shè)計(jì)選取撥叉最小的力臂為143.5mm，再根據(jù)要求的力矩可計(jì)算得到油缸的缸徑為110mm，按此缸徑和動作行程算得的蓄能器容量為49.40L，現(xiàn)場須配套2個(gè)25L蓄能器。再根據(jù)容積和動作時(shí)間計(jì)算出最大流量，從而計(jì)算得到的油管路尺寸為回油管為φ50mm×4mm（外徑×壁厚），進(jìn)油管為φ33mm×4.5mm（外徑×壁厚）。

3.1.2 控制滑閥及快動電磁閥選型計(jì)算

根據(jù)上面得到的最大流量可計(jì)算出控制滑閥的閥芯直徑為30mm，再根據(jù)滑閥參數(shù)計(jì)算出需要的最大電磁閥流量，從而選用DN10電磁閥。

3.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括控制滑閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、油缸設(shè)計(jì)、撥叉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、反饋杠桿型線設(shè)計(jì)和閥門反饋裝置設(shè)計(jì)。

3.2.1 控制滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該項(xiàng)目的關(guān)鍵之一，除了要實(shí)現(xiàn)前面所說的原理外，還得盡量減少內(nèi)泄漏以維持EH油系統(tǒng)壓力，另外考慮與其他部件如何有機(jī)地形成一個(gè)整體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 控制滑閥結(jié)構(gòu)示意圖

滑閥套筒和殼體之間選擇O型圈密封，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；y的直徑選擇了30mm，與套筒之間的間隙選擇了0.008mm～0.012mm；閥芯和套筒材質(zhì)均采用38CrMoAlA，表面氮化處理?；y閥芯偏離中間位置，向上最大行程1.5mm；向下最大行程17mm?；y殼體上有3個(gè)油口，尺寸分別按前面計(jì)算尺寸，接頭間采用O型圈密封，接頭與滑閥殼體之間也采用O型圈密封?；y上下蓋板與殼體均采用O型圈密封，上下板還預(yù)留聯(lián)接螺紋，分別與杠桿、試驗(yàn)底板連接?；y下蓋板與OPC電磁閥塊連接到一起。

3.2.2 油缸的設(shè)計(jì)

油缸的設(shè)計(jì)除了要按前面所說的缸徑進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需考慮密封結(jié)構(gòu)、緩沖裝置[10]和總行程的設(shè)計(jì)[1]，同時(shí)也需要考慮與撥叉機(jī)構(gòu)的連接方式。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 油缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 撥叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撥叉機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器出力的最重要的環(huán)節(jié)，既要考慮如何與油缸有機(jī)地連接起來還得考慮如何與杠桿機(jī)構(gòu)形成負(fù)反饋，同時(shí)在撥叉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加工工藝性及自身潤滑問題，此外執(zhí)行器的限位調(diào)節(jié)裝置也是在撥叉箱體上實(shí)現(xiàn)的。撥叉機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 撥叉機(jī)構(gòu)內(nèi)部示意圖

3.2.4 杠桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

杠桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)際上就是考慮如何設(shè)計(jì)杠桿型線使整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)成線性調(diào)節(jié)，通過計(jì)算最終確定杠桿型線由五段直線擬合而成。杠桿型線示意圖如圖5所示。

圖5 杠桿型線示意圖

3.2.5 閥門反饋裝置的設(shè)計(jì)

反饋裝置除了要真實(shí)地反映閥門實(shí)際位置外，還要考慮執(zhí)行器一般都使用在高溫環(huán)境溫度的特殊工況，選擇的元器件需要耐高溫，此外還需要在反饋裝置外部設(shè)置機(jī)械刻度以顯示當(dāng)前實(shí)際開度。

3.3 執(zhí)行器外形示意圖

為了保證該執(zhí)行器使用后不會出現(xiàn)緊固件松動導(dǎo)致漏油或者執(zhí)行器動作不正常，在執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還在關(guān)鍵地方選用了高品質(zhì)防松墊圈——鬧得牢墊圈；同時(shí)為了確保杠桿反饋機(jī)構(gòu)可靠，在各連桿固定銷的配合間隙方面也做了一番考慮，最終設(shè)計(jì)出來的執(zhí)行器如圖6所示。

圖6 執(zhí)行器外形示意圖

4 試驗(yàn)總結(jié)

抽汽碟閥雙作用電液執(zhí)行器自身不帶油源，因此須利用檢修試驗(yàn)臺JXSXT-100的油源部分并配備適當(dāng)?shù)墓苈泛颓蜷y，對模擬最終現(xiàn)場使用的原理進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)臺油源與執(zhí)行器（實(shí)際就是與控制滑閥相連）連接示意圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺油源與執(zhí)行器連接示意圖

重點(diǎn)進(jìn)行了靜態(tài)性能試驗(yàn)、執(zhí)行器全開及全關(guān)試驗(yàn)并進(jìn)行了快速關(guān)閉試驗(yàn)。執(zhí)行器的定位精度小于全行程的1%。執(zhí)行器從全開到全關(guān)的動作時(shí)間為9.6s。執(zhí)行器從全關(guān)到全開的動作時(shí)間為7.6s。執(zhí)行器的快速關(guān)閉時(shí)間為0.4s。

通過微調(diào)杠桿反饋機(jī)構(gòu)支撐座的相對高度可使執(zhí)行器的控制精度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為了避免快速關(guān)閉指令消除后執(zhí)行器出現(xiàn)不期望的動作，在給快速關(guān)閉指令的同時(shí)，DCS應(yīng)同時(shí)給執(zhí)行器的控制指令置0，這樣即使快速關(guān)閉指令消失，執(zhí)行器也會保持在關(guān)位。如果想進(jìn)一步提高控制精度，需要改進(jìn)杠桿型線設(shè)計(jì)，型線由原始的5段直線擬合細(xì)分成更多段直線擬合而成?？赏ㄟ^在控制滑閥的壓力油管進(jìn)油管接頭處設(shè)置節(jié)流孔，來調(diào)整快動時(shí)間使其符合現(xiàn)場運(yùn)行要求。

5 結(jié)語

抽汽碟閥電液雙作用執(zhí)行器及其配套機(jī)構(gòu)系統(tǒng)正逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)械式油動機(jī)構(gòu)控制，并且在應(yīng)用中取得了很好的效果。該文全面且系統(tǒng)地介紹了整套機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)流程等，為推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造、管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)及精細(xì)化控制系統(tǒng)等應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案[6]。