超大口径高压阀门智能型电动执行器的研发_曹永明.pdf

设备管理与维修2023 2（上）图 1电动执行器基本结构0引言从仿制有触点的执行器开始，我国电动执行器经过 30 多年发展，多数产品已经实现了智能化，技术相对成熟，国内不少厂家具备一定规模的生产能力和研发能力。但国内产品主要应用于市政、电力、冶金等普通场所，在核电的核岛、火电厂的关键阀门以及长输油气管道的大多数阀门电动执行器还是依赖进口。特别是在超大口径高压力的长输管道干线阀门上，由于其大扭矩、快开关速度的特性要求，及使用环境和高可靠性的要求，目前基本上使用进口产品，国内市场被欧洲、美国等流体巨头的执行器产品垄断。未来几年将是我国油气管道建设的高峰期，作为长输油气管道的关键设备电动执行器，必将得到大量运用1-3。1产品结构智能电动执行器主要由电机、传动机构、力矩传感器、阀位传感器、电气控制单元控、手轮操作机构、手/电切换机构、接线盒及联轴器等组成（图 1）4。1.1力矩传感器力矩传感器能够可靠和精确地测量全行程每一点的作用力，是对阀门和执行器提供保护的基础。在驱动力矩作用下，通过安装在传感器内的压敏电阻将蜗杆轴向推力的反作用力转换成电信号，最终测量到精确的驱动力矩，且不受电机频率、电压和温度变化的影响。如在运行时力矩达到设定值，电机将被断开，力矩开关可在额定力矩 40%100%范围内设定。另外，开阀的力矩开关可设定为“加强”，使电机产生的力矩超过额定力矩的 1.4 倍，以操作“粘住”的阀门。1.2电机采用 F 级绝缘鼠笼式的三相异步电机，该电机具有高转矩、低惯性的特性，符合阀门用电机的要求。在电机线圈内装有两个热动开关，直接感受电机线圈的温度。如果电机线圈过热，可将执行器的控制电路断开。而在ESD 紧急保护期间，温度保护器可被超越。1.3接线盒执行器上其他电气设备的电缆和外部供电均接至接线盒，接线盒采用双密封设计，确保内部元件受到保护。防水接线端子模块将内部电缆与接线端子箱隔离。1.4联轴器联轴器由联轴套和连接法兰等零件组成，执行器扭矩的输出通过与输出轴相连的联轴器来实现，法兰接口按标准设计。1.5手轮操作机构手轮操作机构可在电源中断时手动操作阀门，紧急情况时在电动操作期间按下并按住手柄，可使电动驱动紧急脱开。手轮操作机构具有锤击作用，可以省力，尤其在阀门卡死时能够通过锤击作用较快地打开阀门。对于大力矩的阀门，执行器可以选用行星齿轮机构或蜗轮蜗杆机构手轮，以降低操作力。1.6阀位传感器阀位传感器采用先进的 24 位光电绝对编码器，指示和反馈阀门全开位置、阀门全关位置。该编码器用光电编码盘记录阀位，无需备用电池，在断电时仍可准确记录阀位。1.7电气控制单元电气控制单元由电源分配电路、比较电路、逻辑及保护电路、放大电路等组件构成。能够接收远方信号：420 mA 模拟量输入，无源干接点开关量输超大口径高压阀门智能型电动执行器的研发曹永明1，解小明1，汪玉海2（1.特福隆（上海）科技有限公司，上海201306；2.欧维克集团有限公司，浙江温州325105）摘要：介绍一种超大口径高压管线球阀用智能型电动执行器，对执行器的工作原理和关键技术：传动效率、控制系统可靠性、控制精度技术和大力矩减速箱进行总结阐述，产品具有输出力矩大、可靠性高、测量控制技术先进，保护功能完善等特点。该产品是中石油油气管道关键设备国产化项目之一，已批量应用于国家重点油气管道工程替代进口产品，成功实现了国产化应用。关键词：传动效率；可靠性；控制精度中图分类号：TE973文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.3999设备管理与维修2023 2（上）图 2电动执行器电气原理入。能向远方提供双向行程接点、双向转矩接点及电源丢失、齿轮卡涩等故障信号（无源接点）。对于调节型执行器，可提供 420 mA 位置反馈信号。失信号时，可根据用户要求组态选择停在原位或驱动阀门至全开，并具有供报警用的输出接点。1.8手/电动切换机构当压下手动/电动切换机构手柄使其处于手动位置，转动手轮使离合器挂上，此时松开手柄，手柄将自动回到原位，手轮将保持驱动，直到执行器被电动操作，手轮会自行脱开回到电动模式。如果需要，可用挂锁将离合器锁定。1.9传动机构采用蜗轮蜗杆作为主传动，蜗杆与电机转子做成一体，蜗轮与输出轴通过离合器连接，其中电机轴与蜗杆可以快速组装更换。蜗轮、蜗杆采用浸油润滑，可以更好的适应环境温差变化。2工作原理2.1机械部分当电动操作时，在电气控制单元的作用下控制电机转动，通过蜗杆和蜗轮传动，使输出轴产生相应大小的扭矩，以带动阀门动作。当手动操作时，在手/电动切换机构作用下控制蜗轮与手轮之间的离合。当压下手柄时，蜗轮与手轮通过离合器连接，通过手轮可以操作执行器，此时松开手柄，手柄将自动回到原位，手轮将保持驱动，直到执行器被电动操作，手轮会自行脱开回到电动模式。2.2电气部分电动执行器电气原理如图 2 所示，由控制主板、电机、阀位传感器、压力传感器和绝对编码器等组成一个带反馈的控制系统。执行器接收到控制指令后，驱动电机正转或反转，实现阀门的开关。3技术参数输出力矩：320 000 N m（56900LB 球阀开启力矩为 209 376 N m）；开关时间：231 s；控制信号：开关控制；全行程精度：0.5%；扭矩控制精度：5%；温度范围：-4670；防护等级：IP66/IP68；防爆等级：Ex dbC T4 Gb；电压：380 V10%，允计短时间压降-15%；频率：50 Hz5%；SIL2 安全完整性等级认证。4关键技术研究4.1传动效率执行器传动机构采用蜗轮蜗杆作为主要传动型式，其传动效率在整个执行器的效率中起着主导作用。为提高蜗轮、蜗杆的传动效率，蜗杆采用齿面淬硬并经磨削的合金钢蜗杆与铸造铝青铜蜗轮啮合，同时经过专有啮合检测修正技术，并对一级传动采用浸油润滑，机械传动效率达到 32%。4.2控制系统可靠性（1）电子部分采用高可靠性 32 位 ARM 处理器。在电路中加入多级抗浪涌装置，使其更好适应工业电源的复杂环境。按 IEC标准对电路进行规范化设计，将系统失效概率降到最低。输入输出数字接口和模拟量接口电路使用光电和磁电隔离技术，大大降低外界干扰对产品的影响。（2）采用国际先进的设计软件进行电子电路设计，对电子电路进行仿真模拟。PCB 板设计完成后通过 EMC 验证，并根据分析结果迭代优化 PCB 板。软件设计遵循 MISRAC2004 设计标准，减小软件系统失效的概率。采用鲁棒性设计方法，提升软件的可靠性。通过黑盒、白盒测试方法对软件逻辑进行完善。（3）线路板的生产采用国际先进的高速贴片机，波峰焊、回流焊技术，保证元器件焊接的可靠性。引进先进的 AOI（自动光学检测）设备，通过电脑自动检查电路板的焊接效果，使成品电100设备管理与维修2023 2（上）路板虚焊、漏焊、错焊的概率降到最低。成品电路板在测试完成后均需经过 70，24 h 的热老化处理来考验电子元器件的稳定性。4.3控制精度阀位传感器采用先进的 24 位光电绝对编码器提升定位精度。控制芯片采用高速 CPU，以缩短信号处理时间。控制电路采用新型电力电子器件替代传统的电磁继电器，提升响应速度。4.4大力矩减速箱配套设计了系列化的齿轮减速箱，可以组成多种传动比、转速、力矩的配置，满足各种不同种类和规格的阀门选取合适的电动执行器型号，确保力矩不能太大对阀门造成损害，同时兼顾全行程启闭时间满足阀门的控制要求，执行器和大传动比的减速箱配套组合，可以对执行器输出力矩进行放大，其结合力矩输出可达到 320 000 N m。5结语超大口径高压阀门智能型电动执行器是当今全球超大口径高压长输管线全焊接球阀和站场球阀使用的重要驱动机构。设计的电动执行器是中石油重大科技专项“油气管道关键设备国产化”关键设备之一，是流程工业大量应用的一种机电一体化产品，自动化程度高，安全性好，具有自主知识产权，产品具有输出力矩大、可靠性高、测量控制技术先进、保护功能完善等优势，填补了国内空白。该产品已大量应用多个国家重点工程，如西气东输中靖线工程、陕京四线输气管道工程、庆三庆四、中俄原油、胜利油田原油库，和我国目前为止口径最大、压力最高、输气量最大的中俄东线管道项目，运行稳定，有力保障了重大工程建设。参考文献1谭东杰，李柏松，杨晓峥，等.中国石油油气管道设备国产化现状和展望 J.油气储运，2015，34（9）：913-918.2杨安金，刘贵超，杨保军.高压大口径长输管道球阀 J.石油科技论坛，2017，92（196）：85-86.3黄泽俊，高顺华，王世君.我国天然气管道核心装备国产化进程及应用展望 J.天然气工业，2014，34（7）：1-6.4陆培文.实用阀门设计手册（第 4 版）M.北京：机械工业出版社，2020.5GB/T 28270-2012，智能型阀门电动执行装置 S.编辑张韵0引言现阶段，各领域对海洋的探测及开发日益增多，其中ROV（Remote Operated Vehicle，遥控无人潜水器）是使用较多的一类勘探设备，ROV 在水下工作中，甲板设备通过脐带缆与之相连，通过脐带缆控制 ROV。ROV 在水下工作时，脐带缆随之下水，在 ROV 结束工作时，通过脐带缆完成对 ROV 回收，此时脐带缆同样需回收缠绕至绞车上，脐带缆表面会残留海水和其他杂质，而海水中的化学物质对脐带缆表面有腐蚀效果，若不及时清理，存在降低脐带缆的寿命的风险；脐带缆在运动过程中，海水滴到甲板上，对工作环境造成污染，可能带来安全隐患，则需要一种装置能对脐带缆表面的海水和杂质进行清理。1装置总体方案设计1.1设计原则根据对现存的脐带缆回收状态的分析和研究，从工作需要出发，线缆冲洗吹干装置能提升脐带缆的清洁程度。结合现有线缆的使用情况，装置应能满足多种型号的脐带缆的使用。综上，本着装置经济，实用，使用方便等原则，设计研究一种线缆冲洗吹干装置。1.2装置整体结构线缆冲洗吹干装置外部的上壳体和下壳体作为整个装置的主体结构，既是整个装置的支撑件，其中的孔道又能为清水及高压气体提供流动的通道。壳体的一面安装相应的快插接头，快插接头用以与外界的管道联通，方便快捷；壳体的两端安装导轮组，对线缆进行扶正，减少线缆与装置腔壁的摩擦；装置内部嵌入两个半圆型的中间体，中间体由具有弹性的橡胶材质制成，两个中间体合并形成工作所需要的多个腔体；壳体的左右两端装有耐磨材料制成的去污环，对线缆进行第一道清理。整体外形结构如图 1 所示，内部结构如图 2 所示。新型线缆冲洗吹干装置的设计张春林，胡桂铭（上海中车艾森迪海洋装备有限公司，上海201306）摘要：以海洋探测中运用较多的脐带缆为使用对象，清理脐带缆在回收时表面附着的海水和其他杂质为目的，设计一种线缆冲洗吹干装置。装置通过多个模块之间的配合，使脐带缆依次穿过多个区域，分别利用清水对脐带缆进行冲洗、高压气体对脐带缆进行吹干，使脐带缆穿过这些区域后达到清洁的效果，并利用排出孔道排出废气、废水，保持工作场地的干燥和清洁。装置具有操作便捷、结构简单、成本低、使用方便等特点。关键词：线缆；冲洗；吹干中图分类号：P754；TM757文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.40101