直行程電動執(zhí)行器電位器連接臂磨損試驗分析

馬傳鑫,李曉蘭

(重慶川儀自動化股份有限公司執(zhí)行器分公司,重慶 401121)

電動執(zhí)行器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中,其在控制系統(tǒng)需要對閥門實現(xiàn)控制、調(diào)節(jié)時,確保閥門開度在指定位置,保證系統(tǒng)正常工作,實現(xiàn)對各種過程參數(shù)的自動控制[1]。電位器是用于閥位檢測的裝置,能夠?qū)崟r檢測閥位開關(guān)行程變化[2]。電位器由3個外接電氣端子組成,其中有2個固定端、1個變化端,變化端與電位器內(nèi)部的滑動端子的電氣點相連,滑動端子的滑動塊與執(zhí)行器的閥位軸用連接裝置相連,當(dāng)執(zhí)行器接收輸入信號后,閥位發(fā)生改變,推動電位器滑動塊在電位器兩個固定端之間運動,電位器的輸出電壓隨位移的變化發(fā)生改變,從而實時反饋執(zhí)行器的閥位變化[3]。由于電位器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格便宜,因此被廣泛運用于精度要求相對較低的場合[4]。

目前針對直行程執(zhí)行器電位器滑動端連接方式及磨損的分析研究相對較少,研究成果主要集中在位移傳感器的迭代更新、利用算法提高控制精度等方面,對滑動端連接結(jié)構(gòu)和不同材料的對比研究及試驗數(shù)據(jù)相對缺失。賀春才等[5]通過聯(lián)軸器連接電位器滑動軸和傳動軸,結(jié)構(gòu)簡單、方便調(diào)試。李一峰等[6]設(shè)計了一種適配于圓弧面的直滑電位器的檔位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可提高設(shè)計局限性。昌學(xué)年、劉焱等[7-8]分析對比了不同類型位移傳感器的工作原理、優(yōu)缺點等,用戶可根據(jù)自身需求選擇對應(yīng)的傳感器。何宏斌等[9]通過分析確定調(diào)速器發(fā)生故障的原因是振動引起的電位器繞線與滑動端頻繁振動磨損。

由于電位器滑動端的存在,故電位器滑塊易發(fā)生磨損,造成使用壽命變短、精度降低。本文為解決電位器滑動塊磨損問題,針對原始電位器連接臂結(jié)構(gòu),提出了3種方案——替換材料、改變接觸方式、增加橡膠保護(hù)套,依次進(jìn)行X,Y,Z3個方向的振動試驗。然后依據(jù)試驗結(jié)果,優(yōu)選出更合理的結(jié)構(gòu)方案,為工程實際提供理論支撐和參考依據(jù)。

1 直行程電動執(zhí)行器構(gòu)成

直行程電動執(zhí)行器主要用于各類直線運動閥門的啟閉、調(diào)節(jié)。圖1為直行程執(zhí)行器內(nèi)部示意圖,電位器垂直安裝在箱體內(nèi),與閥位軸平行,電位器滑動端滑塊與電位器連接臂剛性連接,連接臂用螺釘與閥位軸用螺釘擰緊,保證其垂直度。電動執(zhí)行器工作時,電機(jī)帶動蝸輪轉(zhuǎn)動,蝸輪帶動閥位桿轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)閥位桿的上下移動,閥位桿的上下直線運動帶動連接臂上下移動,從而帶動電位器移動端滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)做上下直線運動,進(jìn)行閥位位置數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)閥門的開關(guān)。

圖1 電位器連接臂位置示意圖

2 電位器滑塊連接臂方案對比

電位器連接臂原始結(jié)構(gòu)為鈑金折彎件,如圖2所示,連接臂左側(cè)與電位器滑塊剛性連接,右側(cè)用螺釘與閥位軸相連。

圖2 連接臂原始結(jié)構(gòu)

方案A,電位器連接臂工作原理如圖3所示,實物圖如圖4所示。保持原始結(jié)構(gòu)形狀,將電位器連接臂材料替換為聚四氟乙烯,同時增大電位器滑塊與連接臂的接觸面積,保持原面接觸的接觸方式。

圖3 方案A 圖4 方案A連接臂

方案B,電位器連接臂工作原理如圖5所示,實物圖如圖6所示。連接臂材料替換為聚四氟乙烯,同時在連接臂上、下兩端都安裝小型球頭柱塞,改變接觸方式為球面接觸,球頭柱塞由滾珠、彈簧和螺釘組成,可在豎直方向承受一定彈力,滾珠在豎直方向受到擠壓,可上下運動,具有一定彈力,起減少磨損的作用。

圖5 方案B 圖6 方案B連接臂

方案C,電位器連接臂工作原理如圖7所示,實物圖如圖8所示。連接臂材料替換為聚四氟乙烯,增大接觸面積,保持原面接觸的接觸方式,同時在電位器滑動端滑塊部位增加硅橡膠保護(hù)套。

圖7 方案C 圖8 方案C連接臂

3 振動試驗

振動試驗的目的是通過試驗驗證3種電位器連接臂在高強(qiáng)度載荷下能否滿足使用要求,并驗證3種方案的可行性。振動試驗采用的三軸向振動臺規(guī)格型號為ACT2000-R0220S,具體工作參數(shù)見表1。

表1 振動臺工作參數(shù)

3.1 試驗步驟及內(nèi)容

按照方案A、B、C的順序,依次將連接臂一端用螺釘安裝在閥位軸軸心位置,另一端與電位器滑塊按不同方案分別連接,根據(jù)正確安裝條件和安裝位置,保證其安裝垂直度和平行度,如圖9所示。定義坐標(biāo)系方向如圖10～圖12所示,電位器滑塊剖視面為X軸正方向,電位器指向執(zhí)行器顯示屏方向為Y軸正方向,電位器滑塊向上移動方向為Z軸正方向。分別于底部支座和箱體面安裝位移傳感器,采集其X、Y、Z3個方向的振動位移數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)和實際情況分析,在X、Y方向分別輸入100 Hz的正弦波頻率,Z方向輸入115 Hz的正弦波頻率,試驗時長為30 min。分別在振動試驗結(jié)束后取下連接臂,觀察并記錄連接臂和電位器滑塊兩者的磨損狀態(tài)。

圖9 連接臂安裝位置 圖10 X方向振動 圖11 Y方向振動 圖12 Z方向振動

3.2 試驗結(jié)果及分析

方案A,在X、Y方向輸入正弦波時,電位器連接臂材料基本無磨損,電位器滑塊無磨損;在Z方向輸入正弦波時,連接臂上下斜對角出現(xiàn)了肉眼可見的磨損,如圖13所示,電位器滑塊右下角吸附連接臂磨損后留下的材料如圖14所示。

圖13 Z方向振動連接臂磨損

圖14 滑塊吸附材料圖

方案B,電位器滑塊整體磨損嚴(yán)重,電位器連接臂部分基本無磨損。在X方向輸入正弦波時,電位器滑塊安裝位移傳感器一側(cè)有橫向條狀劃痕,如圖15所示;在Y方向輸入正弦波時,電位器滑塊無明顯磨損;在Z方向輸入正弦波時,滑塊上下表面與小型球頭柱塞滾珠接觸部分均有肉眼可見凹坑,如圖15和圖16所示。

圖15 X、Z方向滑塊上表面磨損圖

圖16 X、Z方向滑塊下表面磨損圖

方案C,在X,Y,Z3個方向輸入正弦波,電阻器連接臂基本無肉眼可見磨損,硅橡膠保護(hù)套與滑塊充分貼合,無明顯磨損,電位器滑塊無磨損。

分析試驗結(jié)果可知,在Z方向輸入正弦波時,方案A中連接臂、方案B中電位器滑塊均出現(xiàn)不對稱磨損,原因是電位器滑塊實際平行度與精度較差,現(xiàn)場使用時應(yīng)保證滑塊的平行度和安裝支撐架的垂直度;當(dāng)采用聚四氟乙烯材料與電位器銅滑塊面接觸時,基本可以滿足使用要求;在Z方向輸入正弦波時,采用具有彈性的小型球頭柱塞與滑塊接觸時,滾珠硬度太大,會對銅滑塊造成較大磨損,不利于精度補(bǔ)償,可替換硬度小于銅質(zhì)的滾珠材料;方案C中,采用硅橡膠保護(hù)套和聚四氟乙烯材料的連接臂面接觸效果最好。

4 結(jié)束語

本文針對電位器連接臂連接方式和磨損問題,提出了3種設(shè)計方案,通過振動試驗?zāi)M現(xiàn)場實際工況,優(yōu)選出最優(yōu)方案,為后續(xù)提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)電位器精度提供了一種新的解決思路。試驗結(jié)果表明,采用替換材料和增加硅橡膠保護(hù)套裝置,能夠快速有效地解決現(xiàn)場問題,對指導(dǎo)工程實際具有一定的參考價值。但是,目前的研究工作僅限于當(dāng)下方案的最優(yōu)選擇,后續(xù)會繼續(xù)跟進(jìn)用戶現(xiàn)場使用情況做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。