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多回转电动执行机构的分体式、智能化设计
发布时间:  2017/7/20  |  查看率:  1106  |  作者:  互联网

 

摘要:本文介绍了科远股份全新开发的分体式多回转系列化电动执行机构,该系列执行机构采用了电动头与控制端分体设计、电机耐高温设计、接线端子的耐高温和IP67防护设计,并通过整机测试验证了其满足行业各项标准,满足了耐高温、易维护、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:多回转电动执行机构   分体式   智能化

引言

多回转电动执行机构是各类阀门的驱动装置,用以控制阀门的开启和关闭,设计简洁、结构紧凑,适用于闸阀、截止阀、隔膜阀。其派生产品可以输出角位移和直线位移,适用于碟阀,球阀和风门等装置,可以准确按照控制指令动作,是对阀门实现自动控制必不可少的驱动装置。本产品广泛应用于电力、冶金、石油、化工、轻工、纺织、矿山、消防和环保等行业的过程控制系统中。

目前,根据国家大力发展智慧工厂的需求,人性化的人机交互设计显得格外重要,基于客户现场阀门安装位置多处于高温、高振动或其他恶劣环境不便于调试和维护,科远股份开发设计了分体式多回转电动执行机构,如图1所示。

1 分体式多回转电动执行机构

产品特点:

(1)分体式设计:分成电动头和控制柜,电动头防护等级为IP67,环境温度达105℃;

(2)远距离传输设计:动力线电缆和信号线电缆长度最高可达50m,传输安全可靠。

(3)电机耐高温和温度保护:可在105℃环境下长期运行,有温度保护功能,保护值为165℃;

(4)接线端子的耐高温性和高密封性:可以在105℃环境温度下长期适用,防护等级达IP67

(5)编码器精度可调性和耐高温性:编码器精度有9个档位可调,可在105℃下长期使用;

(6)具有电动头振动参数及输出力矩实时监测功能;

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

(8)寿命满足开关型额定力矩开关各10000次,调节型50%额定力矩开关各500000次。

 

一、分体式结构设计特点

机械传动与控制部分分离,控制部分单独安装在一个环境较好,温度、湿度均满足人体、人为操作,便于维护的地方,在机械传动部分和控制部分之间通过电缆进行连接,就形成了分体式多回转执行机构。其结构设计特点在原有普通型多回转电动执行机构的基础上,将电源板、主控板、显示屏、正反转控制模块和接线端子从一体式电动执行机构上分离出来,放在独立的一个控制柜当中,该控制柜的防护等级可达IP65,控制柜和电动执行机构之间通过两根电缆联通,一根动力线电缆和一根信号线电缆,电缆的长度最长可达50m

二、接线端子耐高温性和高密封性

控制柜端的电源线和信号线通过电动头端的接线端子与电机、传感器信号连接,该接线端子既要满足105℃环境温度,又要满足IP67防护等级。基于这两个需求,科远股份自主开发出了一款执行机构用耐高温、高密封接线端子,如图2所示。该接线端子主要由绝缘挡板、绝缘固化胶、铜螺柱、耐高温O型圈等组成,绝缘挡板和绝缘固化胶保证了端子之间的绝缘性,铜螺柱保证了端子两端的导电性,耐高温O型圈保证了每个端子以及接线端子整体的IP67密封性。另外,绝缘固化胶还保证了各端子铜螺柱沿旋转方向的固定,保证其永不松动。接线端子兼顾电源线和信号线使用,在105℃环境下通电测试340h无异常,且高温前和高温后均测试气密性,满足IP67防护等级。

2 耐高温、高密封接线端子

三、编码器的耐高温设计

科远股份普通型多回转电动执行机构采用的绝对编码器和普通型角行程采用自主研发的12位可编程磁旋转编码器,但绝对编码器无法满足105℃高温环境,磁编码器无法实现多圈识别,通过将磁编码器与减速器齿轮组配合使用,既实现了105℃环境温度下长期使用,又实现了多圈识别计数。

通过测试表明,将批量磁编码器放置在120℃环境温度下测试长达1个月,各方面性能保持良好,系统正常工作。磁编码器与减速器齿轮组结合,如图3所示,该齿轮组共有9个档位,可实现9级减速,经过减速后,仅能单圈识别的磁编码器即可实现2圈、4圈、8圈、16圈、32圈、64圈、128圈、256圈、512圈的识别。随着识别圈数的增多,识别精度随之越低,当识别圈数为64圈时,识别精度为7.9°

 

3 耐高温编码器

四、高温采集板的耐高温设计

机械传动单元的阀位信号、力矩参数、电机温度报警信号等需要传输至控制单元,而阀位信号为SPI信号,当传输超过10米时,相应EMC的电磁抗干扰能力会变差,开关量信号长距离传输后,信息驱动能力会大大下降。高温采集板可以采集上述相应信号,并转换为RS-485信号,增强信号的抗干扰能力,确保长距离传输的有效性。同时,本体中的振动情况参数需要传递到高温采集板上进行采集。因此,对于安装在机械传动单元中的高温采集板,需要进行耐高温设计。

高温采集板主要有以下几个特点:

1)高温采集板板材Tg点为170

NEMA标准中,环氧玻纤布覆铜板有四种型号:G10(不阻燃)、G11(保留热强度,不阻燃)、FR-4(阻燃)、FR-5(保留热强度,阻燃)。线路板基材的一个重要的温度性能指标为Tg温度。当温度升高到某一区域时,基板将由"玻璃态”转变为“橡胶态”,此时的温度称为玻璃化温度(Tg)Tg是基材保持刚性的最高温度。

2)高温电子元器件采用汽车级

分体式角行程高温采集板上的高温电子元器件物料主要包括MCU、频率振荡器、共模电感、表贴3.3V稳压器等。电子元器件按温度适应能力及可靠性分为四类:商业级(0~70℃)、工业级(-40~85℃)、汽车级(-40~125℃)、军工级(-55~150℃)。高温采集板上的电子元器件要求至少能够达到105℃汽车级。

五、电动头振动参数实时监测功能设计

电动执行机构,作为工业现场的执行环节,稳定运行是至关重要的。振动参数实时监测功能,能够实时采集并计算执行机构上的振动参数,包括振动加速度和振动频率。通过执行机构的振动信息,也能够从侧面体现出现场阀门、管道的运行状况,为客户对阀门的维护和保养提供支撑。

振动参数实时监测功能,能够及时了解设备或系统(尤其是与阀门相连接的管道)的运行状况,为事故征兆的预诊断提供重要的数据资料。同时也符合“智慧电厂”的思想:对电厂的设备或系统运行的重要状态参数进行检测,提高信息化水平。

4 振动参数实时监测

六、输出力矩实时监测功能设计

在执行器带动阀门、完成一个全行程的开和关之后,在显示屏上会出现相应的力矩曲线。其中,横坐标表示不同的阀位,纵坐标表示力矩的百分比值。通过输出在每个阀位采样点对应的力矩值,在屏幕上显示出来。

该功能让客户在现场能够实时掌握阀门在开关阀过程中的力矩大小,从而更好地了解阀门的运行状态,有利于对阀门进行维护和保养。

5 力矩实时监测

七、整机性能测试验证

1)       高温电机性能测试:电机的带载特性、电流特性、降压特性进行测试,均满足设计要求;

2)       编码器精度测试:基本误差限、死区、回差均满足执行机构行业标准;

3)       电动头二级密封测试:接线端子在常温和105℃高温均满足IP67防护等级;

4)       控制柜户外测试:满足IP65防护等级;

5)       整机高温老化测试:设置高温老化箱环境温度105°C,执行机构以开1.5S、停4.5S、关1.5S、停4.5S的周期运行共200000次,无异常;

6)       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;

7)       远距离传输测试:控制柜和电动头之间以50m电源线电缆和信号线电缆相连,测试执行机构所有基本性能,无异常。

 

      

            6 振动测试                           7 整机高温老化测试

结束语

科远分体式多回转电动执行机构具有耐高温、远距离稳定传输、控制精度高、耐潮湿及抗振等优点,其耐高温性能和远距离传输稳定性均达到国内领先水平,可以解决一体化电动执行机构在高温潮湿等环境条件下易老化、寿命短和难以维护等问题,将为高温蒸汽管道及热风门控制、井下安装、凝结水系统管道上阀门控制及增压泵出口处阀门控制提供最佳选择。

参考文献

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