调节阀用20kN直行程电动执行器设计

    一、前言

    随着工业过程控制自动化程度的日益提高，各种形式的控制阀将会越来越多地被应用到不同的过程控制系统中。最具代表性的控制阀主要有气动控制阀、电动控制阀和液动控制阀等。然而，电动控制阀因其能源取得方便、无需建立气站和液站而应用较广。因此，决定了用来驱动电动控制阀的电动执行器具有十分广阔的应用前景。它被广泛地应用在化工、石油、冶金、发电、市政工程、纺织印染以及智能楼宇等行业的自动控制系统中。典型的电动执行器有接收开、关信号的开关型；接收标准电流（或电压）信号的调节型以及直接接收Pt100等铂电阻信号的温控型等。电动执行器按行程方式分为直行程、角行程（部分回转）和多转型。直行程电动执行器是用来控制直线动作形式阀门的。根据阀门通径大小和不同的工作压差，选用不同推力的电动执行器，以达到安全、精准、可靠、经济地控制阀门的目的。下面就调节阀用20kN推力直行程电动执行器的设计、计算和调试工艺作一简述。

    二、20kN推力直行程电动执行器的设计计算

    1.减速系统的设计

    电动执行器是一种典型的机电一体化产品。而在机电一体化机械系统中，目前使用最多的便是齿轮传动，因此，本技术方案也优先选用了齿轮传动。这不仅因为齿轮传动的瞬时传动比为常数、传动精确、可以做到零侧隙、无回差，而且强度大、能承受重载、结构紧凑、摩擦力小及效率高。

    2.丝杆螺母副的设计计算

    为了将齿轮的旋转运动转换为电动执行器的直线运动，从而达到控制直线动作阀门的目的。在本设计中，采用了制造工艺非常成熟且特别适用于动力传动的梯形螺纹这种滑动螺旋传动方式。它将由齿轮传给螺母的旋转运动转变成梯形丝杆（执行器输出轴）的直线运动。由于梯形丝杆螺母副除加工工艺性好外，还有强度高、对中性好等优点。而这些优点，正是直行程电动执行器所需要的。直行程电动执行器是通过输出轴做直线运动去带动阀门上、下运行来达到改变阀门开度控制流体之目的。由于阀门控制的特殊性，要求执行器输出轴的丝杆螺母副还必须满足自锁条件：即当执行器的伺服电动机停止转动时，执行器输出轴必须保持在原位（即自锁），从而使阀门的开度也相应地保持在原位。因此，在设计电动执行器输出轴的丝杆时，其螺纹升角α不宜过大。由摩擦理论得知，满足自锁条件的螺纹升角

        （1）

    式中α——丝杆的螺纹升角，单位为°；

    f_m——摩擦角，单位为°；

    f——丝杆螺母副的摩擦因数（查相关手册可得）。

    在本设计方案中，丝杆材料选用45优质碳素结构钢，螺母材料采用耐磨性好的球墨铸铁，摩擦因数f=0.1。所以，摩擦角f_m=arctanf=arctan0.1=5.71°。

    由丝杆螺纹升角定义得

        （2）

    式中n——螺纹线数，本设计为单线螺纹，n=1；

    t——螺距，单位为mm；

    d₂——丝杆中径，单位为mm。

    代入式（1）得

        （3）

    而丝杆中径d₂可用下式求得：

        （4）

    式中  F——额定轴向载荷，单位为kgf，本设计中F=20kN=20×10³/9.8=2040.8kgf（1kgf=9.8N）；

    n——安全系数（1.2~2.0），取1.5；

    Ψ——螺母形式系数，整体式螺母为1.2~2.5，取2.0；

    [p]——许用比压，单位为kgf/mm²（1kgf/mm²=10MPa），本设计为低速、45钢丝杆与球墨铸铁螺母，[p]=1.3。

    所以，d₂≥0.8×[（2040.8×1.5）/（2×1.3）]^0.5=27.45mm。

    根据国标圆整后，取d₂=29mm，t=6mm。

    由式（3）得

    α=arctan[t/（πd₂）]=arctan[6/（3.14159×29）]=3.77

    α°<5.71°，由此可见，所设计的丝杆螺母副，既满足强度要求又符合自锁条件。

    3.位置反馈和行程控制系统的设计

    位置反馈系统是电动执行器的重要组成部分，如下图所示，对直行程电动执行器而言，位置反馈系统的功能是将电动执行器的直线行程转换成相应的电信号，给伺服放大器作为比较和阀位反馈输出。采用分辨率高、寿命长、具有高速跟踪性能的角位移精密导电塑料电位器做位置传感器具有比较优势。通过行程转换能满足测量大于100mm直线位移（行程）的需要。

位置反馈和形成控制系统示意图

1.齿条2.上限位凸轮3.下限位凸轮4.下限位开关5.上限位开关

6.反馈组件固定架7.行程变换齿轮8.反馈主动齿轮9.轴承

10.卡簧11.传动轴12.电位器调整板13.导电塑料电位器

14.反馈电位器齿轮15.齿条导向调整板16.输出轴与齿条联接销

17.铝合金型材反馈盒18.角度指针19.角度指示牌

    行程限位机构是用以实现电动执行器在行程零位和行程满位时切断伺服电动机电源，以保护电动执行器，防止过载、堵转而损坏电动机。经计算，采用二级齿轮传动，就能够将位置反馈系统和行程限位机构有机结合在一块，设计成一个位置反馈和行程控制系统组件。根据多级齿轮传动理论，在齿轮传动系统中，每级齿轮的传动间隙对系统精度的影响程度是不同的。由于在电动执行器的反馈系统中，齿轮传动往往采取减速传动，来满足大行程控制需要。这就决定了后级的齿轮间隙比前级的齿轮间隙对系统的精度影响更大。因此，保证最后一级齿轮精度尤为重要。鉴于此，在反馈系统的设计中，二级齿轮传动均采取了间隙可调整结构，以确保执行器的控制精度。

    4.电动执行器输出轴与阀杆连接机构的设计

    电动执行器输出轴与阀杆连接机构，采用弹性连接机构设计。这种弹性连接装置，选用可调预载荷的碟形弹簧组件。用以确保执行器在严密关闭阀门的同时，不会损坏阀芯和阀座。另外，这种弹性连接机构，还可以克服由于阀杆与输出轴的同轴度误差给阀门造成的损伤。在执行器输出轴与阀杆之间，通过两半式夹块将二者紧密连接起来。两半式夹块，结构简单、连接牢靠，既可传递执行器的推力，又可防止阀杆转动，还可安装行程指针，将阀门行程（开度）指示有机地加以结合。

    三、电动执行器与阀门连接后的电气调试

    电动执行器加上主控模块（伺服放大器）后，就组成了电子式（调节式）电动执行器。当电动执行器与阀门连接好后，就可以进行电气调试。调试的顺序是：先调整零位，后调整满位（行程）。现将电开式电动调节阀的调试方法简述如下：将调试仪的控制信号调整至4mA，利用主控模块上的零位电位器将阀门行程（开度）调整至零位。然后调整满位（即行程），将调试仪的控制信号调整至20mA，利用主控模块上的满位（即行程）电位器将阀门调至满位（即额定行程，如DN250~300调节阀的额定行程为100mm）。经调校后，使控制信号与反馈信号的误差控制在0.1mA以内。需要注意的是：当灵敏度过高或过低都不利于电动调节阀的自动控制。前者会使调节阀发生振荡现象（即不停地正、反摆动），后者则会使调节阀的响应速度下降、反应迟钝，有损调节精度。灵敏度的调节可以通过主控模块上的死区电位器进行调整，使其达到合适的位置。在调试过程中，如果行程零位和满位均出现反馈信号同时偏高或偏低的情况。这时可以通过调整主控模块上的反馈电位器进行微调，使控制信号与反馈信号尽量一致。

    四、结语

    在调节阀用直行程电动执行器的设计中，除前述要点外，伺服电动机的选型也是十分重要的。电动执行器用伺服电动机，属于可逆、断续工作制，因此与其匹配的移相电容也很关键。另外，过热保护、机械阻尼等功能也是非常必要的。总之，要设计出一款性价比高、外观新颖且可靠性佳的电动执行器，需要机与电的最优组合，这也正是机电一体化产品在设计时所要特别重视的。