电动放料阀工作特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学机械工程学院 作者:张凯

  介绍一种由直行程电子式电动执行器放料阀组成的电动放料阀,该阀几乎具备放料阀本身所要求的各种动作变换功能以及阀开度信号功能和手动功能。阀的开启和关闭速度、输出轴的转动力矩,取决于电动机的转速、功率和传动机构的传动比。执行器由控制器、传动机构、开度检测机构、联结机构与手动机构组成,可实施远程操作或就地放料。

  电动执行机构是自动化系统中的一种执行部件,可分为直行程和角行程两大类。其接收控制系统或调节器送来的控制信号,改变操纵变量,按设定要求转换成直线位移或角位移驱动调节阀,从而实现过程控制或系统的自动调节。

  微机控制技术、微机械技术的应用,出现/微机+随动系统0结构模式的微机型电动执行机构,由微处理器完成信号传递、调节规律的综合、调节参数切换、状态指示、控制量的输出等功能。

  以下叙述一种采用智能型控制器的直行程电动执行机构,操纵放料阀组成电动放料阀,在实际使用中取得较为满意的效果。

1、电动放料阀工作原理

  电动放料阀由直行程电子式电动执行器与放料阀组成,见图1。以220V交流单相可逆异步电动机(含齿轮减速)为执行器,也常采用宜于带冲击载荷周期性工作的电动机,如高转差率AOC型封闭环吹式三相异步电动机。

  智能控制器为电动执行器设置智能比例式伺服电路,接收控制系统或调节器的DC4~20mA或DC1~5V信号,经A/D转换送至CPU进行运算处理,同时CPU与来自电动执行机构的开度信号及上、下限位置进行比较后驱动电机转动,通过齿轮减速后推动输出轴作上、下位移,最终实现输入信号对电动执行机构输出位移的控制。此外,电动执行机构输出当前的实际位置经CPU处理及D/A转换后,以标准的4~20mA信号输给用户作其他用途。放料阀按结构分为上展式和下展式,其运动件阀杆通过锁紧螺母联接阀芯,阀芯贴合阀芯座呈密封状态,保证腔内料液不泄漏。阀杆接受电动执行器输出轴上、下位移,使阀芯实施开或关动作,达到自动放料的目的。

电动放料阀结构图

图1 电动放料阀结构图

  放料阀通常与反应釜配套使用,一般设计阀芯座兼备釜底法兰功能,即借助釜底法兰焊在反应釜上。

  如此容易产生焊接变形,导致阀芯与阀芯座密封不良,甚至失效。所以放料阀设计应考虑釜底法兰焊接变形的现实,宜将阀芯座的密封性能和釜底法兰的联接功能分离,如图1所示,可有效地避免阀芯座因现场安装施焊所产生的变形。

2、电动执行器结构

  如图2示,电动执行器主要由智能型控制器、传动机构、开度检测机构、联结机构和手动机构组成,实施信号接收、转换、运算,指令电动机运转,通过同步带传动螺旋套转换为输出轴的往复运动。与此同时,开度检测机构将输出轴位移反馈给智能型控制器,组成闭环操作过程。联结支架使执行器和放料阀联成一体,断电情况下可手动。

电动执行器

图2 电动执行器

  2.1、执行器传动机构

  传动机构主要由动力螺旋套与输出轴组成。电动机通过同步带驱动动力螺旋套,套内壁加工牙根强度高、螺纹副对中性与工艺性良好的梯形螺纹。传动输出轴的止转销在动力套直线形销槽内定位,并随传动螺旋移动。螺旋套通过滚动轴承置于动力套中,由此实现螺旋套的旋转运动转换为输出轴的直线位移,见图3。

执行器传动机构

图3 执行器传动机构

  异步电动机容许较大超载力矩,如高转差率电动机,其起动力矩可超过公称力矩2.2~2.3倍。闭路阀内,最大载荷产生于阀门关闭的末期或开启初期,通常时间甚短。选用电动机宜考虑过载系数。

  2.2、执行器阀位检测机构

  输出轴止转销联接阀位反馈机构,将输出轴的直线运动位移(阀芯开度)经齿条、齿轮反馈给精密导电塑料电位器(具有齿隙补偿机构),由电位器转换成电信号再反馈给控制器。当来自控制系统或调节器的输入信号和阀芯的开度信号之差为零时,电机将停止工作。执行机构位置的给定值与实际值的比较,是在微处理器的电子电路中进行。微处理机和功能模块可以进行不同的组合,实现指示、报警、行程限定、分程控制等功能。

  输出轴限位置控制由凸轮执行,见图4。当状态开关设定/正动作状态0时,将输入信号缓慢减小至3.7~3.95mA,调整并紧固限位凸轮,使限位开关动作,输出轴停止向上运动;当状态开关设定/反动作状态0时,将输入信号缓慢增大至20.2~20.5mA,调整并紧固限位凸轮,使限位开关动作,输出轴停止向上运动,从而实现输出轴上升位置的限位。

限位控制

图4 限位控制

  同样,改变输入信号,确认阀杆不动时,继续增大或减小输入信号,使输出轴内弹簧压缩。当输出轴下降约1mm,调整凸轮,限位开关动作,输出轴停止向下运动。即设定1mm,执行器达到额定输出力。由此实现输出轴下降位置的限位。

  2.3、执行器联结机构

输出轴和阀杆连接

图5 输出轴和阀杆连接

  通过支架将执行器和放料阀联接,并由开合螺母将执行器输出轴和阀杆联接,开合螺母带指针,支架设标尺,可指示输出轴或阀杆位移。如图5所示。

3、电动执行器传递函数

  由控制系统或调节器给出的DC4~20mA电流信号Is,借助I/V转换为电压信号Us;齿轮减速输出的直线位移信号X经位置检测机构形成反馈信号Uc送给控制器,形成位置反馈信号Uf;Us和Uf两个信号经过一个继电型非线性环节控制电机运转,电机驱动齿轮减速传动机构产生相应位移。因I/V转换相当于一个比例环节,较容易计算,可以不考虑。所以电动执行机构允许简化为继电环节和传递函数两部分组成的闭环控制系统。该闭环控制系统以电压信号Us,即I/V转换后信号为输入,位置反馈Uf信号为输出。其中传递函数由电机、减速机构和位置反馈机构组成。

  3.1、传递函数的形式

  从分析电动执行器的各个组成部分出发,最终导出以供电压为输入、反馈电压为输出的时域模型

  和开环传递函数

  3.2、开环传递函数的参数

  系二阶常微分方程,它的解为:

  式中:(c1、c2为待定常数)。二阶常微分方程的解的图形可用传递函数仿真图表示。分析方程的解,当时间t很大时, 项很小,可以忽略。所以时间t较大时,uf近似一条直线,在uf上取两点作直线,可求出R、B的值。

  对

  求导:

  t=0,电动机角速度

  所以

  综上所述,可得

  由此便捷求出执行机构的传递函数。

4、电动执行器的可靠性

  电动执行器的可靠性指在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。寿命期内可靠性规律是研究基础,取决于早期失效、随机失效与耗损失效。常用可靠度R表征完成规定功能概率,实际使用时以平均无故障时间 表征,并作为电动执行器可靠性指标。电动执行器可靠性一般受下列因素制约:系统的选择与设计,元件/器件适用性,动作参数,机械构造,制造技术,装配精度,运行维护水准及备品性能等。

  4.1、电动执行器故障特征

  提高电动执行器可靠性,应尽量减少和消除故障。其实故障显示多样性,例如某一元件失灵、系统元件/器件综合因素以及电气或过程控制因素等。

  调试阶段故障。新电动执行器的故障较为复杂,其特征是设计、制造、安装及管理等交织在一起,出现动作不平稳、定位精度达不到要求等故障。

  运行初、中期故障。常见限位开关易失灵等。一般进入运行中期,系统元/器件处于上佳运行状态,故障率较低。

  运行后期故障,各元/器件工作频率和负载出现差异,易损件先后磨损,出现阀位反馈接触不良、定位精度差、稳定性下降。效率明显降低,故障率逐渐增大。至此应予以全面维修。

  电动执行器的偶发故障一般较难预测,定期检查、掌握某阶段维护资料和履历数据,有利于故障判断。

5、结束语

  电动放料阀就技术层面而言,需提高电动执行器可靠性,应视使用场合为放料阀设计阀芯座。为了适应自动控制需求,电动执行器具有众多功能和优良运行特性,例如信号处理、力矩控制、行程调整等,增大系统结构的复杂性。为了保证这些功能与运行特性在使用时实现,导致可靠性问题更加突出。

  自动控制系统中,电动执行器是实现自动控制的执行器件,如果选择不当或质量不过关,即使有完美的控制思路、高超的控制策略也难以达到预期的控制效果。其可靠性受各种复杂未知因素的影响与制约,表现形式亦多种多样。因此电动执行器的故障诊断、预防措施、纠错技术应更完善、达到故障定位更准确、维修更容易、操作调整更简便之目的。

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