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小力矩角行程电动执行机构的轻量化和智能化设计
发布时间:  2017/3/23  |  查看率:  1818  |  作者:  互联网

摘要:本文介绍了科远股份全新开发的50-100nm角行程电动执行机构,该执行机构采用了高压铸造工艺设计、电子锁及按钮保护安全设计和人机交互设计,并通过整机测试验证了其满足行业各项标准,满足了小力矩、轻量化、智能化的市场需求,为环保条件下的管道阀门提供驱动和过程控制

关键词:角行程电动执行机构   小力矩  轻量化   智能化

王成 禹建勇 李秋实  李超 

引言

电动执行机构是自动控制系统中常用的机电一体化设备,是一种以电能作为动力,输出具有一定动能的角位移或直线位移的驱动装置,主要由电机、主传动机构、位置传感器、行程限制机构,手自动切换机构组成。它可以按预先设定的要求,输出相应的圈数、角度或长度,即实现行程控制功能,并能限制输出的转矩或推力,即实现转矩控制功能。同时还可以通过手自动切换机构,进行手动调试操作。

角行程电动执行机构输出角位移为0-90°或其他转角,主要由电机、位置传感器、蜗轮、蜗杆、驱动轴、控制单元、操作面板、手轮等组成,控制单元接收4-20mA电流或开关量控制信号从而驱动电机转动,电机的旋转通过转子轴直接带动一级蜗杆转动,一级蜗杆带动一级斜齿轮转动,再通过离合器带动二级蜗杆转动,二级蜗杆带动二级蜗轮转动,从而输出相应的力矩和角位移。

目前根据国家环保要求,许多电厂、化工厂等需要加装脱硫脱硝系统,脱硫脱硝系统用到的均是小口径管道,要求电动执行机构必须体积小、重量轻、输出转矩小,故市场对这一类角行程电动执行机构需求量增加。鉴于以上需求,开发出了一款输出转矩在50-100nm、体积小、质量轻的角行程电动执行机构,如图1所示。


1 ST0010电动执行机构

产品的主要特点为

(1) 优化结构设计,使得产品小型化、精巧化,如图2所示;

(2) 箱体与上盖采用高压铸造工艺,使产品轻型化;

(3) 接线出线口的可以选择两个方向进行安装;

(4) 电气腔采用二级密封设计,防止因接线腔进水导致电气腔进水;

(5) 具有按钮碰撞保护、显示罩碰撞保护、手轮碰撞保护功能;

(6) 智能化设计,如图所示,对执行机构各信号进行记录,方便信号读取,精确驱动阀门;

(7) 输出精度高,误差小于0.5°

(8)寿命满足开关阀各10000次。


2 ST0010电动执行机构智能化设计

一、高压铸造壳体设计

箱体和上盖是本产品体积最大的两个零件,为了使产品轻型化,采用高压铸造工艺铸造出箱体和上盖,材料选择ADC12,高压铸造相比低压铸造具有精度高,薄壁、质量轻、生产效率高等特点,特别符合本产品的设计需求,箱体和上盖多处采用免加工,壁厚保持在3-6mm之间,批量铸件结构尺寸及产品工艺稳定可靠,该执行机构的总重仅为12kg。箱体和上盖毛坯设计时已兼顾隔爆设计,箱体与上盖配合止口面、箱体与一级蜗杆轴承压盖配合面、箱体与蜗轮轴上端配合面、箱体与接线端盖配合止口处均满足DIICT4的拓展。

二、电子锁及按钮保护安全设计

为了防止按钮在现场受到触碰而导致误操作,从上盖结构设计上充分考虑了按钮的保护,按钮周围均设计有高出按钮顶端的结构,即便不小心碰撞到上盖表面,也不会触发按钮。一般情况下,执行机构要处在远程模式下,按照上位机的命令来动作,一旦工作模式被误切换,执行机构将会意外停机,给生产带来不可预想的后果。为了进一步加强安全保护,防止现场因按钮误操作导致的事故,在控制单元也增加了按钮电子锁模块,即当电动执行机构在现场安装完毕并调试无误正常运转后,可在软件界面设置按钮锁功能启用,这样当任一按钮被误操作时,界面会提示输出密码后方可进行相关命令的执行,相比以前的机械锁方案,机械零件结构上得到优化,安全性更加可靠,且电子锁没有机械磨损,因此寿命大大提高,另外也节约了成本。

         按钮电子锁启用

三、人机交互设计

为了满足客户现场不同的安装位置要求,电动执行机构的出线口设计在了两个方向上,如图所示,方便客户自由选择合适出线位置,为现场整洁科学布线提供方便接口;另外,电动执行机构安装位置不同,可能会导致现场

工作人员观察电动执行机构显示屏时遇到显示字倒立或垂直的现象,为了解决这一问题,在控制单元设计了屏幕显示旋转设置功能,可根据不同现场安装需求,将显示屏显示字旋转90°180°270°,如图所示,以适应客户现场的视觉需求,完全满足人机交互的舒适性,充分体现了以人为本的设计理念。


 

显示屏可旋转

四、整机性能测试验证

1)       振动测试:电动执行机构在通电状态下,在三个方向以10Hz-150Hz的频率进行扫频振动,找到共振点,然后在共振频率上进行30分钟耐振试验,振幅为0.1mm,加速度为20m/s-2,无异常;

2)       间隙测试:实验测得电动执行机构输出间隙满足0.5°以内的国家一级标准;

3)       机械寿命测试:满足100Nm载荷下开关各10000次;

4)       整机高温老化测试:设置高温老化箱环境温度70°C,执行机构以开10S、停30S、关10S、停30S的周期运行24H,无异常。

5)       隔爆测试:向腔体内加水至2MPa,加压时间持续10s,观察显示窗及零件配合处无渗水,所有零件没有不可恢复性变形或者碎裂。

6)       IP68测试:在测试已经满足IP67气密基础上,又对其进行了IP68扩展测试,将电动执行机构放置在10m水深处,通电持续72h,动作10次后,无异常,整机内部无渗水。

 

  

振动测试                                            隔爆测试


结束语

在环境保护的大背景下,许多电厂都在大力建设脱硫脱硝的环保项目,科远股份小力矩角行程执行机构就是为这些项目提供驱动解决方案,它将成为小管道小阀门小驱动需求下的首选,为管道系统提供稳定可靠的过程控制。

参考文献

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