淺談電動執(zhí)行器的選型應(yīng)用及發(fā)展趨勢

付建林

摘要： 介紹了國內(nèi)電動執(zhí)行器的應(yīng)用現(xiàn)狀及國際智能電動執(zhí)行器的發(fā)展?fàn)顩r，指出電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)、原理、選型和應(yīng)用，并給出相應(yīng)的日常維護(hù)保養(yǎng)建議。

Abstract： The application status of domestic electric actuators and the development status of international intelligent electric actuators are introduced， and the structure， principle， selection and application of electric actuators are pointed out， and corresponding daily maintenance suggestions are given.

關(guān)鍵詞： 電動執(zhí)行器;原理結(jié)構(gòu);現(xiàn)狀;應(yīng)用及案例;困難;日常維護(hù);發(fā)展趨勢

Key words： electric actuator;principle structure;status quo;application and case;difficulty;daily maintenance;development trend

中圖分類號：X505 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0076-03

0 ?引言

電動執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個十分重要的驅(qū)動裝置。它是利用電力能源作為動力，接受一定的信號并將其功率放大后，將其轉(zhuǎn)換成輸出軸相應(yīng)的轉(zhuǎn)角或直線位移，來推動各種控制機構(gòu)完成作業(yè)過程。其具有其動力取用方便、安裝調(diào)試簡單等特點，在石油、化工、煤炭等多個工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

1 ?電動執(zhí)行器的基本介紹

1.1 電動執(zhí)行器的種類很多，主要有以下兩種分類方式。

①按照執(zhí)行器運動形式不同可以分為3類見表1。

②根據(jù)閥門的作用不同又可將分為開關(guān)型和調(diào)節(jié)型兩大類。主要區(qū)別：開關(guān)型一般是實現(xiàn)對球閥的開或關(guān)控制，對介質(zhì)流量不需要精確控制。而調(diào)節(jié)型既具有開關(guān)型的結(jié)構(gòu)，還要能夠精確調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。

1.2 電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和工作原理

電動執(zhí)行器主要結(jié)構(gòu)如圖1。主要由伺服電機、機械減速和位置發(fā)送器三部分組成。①減速箱包括底座、齒輪、手輪、渦輪蝸桿、出軸、聯(lián)軸器等。②電機包括直流電機、單相電機、三相電機、變頻電機等。③位置發(fā)送器，主要是接收和輸出位置電流信號。

工作原理如圖2。

1.3 電動執(zhí)行器的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點主要有：動力源取用方便;信號靈敏度和精度高，且傳輸距離遠(yuǎn)，便于控制;安裝方便、接線簡單;還具有抗偏離能力強的特點。

缺點主要有：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，容易發(fā)生故障，對維護(hù)人員的技術(shù)水平要求高;調(diào)節(jié)太頻繁，容易造成電機和電氣元件過熱燒壞，也會加大對減速齒輪的磨損;還有運行較慢的缺點。

2 ?國際、國內(nèi)發(fā)展和使用狀況及目前面臨困境

2.1 國際發(fā)展和使用狀況

自1929年 LIMITORQUE公司制造出了世界上第一臺電動執(zhí)行機構(gòu)以來，國際上電動執(zhí)行器技術(shù)水平發(fā)展迅速。由于互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前國外新型智能化電動執(zhí)行器已經(jīng)具備了智能化、信息化、自動化等高精尖技術(shù)，還有防水防爆等新功能。

2.2 國內(nèi)發(fā)展和使用狀況

我國電動執(zhí)行器的研制起步較晚，開始是從蘇聯(lián)有觸點的執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行仿制的。后來逐步開發(fā)了DDZ-II型和DDZ-III型兩種產(chǎn)品。80年代以來，又開發(fā)了無觸點的 DKJ型角行程和DKZ型直行程兩款。隨著現(xiàn)代工控計算機管理的應(yīng)用發(fā)展，我國多數(shù)產(chǎn)品也實現(xiàn)了智能化，但與國際先進(jìn)的智能化電動執(zhí)行器相比，仍存在控制方式落后，可靠性不高，不能連接網(wǎng)絡(luò)、不能遠(yuǎn)程控制等問題。

2.3 國內(nèi)電動執(zhí)行器發(fā)展面臨的困境

①生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)品技術(shù)含量低，更新?lián)Q代慢。

目前，我國電動執(zhí)行器生產(chǎn)企業(yè)約有幾千家，年銷售收入超過一個億元的僅有幾家。這種小規(guī)模的企業(yè)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)差，競爭能力弱，與同行業(yè)國際知名企業(yè)的競爭就更加困難。產(chǎn)品大都屬于一般技術(shù)含量或勞動密集型產(chǎn)品，引入的工業(yè)新技術(shù)少，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢。

②企業(yè)管理水平低下，技術(shù)人員欠缺新知識。

企業(yè)技術(shù)管理人才短缺且管理水平低，研發(fā)和管理上投入少，缺少專項培訓(xùn)，技術(shù)人員對國際新技術(shù)掌握欠缺，導(dǎo)致電動執(zhí)行器的發(fā)展很難跟上國際步伐。

3 ?電動執(zhí)行器的未來發(fā)展方向

電子、計算機及通訊技術(shù)的快速發(fā)展必將推動電動執(zhí)行器快速更新?lián)Q代?？刂凭葘⒃絹碓礁撸褂铆h(huán)境越來越廣，功能越來越強，可靠性越來越高的新技術(shù)將被應(yīng)用在各行各業(yè)中，以適應(yīng)不斷的社會發(fā)展需要。未來先進(jìn)的電動執(zhí)行器具備以下新技術(shù)：

①數(shù)字化、智能化;②微型化、一體化;③網(wǎng)絡(luò)化、信息化。數(shù)字化、智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，因此數(shù)字化和智能化電動執(zhí)行器將應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法來提高控制性能。微型化和一體化，使得執(zhí)行器的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化，減少了因信號傳輸中的泄露和干擾等因素對系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性。電動執(zhí)行器的發(fā)展也應(yīng)以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，具備與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)連接能力，提高信息傳播的速率和范圍，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。

4 ?電動執(zhí)行器選型步驟

第一步：電動執(zhí)行器的類型選擇：①首先根據(jù)需要的閥門種類來選擇電動執(zhí)行器的類型：閥門的種類很多，工作原理也不一樣，有些以轉(zhuǎn)動閥板角度實現(xiàn)開關(guān)控制、有的以升降閥板來實現(xiàn)啟閉開關(guān)控制。所以選用電動執(zhí)行器配套時要先應(yīng)看閥門的類型，看需要哪種控制方式。②再根據(jù)生產(chǎn)工藝要求來確定電動執(zhí)行器的控制模式：是選擇開關(guān)型（開環(huán)控制），還是選擇調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）。第二步：根據(jù)閥門開、關(guān)所需的扭力確定電動執(zhí)行器的輸出扭力：需要先了解閥門啟閉所需的最大扭力，再依據(jù)扭力選擇輸出扭力適合的電動執(zhí)行器。閥門正常啟閉所需的扭力由閥門口徑大小、工作壓力等因素決定。第三步：根據(jù)所選電動執(zhí)行器確定電氣參數(shù)：因不同執(zhí)行器廠家的電氣參數(shù)有所差別，所以設(shè)計選型時需要電氣方面人員確定其電氣參數(shù)（主要有電機功率、額定電流、二次控制回路電壓等），往往在這方面的疏忽，結(jié)果控制系統(tǒng)與電動執(zhí)行器參數(shù)不匹配造成工作時空開跳閘、保險絲熔斷、熱過載繼電器保護(hù)起跳等故障現(xiàn)像。第四步：根據(jù)使用場合選擇外殼防護(hù)等級、防爆等級。第五步：選擇合適的減速箱或推力轉(zhuǎn)換裝置。

在相同功率情況下，使用減速箱放大力矩同時，轉(zhuǎn)速就會減少，會使閥門行程時間變長，所以選擇減速箱的減速比時，應(yīng)在保證閥門正常開關(guān)和滿足行程時間兩者之間，選取中間最佳值。廠家輸出裝置的螺紋摩擦系數(shù)、螺距等都不同，要選擇合適的推力轉(zhuǎn)換裝置。

5 ?電動執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)計算

電動執(zhí)行機構(gòu)輸出力矩大小和特性是選型最主要的參數(shù)。

5.1 確定閥門最大操作力矩

閥門操作力矩是指閥門開啟或關(guān)閉時所需的力矩，與閥門的結(jié)構(gòu)形式、口徑大小、工作壓力和摩擦系數(shù)等相關(guān)。力矩數(shù)值可以通過查閱相關(guān)資料和詢問閥門生產(chǎn)廠家等方式獲取。

5.2 確定電動執(zhí)行機構(gòu)輸出力矩

輸出力矩是電動執(zhí)行機構(gòu)的重要參數(shù)，具體數(shù)值可以通過功率和轉(zhuǎn)速的計算公式得出。值得注意是，在實際應(yīng)用中，操作壓力、溫度、介質(zhì)密度和黏度這些影響因素往往是波動的，導(dǎo)致實際閥門開啟、關(guān)閉力力矩有很大變化。為了滿足穩(wěn)定工作要求，輸出力矩一般預(yù)留至少1.2～1.5倍的安全系數(shù)。

參數(shù)的計算可以按照如下公式計算：

執(zhí)行機構(gòu)力矩=閥門推力*安全系數(shù)（1.2～1.5）

執(zhí)行機構(gòu)全行程圈數(shù)=閥門行程高度×圈數(shù)行程系數(shù)

執(zhí)行機構(gòu)全行程圈數(shù)=閥門行程高度×圈數(shù)行程系數(shù)

力矩推力系數(shù)——直行程輸出裝置的輸入力矩和輸出推力的比例系數(shù)，N·m/kN;

圈數(shù)行程系數(shù)——直行程輸出裝置的圈數(shù)和行程的比例系數(shù)r/mm。

6 ?電動執(zhí)行器在我公司應(yīng)用情況

使用案例一：用于105型節(jié)流閥試驗中。

⑤復(fù)核閥桿強度。

根據(jù)閥門供貨商提供的閥桿強度為429N·m，大于執(zhí)行機構(gòu)的整機輸出力矩。

⑥根據(jù)現(xiàn)場條件選用額定頻率50Hz、額定電壓380V、額定電流2.3A，外殼防護(hù)等級IP67的電動執(zhí)行器，電氣參數(shù)指標(biāo)符合我們的項目設(shè)計要求。

選型結(jié)論：選擇SMC03型可以滿足使用要求。

使用案例二：用于泥漿泵實驗臺節(jié)流管匯上。

我們的產(chǎn)品泥漿泵要在試驗臺上進(jìn)行出廠試驗，試驗最高壓力為101MPa。原來都是由操作人員旋轉(zhuǎn)節(jié)流閥閥門來調(diào)控壓力。試驗臺空間狹窄，管匯壓力大，容易泄露，對人身安全存在很大的風(fēng)險。通過計算節(jié)流閥的最大扭矩和轉(zhuǎn)換裝置的選用，選取適合的電動執(zhí)行器，設(shè)計連接裝置完成連接安裝后，又設(shè)計并安裝了操控平臺和移動操控車，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。既提高了生產(chǎn)效率，又增強了安全性能。

7 ?電動執(zhí)行器的日常檢查和維護(hù)保養(yǎng)

為了安全、可靠、有效地使用電動執(zhí)行器，避免出現(xiàn)因電動執(zhí)行機構(gòu)失靈導(dǎo)致管匯壓力劇增引發(fā)事故，我們?yōu)槭褂脝挝痪幹屏恕峨妱訄?zhí)行機構(gòu)使用維保規(guī)范》，規(guī)范重主要包括以下幾方面內(nèi)容：①日常檢查要點：電動執(zhí)行機構(gòu)使用前需要檢查：1）檢查執(zhí)行機構(gòu)是否能正常運行，關(guān)到位和開到位是否正常;2）檢查電氣線路、電源開關(guān)、安全限位是否安全可靠;3）檢查齒輪箱潤滑情況，是否潤滑正常;

4）檢查手輪手動方式是否正常;5）檢查執(zhí)行機構(gòu)是否顯示報警信息;6）檢查執(zhí)行機構(gòu)制動動作是否正常，制動是否可靠;電動執(zhí)行機構(gòu)使用中需要注意：7）檢查執(zhí)行機構(gòu)運行時電機的轉(zhuǎn)動聲音是否平穩(wěn)正常;8）檢查執(zhí)行機構(gòu)運行時電機的溫升情況，是否正常。

②維護(hù)保養(yǎng)要點：1）加強潤滑和清潔度的管理。電動執(zhí)行器使用潤滑油，其粘度隨油溫變化而變化。如果粘度過低，會使渦輪蝸桿及齒輪等傳動部件的磨損增大，造成傳動精度下降;如果粘度過高，會影響正常動作，造成零部件損壞。另外，渦輪蝸桿等傳動部件磨損、老化產(chǎn)生的鐵屑、雜質(zhì)、水分的滲入，會造成內(nèi)部出現(xiàn)涂層的脫落、銹蝕，這些因素都會影響潤滑油的清潔度。2）及時解決潤滑油脂泄漏問題。由于電動執(zhí)行器動作頻率高、速度快，容易引起振動，這些因素極易導(dǎo)致潤滑油脂泄漏，一旦潤滑油脂泄漏，需要及時加以解決，避免出現(xiàn)事故。3）提高使用和維護(hù)人員的專業(yè)水平。使用和維護(hù)人員專業(yè)水平高，可以提前發(fā)現(xiàn)隱患，及時消除故障，他們掌握知識程度直接影響執(zhí)行機構(gòu)維護(hù)管理質(zhì)量。因此需要加強自身學(xué)習(xí)，努力提高技術(shù)水平，單位應(yīng)提供需要的專業(yè)培訓(xùn)。4）改善電動執(zhí)行機構(gòu)的工作環(huán)境和使用條件。電動執(zhí)行機構(gòu)的可靠性和壽命長短與使用情況、所處的環(huán)境條件、人員素質(zhì)等因素有著直接的關(guān)系。在管理上改善其工作環(huán)境與使用條件，使之延長壽命。

③電動執(zhí)行機構(gòu)的常見故障：1）電動執(zhí)行器指示燈的故障：在電動執(zhí)行器通電的情況下，指示燈出現(xiàn)不亮的情況，就是通過信號動作，也起不了作用，這個時候應(yīng)當(dāng)要檢查保險管是否完好，如果完好，通過綜合故障的分析，那么很有可能會是伺放板的電源部分出了故障，接下來再通過萬用表來檢測指示燈，也可以嘗試更換一下指示燈，看看是不是指示燈的故障。2）閥門不能開啟到位。閥門電動、手動皆不能使閥門打到全開位置，且開啟力矩較大。引起故障因素有閥桿螺母螺紋有部分損壞、有異物卡澀在閥門內(nèi)部、螺距不均勻等。如果是閥桿或閥桿螺母螺紋有損壞或螺距不均勻，解決方法是應(yīng)及時更換損壞零部件;如有異物卡澀，解決方法是拆解閥門，檢查卡澀情況，去除異物，弄清產(chǎn)生異物原因并從源頭加以控制。3）閥門開啟位置與閥門中流量不成比例。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，需要對設(shè)備進(jìn)行檢查，如閥門開度僅達(dá)到滿行程的10%，而流量已達(dá)額定流量的90%，已大大超過設(shè)計流量。發(fā)生原因主要是儀控在畫面上的模擬信號與實際反饋信號不一致;閥體各連接傳動件的間隙較大;或是限位開關(guān)動作不準(zhǔn)確。專業(yè)維修人員進(jìn)行處理，檢查電氣元件和線路，消除故障;重新調(diào)整限位開關(guān)的位置，使開關(guān)和閥門位置相一致。4）電動執(zhí)行器電機轉(zhuǎn)動的故障。電動執(zhí)行器無論在什么信號之下都沒有動作，在通電的情況下，電機也不會出現(xiàn)運轉(zhuǎn)，就算是將抱閘拆除下來還是沒有任何動作，而且電機的繞組阻值都是限時正常的，人工操作電動執(zhí)行器則顯示正常。檢測結(jié)果顯示正常，則是說明在通電的情況下電機不會轉(zhuǎn)動，那么就有可能是電機的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了問題，這個時候?qū)㈦姍C拆開，你會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子用手都無法擰動，這是因為在轉(zhuǎn)子之間可能會有一層堅固的灰塵，當(dāng)將這層灰塵清楚之后，只需要加上一點潤滑油，轉(zhuǎn)子又可以擰動了，將電機裝好，通電之后就會顯示正常了。

8 ?管理規(guī)范執(zhí)行情況

為了人員和設(shè)施的安全，加強管理規(guī)范執(zhí)行效果，編制了電動執(zhí)行機構(gòu)檢查表。表中需要填寫檢查日期、檢查人員、檢查內(nèi)容、檢查情況、問題解決情況，問題負(fù)責(zé)人等內(nèi)容，方便員工開展工作。

9 ?結(jié)束語

電動執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展。隨著不斷發(fā)展，我們公司使用的電動執(zhí)行器產(chǎn)品種類越來越多，目前僅應(yīng)用在設(shè)備設(shè)施上，未來我們還將更多地應(yīng)用在產(chǎn)品上。

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