浙江中特气动阀门成套有限公司
电动执行器手动/电动切换机构的开发

一、前言

国家能源局颁发国能科技[2010]335号文件《国家能源局关于印发超(超)临界发电机组关键阀门国产化实施方案的通知》,要求通过几年的攻关,阀门及配套电动执行机构国产化率达到85%以上,研制开发适用于超(超)临界发电机组阀门的电动执行器是国家产业政策所需。电动执行器一般由电动机、主传动机构、行程转矩控制机构和手动/电动切换机构等构成。电动执行器正常工作应是电动操作的,但在事故情况以及调试过程中,手动仍是必不可少的操作手段,手动/电动切换机构是电动执行器的标准配置。

手动/电动切换机构按功能分,可以分为全手动切换、全自动切换和半自动切换三种方式。全手动切换机构,即手动和电动之间的相互切换完全依靠人工完成,该切换机构对于电动装置的正常工作十分不利,已被逐步淘汰。全自动切换机构,即手动和电动之间相互切换都是自动完成的,该切换机构由于其结构限制应用较少。半自动切换机构,即电动到手动的切换由人力完成,而手动到电动的切换通过自动复位完成,与全手动切换机构和全自动切换机构相比,保留了它们各自的优点,消除了二者的缺点,被广泛应用于目前生产的电动执行器上。

现有的切换机构大多采用扳动手柄使凸轮转动,从而带动框架式拨叉推动离合器的方式进行手动到电动切换,该切换机构因结构大、重量重等缺点在工业应用中受到了限制。上述问题是在电动执行器的手动/电动切换机构的设计与生产过程中应当予以考虑并急需解决的。

二、电动执行器工作原理

阀门电动执行器工作原理如图1所示,其传动方式为电动机→圆柱齿轮→蜗杆蜗轮→输出轴,具有行程控制、力矩保护、手动电动切换操作和远方及近地控制等功能,可以将上位控制设备和系统(调节器、PLC和DCS等)给出的电量指令信号转化为相应的位移,驱动最终的控制部分如阀门或风门等至系统所要求的位置,以调节和控制流量、风量、温度和压力等过程参数,实现系统的过程控制。

图1 电动机执行机构工作原理

1.电动机2.蜗轮3.输出轴4.行程控制机构

5.开度指示器6.碟簧组7.转矩控制机构8.蜗杆

三、手动/电动切换装置设计

1.手动/电动切换装置总体设计

手动/电动切换装置总体结构如图2所示,在进行电动执行器的状态切换时,向上扳动切换手柄,从而依次带动滑动轴、软轴和销轴向上运动,与此同时切换块转动并推动离合器上移与蜗轮脱开,并且直立杆在拉簧拉力作用下保持直立在蜗轮端面上,此时离合器抓合爪啮合手轮,电动执行器处于手动状态。此时传动路径为:手轮→离合器→输出轴。

电动状态时,蜗轮转动,直立杆因其与蜗轮间的摩擦力而倾倒,离合器在压簧的作用下通过抓合爪啮合蜗轮,电动执行器处于电动状态。此时传动路径为:电动机→圆柱齿轮→蜗杆蜗轮→离合器→输出轴。

图2 手动/电动切换装置总体结构

1.蜗轮2.离合器3.压簧4.爪啮合手轮5.滑动轴

6.手柄7.软轴8.销轴9.切换块10.直立杆

2.切换过程载荷计算

手动/电动切换机构在使用过程中,必须要克服离合器的牙面摩擦力,故需要对机构的载荷情况进行计算。电动执行器输出转矩M=120N·m,离合器直径d=105mm,摩擦因数为u=0.1。

故得出离合器压面的正压力P=M/(d/2)=480/(105/2×10-3)=9144N;离合器的压面摩擦力f=uP=0.1×9144=914.4N。可以看出离合器的压面摩擦力为914.4N,这个力由于蜗杆和蜗轮的自锁,在阀门关严后是经常存在的,这将使得离合器很难脱离啮合。

3.省力传动机构设计

正常人推动切换手柄的力约在250N左右,所以为了克服离合器的牙面摩擦力,必须设计省力机构。省力机构设计示意如图3所示,向上扳动切换手柄,从而依次带动滑动轴、软轴和销轴向上运动,与此同时切换块转动并推动离合器上移与蜗轮脱开。其中,切换块在转动过程中,软轴可以柔性传递推力。

图3 省力传动机构设计示意

1.切换手柄2.滑动轴3.软轴4.切换块5.销轴

四、总体装配设计

利用虚拟样机技术对电动执行器的手动/电动切换机构进行设计,根据各零部件间的装配关系和逻辑设计及依附关系,对装配设计进行层次划分,最终确定设计模型,如图4所示。

图4 手动/电动切换装置虚拟样机

五、结语

1)本文对于超(超)临界发电机组阀门电动执行器的手动/电动切换机构的总体结构进行设计,并且对切换载荷进行分析。

2)利用软轴柔性传力和杠杆原理,设计了省力传动机构,降低了75%的推力。

3)基于虚拟样机技术对整机进行了结构设计,相比现有切换机构,具有结构紧凑、重量轻和制造成本低的优点。

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