（机械设计及理论专业论文）智能电动执行机构的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 智能电动执行机构的研究 摘要 电动执行机构是控制阀门的重要装置，是构成发电机组旁路系统不可缺 少的基本单元。我国对现有发电机组旁路系统改造和新建的发电机组都需要 大量高性能的智能电动执行机构，但国内现有产品多采用传统的模拟控制， 其控制精度较低，抗干扰性差，工作性能不能够满足使用要求，目前主要依 靠进口，因此急需开发性能优良且价格低廉的新一代智能电动执行机构。 本文根据国内发电机组旁路系统实际应用情况，在深入了解和分析国内 外现有电动执行机构及其控制器形式的前提下，借鉴了它们的有效的成功经 验，提出一种以单片机为控制核心，利用变频调速控制阀门开关工作速度的 新的智能化设计方案。基于此方案进行了电动执行机构的总体设计、运动计 算和动力计算，并完成了其各部分机械结构的详细设计。在设计中引入 c a d c a e ( 计算辅助设计计算机辅助工程) 技术，提出基于参数化的设计 方法，以u g 软件为平台对所设计的结构进行建模、虚拟装配和运动仿真， 使所设计结构实体化、可视化，缩短了设计周期。在三维实体的基础上，基 于有限元原理，运用a n s y s 软件对机械结构进行强度、刚度和模态分析， 获得其变形和应力的分布规律及自身的固有频率，验证了设计的合理性，确 保所设计的机械结构能够达到使用要求。 本课题所设计的智能电动执行机构具有通用性好、控制精度高、运行平 稳、结构紧凑、操作简单、维护方便等特点，可以很好地满足国内发电机组 旁路系统的使用要求。该设计可以达到国际同类产品的技术水平，解决智能 电动执行机构的国产化问题，不仅可以填补国内相关领域的空白，而且能够 为国家节省大量外汇，具有广阔的应用前景。 关键词执行机构；机械结构；参数化；有限元 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c hc o n t r o l st h ev a l v ea n da n i n d i s p e n s a b l eb a s i cu n i tt oc o n s t i t u t et h eg e n e r a t o rs e t sb y p a s ss y s t e m i nc h i n a , al a r g en u m b e ro fi n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r sw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea r en e e d e d t or e c o n s t r u c tt h ee x i s t i n gg e n e r a t o rs e t sb y p a s ss y s t e ma n db u i l dt h en e w l y g e n e r a t o rs e t ，b u tt h ed o m e s t i ce x i s t i n gp r o d u c t sm a i n l yu s i n gt h et r a d i t i o n a l a n a l o gc o n t r o lh a v el o wc o n t r o lp r e c i s i o na n dp o o ra n t i - j a m m i n ga b i l i t y t h e y c a n tm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sa n dw eh a v et o r e l yo nt h ei m p o r t s t h e r e f o r e ，an e wg e n e r a t i o no fi n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rw i t hg o o d p e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c en e e d st ob ed e v e l o p e du r g e n t l y i nt h et h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ed o m e s t i cg e n e r a t o r s e t sb y p a s ss y s t e ma n dt h ee x i s t i n ge l e c t r i ca c t u a t o rs t r u c t u r e i n c l u d i n gi t s c o n t r o lf o r mh o m ea n da b r o a dl e a r n e da n da n a l y z e dd e e p l y ，t h es u c c e s s f u l e x p e r i e n c eh a sb e e nd r a w no na n dan e wi n t e l l i g e n td e s i g np l a nw h i c ht a k e s s i n g l e c h i pc o m p u t e ra sc o n t r o lc o r ea n du s e s 行e q u e n c yc o n t r o lo fm o t o rs p e e d t oc o n t r o lv a l v e sw o r ks p e e dh a sb e e np r o p o s e d t h et o t a ld e s i g n ，m o v e m e n ta n d m o m e n t u mc a l c u l a t i o no fe l e c t r i ca c t u a t o rs t r u c t u r eh a v eb e e nd o n eb a s e do nt h e p l a n ，t o g e t h e r w i t ht h e a c c o m p l i s h m e n to fd e t a i l e dd e s i g na b o u tt h e r e s t m e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h ec a d c a et e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di nt h ed e s i g n a n dt h ep a r a m e t e r i z e dd e s i g nm e t h o dw a sp r o p o s e d t h em o d e lb u i l d i n g ，v i r t u a l a s s e m b l ya n dm o t i o ns i m u l a t i o nw e r ed o n ef o rt h ed e s i g n e ds t r u c t u r eu s i n gu g s o f t w a r ep l a t f o r mt om a k et h ed e s i g n e ds t r u c t u r es u b s t a n t i a l ，v i s u a la n dr e d u c e t h ed e s i g nc y c l e o nt h eb a s i so f3 de n t i t i e sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y , t h e s t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dm o d eo fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ew e r ea n a l y z e du s i n ga n s y s s o f t w a r e t h ed i s t r i b u t i o na n dn a t u r a l 行e q u e n c yo fd e f o r m a t i o na n ds t r e s sw e r e g a i n e da n dt h ed e s i g nw a sv a l i d a t e de f f e c t i v ee n s u r i n gt h ed e s i g n e dm e c h a n i c a l s t r u c t u r em e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g n e di n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rh a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c s ， s u c ha sg o o dc u r r e n c y , h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，s t a b l eo p e r a t i o n , c o m p a c ts t r u c t u r e ， i i s i m p l eo p e r a t i o n ，e a s ym a i n t e n a n c ea n ds oo n ，s oi tc a nm e e tt h e p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t so f d o m e s t i cg e n e r a t o rs e t sb y p a s ss y s t e m t h ed e s i g nc a l la c h i e v e t h ei n t e r n a t i o n a ls i m i l a rp r o d u c t s t e c h n o l o g ys t a n d a r da n dr e s o l v et h ed o m e s t i c i s s u e so fi n t e l l i g e n te l e c t r i c a la c t u a t o r , w h i c hn o to n l yc o u l df i l lt h eg a p si n r e l e v a n tf i e l d s ，b u ta l s oc o u l ds a v eal o to ff o r e i g ne x c h a n g ef o rt h ec o u n t r y i t h a sab r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d sa c t u a t o r , m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，p a r a m e t e r i z e d ，f i n i t ee l e m e n t - h i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文智能电动执行机构的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 采钮 日期：劬罗年多月肜日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 智能电动执行机构的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保鲫。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：毒锰 日期：勿窍年乡月肜日 导师签名：缸苏膺 日期：沙背年岁月伯 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i i 课题背景 第1 章绪论 发电机组旁路系统是在机组冷态启动或汽轮机快速甩负荷时，用以提高机 组效益的一套设备，整个系统根据控制对象可以分为高压旁路阀控制系统、低 压旁路阀控制系统和i 级大旁路控制系统。在整个旁路系统中，控制阀门的电 动执行机构是关键部分，电动执行机构是一种驱动阀门的终端控制装置，也称 作阀门电动装置，按运动方式可分为多回转行程、直行程和角行程三种。它的 主要作用是代替人力去操纵管路系统的阀门，执行机构在现代生产过程自动化 中起着十分重要的作用，常被称为实现生产过程自动化的“手足 。电动执行 机构广泛应用于石油、化工、污水处理、冶金、供热、电力等过程控制系统 中，能很好地解决管路系统中的阀门远程操作和控制的问题，特别是现场作业 环境差，无法现场操作的场合。电动执行机构在现代化的工业部门已经得到广 泛运用，大大提高了工业自动化水平【埘。 国内现有的电动执行机构绝大多部分还是七八十年代设计的产品，其突出 特点是体积庞大，通用性差，采用传统的模拟控制，控制精度低，抗干扰性 差，不容易实现网络化控制，无法满足控制功能由现场设备完成这一发展趋向 的要求【3 】。 我国现有的新一代智能化电动执行机构，其控制实质仍然是传统的模拟控 制，采用异步电机驱动，只是增加微机控制及通信功能，在控制的平稳性、调 速等方面仍不能满足高端要求。国外电动执行机构性能很好，但价格昂贵，例 如用于发电机组旁路系统中的电动执行机构，绝大部分都依靠进口，每台价格 高达十几万，每年进口金额约八亿元人民币，设备的后续维护费用也相当高。 随着工业的现代化，企业本身必须实现自动化来提高生产效率、降低生产成 本，提高企业的竞争能力。这对广泛应用于自动化控制领域的智能电动执行机 构的需求量大增，但因国内生产的智能电动执行机构难以达到要求，所以只能 依靠大量进口。因此开发具有自主产权的新一代智能电动执行机构具有良好的 市场前景，节省国家外汇，同时能使国内中小生产企业加快自动化进程，提高 竞争力。因此本课题的研究具有十分重要的意义1 3 - 5 1 。 本研究针对国内发电机组旁路系统的实际情况，借鉴国外的先进技术的基 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 础上，提出了采用单片机作为控制核心，并与变频调速技术结合的全新设计方 案。在电动执行机构内部集成变频器和单片机，用于控制电动机的转向和转 速，使得电动执行机构能输出在一定范围内的任意转速，无需改变其内部机械 结构的前提下满足多种场合要求，且不用外配传统的用于控制电动机反转的接 触器、可控硅换向开关模件及控制柜和配电柜。同时由于同一台电动执行机构 可以在一定范围内具有不同的运行速度和不同的关断力，不同型号内部的机械 和控制部件可通用，使其适用于各种不同的场合，降低公司的备品库存量。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内研究现状 我国从五十年代开始生产使用电动执行机构，其结构型式有十多种，而规 格型号则有上百种之多。在上世纪六七十年代，我国曾试图对电动执行机构进 行统一设计，当时以上海和重庆为代表分为两个流派，前者采用伺服电机作为 驱动，但存在堵转易烧毁电机等缺点；后者采用同步电机作为驱动，但体积庞 大，力矩小。因此设计结果都不很成功 6 1 。 改革开放以来，我国自动化仪表行业有了长足的发展，而在电动执行机构 领域则主要以引进为主。如吴忠仪表厂引进了山武霍尼韦尔的v a 和h a 两 大系列产品，上海自动化仪表股份有限公司引进了梅索尼兰的三个品种的产 品，大连仪表三厂引进德国s i e m e n s 公司的s i p o s 5 系列产品，四川仪表十 厂引进德国h a r t m a n & b r a u n 公司产品等。这个阶段的主要工作和精力 都放在引进上，在吸收消化先进技术和进一步改进及创新方面投入不足嘲。 我国生产电动执行机构企业有十多家，其中大部分为小型企业，不具备自 主研究开发的能力，只能生产低端产品。真正上规模、具有自主开发能力的也 就几家大型骨干企业，如重庆川仪总厂，上海自动化仪表有限公司等。因此， 我国电动执行装置的现状是：低端产品生产过剩，而高端产品不能生产。国 内仪表行业的主要产品是d k z ，d k j 系列，产品大量采用分离元 件，只能接受模拟信号，其伺服电机的使甩寿命短、易过热、维修困 难，且技术性能比较落后。如死区大( 国内3 ，国外0 2 0 5 ) ， 稳定性差( 国内允许振荡三次，国外为零次) ，使用初期故障率高，分 散性大，平均故障间隔时间m t b f ( m e a nt i m eb e t v p e e n f a i l u r e s ) 仅为0 8 万小时。只能满足3 0 0 m w 发电机组4 0 旁路系统 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以下的配套要求，不能满足在大功率发电机组，高百分比旁路系统的配套要 求，与国外现代产品有很大的差距，只能依靠大量进口【6 】。 近年来，电动执行机构发展的一个重要方向是智能化、小型化【6 j 。在小型 化方面，主要措施一般是改变减速机构结构或者改变放大器结构，其效果不是 很明显。智能化工作则刚刚起步、无重大进展，国内一些企业在电动执行机构 智能化方面作了一些探索，如上海工业自动化仪表研究所开发了新型智能电动 执行机构，使用方便，具有自诊断，自调整和p i 调节功能。除了一些引进国 外技术的大型集团公司，如上海自动化仪表股份有限公司、四川仪表集团公司 等开发的大型智能电动执行机构外，一些中小型电动执行机构厂商，在近几年 也陆续开发出一些比较简单的，实用型智能电动执行机构产品，这些产品性能 价格比较优，在提高产品的控制精度、增加执行机构保护功能，提高产品可靠 性及调试方便等方面都比原来模拟量控制技术产品有较大进步。近几年来智能 化现场仪表方面，智能电动执行机构的开发工作相对气动智能阀门定位器来说 显得更活跃一些。上海地区就有上海万迅仪表有限公司的q s l 奇胜智能型直 行程电动执行机构及q s q 奇胜智能型角行程电动执行机构产品。上海锐凯仪 表有限公司的d k z - z 系列直行程和z k i - z 系列角行程智能电动执行机构产 品。但目前智能化技术仅是个别使用，并且其实质仍然是传统的以4 - - - 2 0 m a 。和0 - - - 1 0 m a 电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控制系统，只是加上了 微机通讯及控制功能，在某些控制要求，如控制可靠性、调速等方面还不是很 理想，而真正的全数字化电动执行机构在我国研究较少。另外，我国执行机构 一般采用异步电机，它与国外电机在耐堵转、平稳性等方面有较大差距，这也 限制了国内智能电动执行机构性能的提剐5 , 6 1 。 1 2 2 国外发展概况及趋势 在国际方面，随着科技技术的不断发展，自动化仪表的市场需求在不断快 速增长。过程自动化仪表市场销售额在2 0 0 1 年为5 9 9 亿美元，到2 0 0 6 年增长 到7 0 0 亿美元，预计到2 0 0 8 年将达到9 0 0 亿美元。电动执行机构作为自动化 仪表的主要成员，自然受到国外许多大公司的重视。仅美国就有2 4 个研究所 ( 公司所属) ，如r o c k w e l l 公司具有十分完善的测试基地和设备，包括动态、 抗震、紧急切断、可靠性等多种实验设施，对产品进行多方面性能参数的测 定。有限元法、电子计算机技术、微机控制技术已在电动执行机构的设计中得 到广泛应用i f - g 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 智能化电动执行机构是现场总线控制仪表中的必备产品之一，是仪表行业 应用的发展趋势。由于高新技术的迅猛发展，关键元件器件技术难关的突破， 智能化电动执行机构在国外已经形成许多系列产品，广泛应用于工业领域中。 德国的西博思公司、a u m a 公司，英国的r o t o r k 公司，美国的l i m i t o q e 公司、k e y s t o n e 公司，法国的b e r n a r d 公司，日本的富士公司、安川公 司等国外著名公司生产的智能化电动执行机构均具有功能强大、结构紧凑、简 单可靠、技术先进等特点，代表着该领域的世界先进水平l 协1 2 1 。国外电动执行 机构发展的总趋势可概括为以下几方面： 1 一体化的结构一体化的结构是指把整个控制回路装在一个现场仪表 中，使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大为简化，且减少信号传输 中的泄漏和干扰等因素对系统的影响，提高系统可靠性。 2 应用变频调速技术随着现代电子技术的发展，借助改变频率来实现 电机调速成为可能。由于电机的转速具有可以调节的特性，因此设计阀门电动 执行机构时可去除变速部件，直接通过控制电机转速实现不同转速的输出。同 样，也可以通过信息处理系统( 如c p u ) 等的应用，实现对电机以及信号反馈 的分析，控制电动执行机构的工作。采用变频调速电机所设计的电动执行机构 具有结构紧凑，体积小，安装调试简单，调节方便，易于控制等特点。例如德 国西博思公司的s i p o s 5 f l a s h 系列变频智能型电动执行机构、美国西纳公司 s q 系列变频智能型电动执行机构。 3 智能化控制在过程控制中，需要调节阀门的开度来调节流量和压 力。现在，先进的阀门执行机构都带有控制智能的伺服放大器，具有完善的智 能控制功能，可按给定值自动进行p i d 调节，控制压力和流量等过程变量。 控制信号可以通过控制系统程序预先设置，也可以通过远程计算机设置或现场 设置。例如德国a u m a 公司的n o r m 型电动执行机构。 4 全面保护智能电动执行机构具有高度的自身保护及系统保护功能。 例如装有三相电机的执行机构有可能因为相线接错而反转，导致执行机构和阀 门损坏。而智能型的电动执行机构则可以监视电源的相序以及输入控制信号的 情况以确保电机正常启动。此外，在阀门卡住的情况下，保护功能还可以避免 电动机被烧坏，因此在电动机通电期间不断的检测阀门的动作情况，一旦发现 一定的时间内不动作，就认为发生卡住的情况，控制器就会发出命令切断电动 机的电源，同时发出报警信号。如德国西博思公司生产的新一代s i p o s 5 f l a s h 系列变频智能型电动执行机构就具有上述两种保护功能。 5 智能化的通讯智能化电动执行机构采用数字化通讯的方法与主控制 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 室相连。主控制器送出的可寻址数字信号通过电缆被电动执行装置接收，电动 执行机构的微处理器根据收到的信号对电动执行装置进行相应的控制。智能电 动执行机构允许工程师在远处对其进行检测、整定和修改参数或算法。例如， v a l t e k 公司的s t a r e s 在出厂时就被配备有p c 软件，仪表工程师利用软件 对电动执行机构进行编程控制，p c 与系统之间通过r s - 4 8 5 串行口按照经过 修改的h a r t 协议相连。 6 智能化的诊断在电动执行机构上装有一些附加的传感器，专门用于 故障诊断，而在电路方面也设置了各种检测功能，如电源相序和后备电池的电 压检测。微处理器在运行中连续对整个系统进行监视，一旦发现问题立即执行 预定的程序，自动采取应急措施并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同 时受到监测。例如英国r o t o r k 公司的i q 系列智能型电动执行机构。 此外，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术。 智能化电动执行机构在结构设计上还应充分考虑抗恶劣工作环境等因素，其组 件多带有保护涂层以防腐蚀防爆，外壳采用密封式经得起温度、湿度的大范围 变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。 1 3 本文研究内容 本文在充分了解了国内外电动执行机构技术现状及发展趋势的基础上结合 发电机组旁路系统的阀门的结构特点及控制要求，利用现代新兴技术，提出了 用变频电机作为执行机构驱动控制源、以单片机为控制核心实现电动执行机构 智能化的思路，对整个执行机构进行了总体设计。本设计克服了传统执行机构 体积庞大、堵转易烧毁电机、速度控制不灵活等缺点，采用全数字化设计，操 作方便，控制精度高，速度调节灵活，可以很好地适应各类阀门的控制要求。 具体有以下研究内容。 1 前期调研和收集相关资料，详细了解国内外现有智能电动执行机构的 性能、优缺点及工作状况，了解国内电厂发电机组旁路系统的相关情况。 2 根据所设计智能电动执行机构的工作原理和性能要求，提出合理的设 计方案，完成总体设计，确定主要设计参数，进行运动计算和动力计算。 3 对智能电动执行机构主要机械部件进行详细设计，包括减速装置设 计、手动控制装置设计、直线输出转换装置设计，以及电机的选择，主要零部 件的计算校核等。 。 4 利用u g 软件对电动执行机构的机械结构进行三维参数化建模、虚拟 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 装配和运动仿真。虚拟装配检查零部件之间的干涉问题，借助运动仿真实现虚 拟现实。 5 基于有限元方法的基本原理，依据主要机械结构的工作特点和受力状 态，利用a n s y s 软件对电动执行机构的蜗轮进行强度、刚度和模态分析。利 用分析结果指导后续改进，缩短产品设计研发周期。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章总体设计 总体设计是机电产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和外观 造型均具有决定性意义。对于机械系统的总体设计应始终贯彻了“简单实用、 操作方便、安全可靠、技术先进 的原则【1 3 】。本文在详细分析了国内外同类产 品的特点，并借鉴了他们的成功经验和国内实际应用情况的基础上，提出了电 动执行机构的总体设计方案。 2 1 设计要求 由于设计要求既是设计、生产、试验、鉴定、验收的依据，同时又是用户 衡量的尺度，所以在进行设计前必须对所设计产品提出详细、明确的设计要 求。任何一个产品的设计要求都是围绕着技术性能和经济指标来提出，一般主 要包括功能、适应性、可靠性、生产能力、使用经济性和成本要求等方面【1 3 l 。 为了使电动执行机构与控制阀之间的配合协调，以组成一个完善的电动控 制阀，必须保证电动执行机构的技术特性能够满足阀门操作特性的要求。根据 发电机组旁路系统控制阀的操作特性和使用条件得到以下几方面技术要求。 1 可靠的工作转矩阀门开启初始时需要的转矩比开启后大，一般要大 5 0 ，所以必须要有足够的转矩才能保证可靠地开启阀门，否则会出现阀门拒 动故障，影响旁路系统的正常工作，甚至威胁主设备的安全运行。阀门在关闭 末端时，为了保证密封面不泄漏，必须继续向阀芯施加一定的力，以保证密封 面的密封，这时所需转矩也比正常运转下大。转矩过大不仅会造成材料和能量 的浪费，甚至可能导致阀门零部件损坏，因此必须严格控制电动执行机构的工 作转矩。 2 准确的开启量发电机组旁路系统具有关闭和开启、以及流量和压力 的调节功能，这就要求阀芯开关时能停止在规定的位置。如果阀芯关闭不紧就 会造成阀门泄漏，而开启行程过大又可能损坏阀门零件。为了准确控制调节阀 的开启量，必须具有防止“惰走 的功能，使用流量调节准确，在一般情况 下，这个停止位置的误差不应超过阀芯全行程的o 5 。 3 合理的开启速度开启速度的高低影响着旁路系统的使用性能和工作 效率。速度高，可以节省操作时间，调节速度迅速，但可能造成管道中产生流 体的冲击，影响工作性能；反之虽然流体运动平稳，但调解缓慢同样会影响使 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用性能。根据工作要求，正常工作时的阀芯开关全行程操作时间为1 4 0 - 2 0 0 秒之间。当出现紧急情况时，为了安全必须快速开启阀门，全行程操作时间应 限制在3 0 4 0 秒。因此要求电动执行机构有多种运行速度。 4 具备手动操控功能阀门最基本的操作手段是安装在阀杆顶端的手动 装置，操作人员依靠自己的体力通过手动装置去操作阀门。在电动执行机构 中，为了保证阀门操作的可靠性，在出现故障时应有后备操作手段；同时，在 调整电动执行机构时，也需要有人工操作手段。为了提高手动操作的速度，在 手动能够操作的前提下，应尽量减小手动操作的减速比。 5 适应工作环境条件每个工业部门的环境条件都有各自的特点，机电 装置应能适应工业环境的各种恶劣条件，电动执行机构用于发电机组旁路系 统，系统中的管路温度相对很高，使得电动执行机构的工作环境温度达 5 0 0 c ，因此必须能适应高温，同时还要防潮等。 6 故障诊断和安全保护电动执行机构需设计有故障诊断和安全保护装 置，以保证系统的正常工作和防止损坏机件。如电动机的过热保护、电源相序 和后备电池的电压检测等。 2 2 工作原理 2 2 1 阀门操控类型 阀门在国民经济各个领域中有着广泛的应用，它安装在各种管路系统中用 于控制流体的压力、流量和流向。按阀门的操控方式可分为三大类，直行程 型、角行程型、多回转型。直行程阀门如图2 1 a ) 所示，其阀杆和闸板只有进 行上、下直线运动才能实现其开和关：多回转阀门如图2 1 b ) 所示，因为阀门 本身带有线性单元，可实现将多回转的运动转换为直线运动；角行程阀门如图 2 1 c ) 所示，其阀门的阀板仅需要作9 0 度的转动就能实现阀门的开和关，此 种阀门需要配转换装置将大于3 6 0 度的转动转换为9 0 度的转动。由以上分析 可知，控制阀门的电动机执行机构也相应地分为三大类，分别为直行程型、角 行程型、多回转型。在这三类中，多回转型号为最基本的类型，其它两类都是 在此基础上附加相应的运动转换装置而成。因此所设计的电动执行机构以多回 转型为基本控制形式，考虑到发电机组旁路系统所用的阀门有少量的直行程， 所以同时进行了直线转换装置的设计【埘。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 阽 艮 、jin 。 氐宏 a ) 直行程 2 2 2 传动原理 b ) 多回转行程c ) 角行程 图2 1 阀门操控类型 f i g 2 - lc o n t r o lt y p ev a l v e s 阀门的控制主要是由电机带动相应的减速装置来实现，其中减速装置可采 用齿轮传动、链传动、蜗杆传动等。齿轮传动工作可靠、使用寿命长，但单级 传动比不大。链传动没有滑动，但瞬时速度不均匀、高速时运转不平稳。蜗杆 传动结构紧凑、工作平稳、噪声低、冲击振动小、以及能得到很大的单级传动 比。本设计的减速装置传动比相对较大，为了结构紧凑及满足实际使用要求， 拟采用蜗杆传动【1 7 1 。 2 3 布置形式 机械系统的总体布置应从保证其主要性能出发，在总体设计和各总成部件 设计的密切配合下，根据使用要求及功能分配来协调各总成的性能，并调整和 确定它们的位置、尺寸和重量。总体布置必须要有全局观点，不仅要考虑机械 本身的内部因素，还要考虑人机关系、环境条件等各种外部因素0 3 , 1 s , 2 0 。 电动执行机构的布置根据减速装置与电机的相对位置关系可分为上置式和 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 侧置式两种形式，分别见图2 - 2 和图2 3 。 l 一控制装置2 一电机3 一减速装置4 一手动装置 图2 - 2 上置式电动执行机构总体布置 f i g 2 - 2m a c r o - l a yo fa b o v ep l a c ee l e c t r i ca c t o a l o r l 一电机2 一控制装置3 一减速装置4 一手动装置 图2 3 侧置式电动执行机构总体布置 f i g 2 3m a c r o - l a yo fs i d ep l a c ee l e c t r i ca c t u a t o r 上置式的电机上置，使得它远离发热源，减少电机的温升，有利于电机的 工作；但电机上置，使得控制系统必须侧置，靠近热源温升较高，里面的电子 元件受到较大影响，不利于控制系统工作，控制系统与电机相比更易受温度影 响。侧置式为电机于侧面，而控制系统则置于顶部，这样使得易受高温影响的 控制系统远离发热源，电机受热的影响相对较少。综合比较两种布置形式，考 虑其实际工作情况，本设计采用侧置式1 2 l 捌。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 4 运动设计 运动设计主要是确定机械系统的运动参数，一般是指机械执行件的运动速 度等，如机床等加工机械的主轴转速，工作台、刀架的运动速度，变速器主轴 的输出转速等【”1 。 本设计利用变频调速电动机驱动，经过减速系统后输出。减速系统采用蜗 杆传动，蜗杆传动相比于齿轮传动的主要优点是结构紧凑、工作平稳、噪声 低、冲击振动小、能得到较大的单级传动比。为减小减速系统的尺寸，使结构 紧凑，所以采用蜗轮蜗杆传动。要求其输出转速为( 1 0 - - 8 0 r m i n ) ，为使电动 机在恒转矩范围内调速，拟采用额定转速为3 0 0 0 r r a i n 的异步变频调速电动机， 单级传动比为4 0 的蜗轮蜗杆。根据电动机和主轴的转速，分配各传动副的传动 比，可拟定电动执行机构的转速图和运动传动系统分别见图2 - 4 和图2 5 。 。 0i 4 0 0 ( r m i n ) - - 一一 。冬 h = l 图2 - 4 转速图 f i g 2 - 4s p e e dc h a r t 8 0 7 5 l o ( r m i n ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 5 电动执行机构传动系统图 f i g 2 - 5m o v e m e n ta n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mo f e l e c t r i ca c t u a t o r 由图2 5 可知，电动执行机构有两条传动链。第一条由电动机、蜗杆、大 蜗轮、输出轴组成，构成主运动传动链；第两条由输出轴、大蜗轮、蜗杆、小 蜗轮、检测装置组成，构成检测运动传动链。根据电动执行机构的工作特性要 求，可确定其各基本参数。 1 主运动计算主运动是由电动机通过蜗杆带动大蜗轮输出，所以输出 运动转速刀主为 7 1l 性2 飞i , 1 = ( 4 0 0 3 2 0 0 ) 右2 8 0 1 0 ( r m i n ) 式中：力詹为电机转速；乃为蜗杆头数；汤为大蜗轮齿数。 2 检测运动计算检测运动是由电动机通过蜗杆带动小蜗轮输出，所以 检测运动转速刀检为 71 。= 飞手= ( 4 0 0 3 2 0 0 ) 寺= 1 2 5 1 0 0 ( r m i n ) “3 ，。 式中：刀舌为电机转速；z j 为蜗杆头数；历为小蜗轮齿数。 3 转速比主运动与检测运动的转速比f 可表示为 f ：鱼：飞z , z 2 = 业：o 8 飞磊z 3 1 3 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 5 动力计算 各种传动件的参数都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数选得过 大，将使机构过于笨重，浪费材料和电力；如果参数定得过小，又将影响机构 的工作性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定【1 3 1 。 2 5 1 功率和转矩特性 交流调速电动机的功率和转矩特性如图2 6 所示，所设计电动执行机构的 功率和转矩特性如图2 - 7 所示。比较两图可知，电动执行机构主要工作区在电 机的恒转矩内，只有在阀门要求快速动作时才运行在电机的恒功率区，这时输 出转矩有所下降。但因电动执行机构具有柔性开关功能，即在阀门开启时刻要 求分级缓步变速启动，在接近开启终点位置时要求分级变速停止( 防止“惰 走 ) ，而工作时的最大转距将产生在阀芯的开启和关闭的瞬间，电动执行机构 在高速( 电动机转速3 2 0 0 r r a i n ) 运行时不需要输出最大转距，况且最高转速 r m a x 与计算转速n j 差值不大( 仅差6 6 6 ) ，输出转矩下降很少，因此可以满 足使用要求【2 7 捌。 g z h 袋 蜱 _ 钆 槲 督 ，栩n dr m a r 电动机转速( r m i n ) 图2 - 6 交流调速电动机的功率和转矩特性 f i g 2 6p o w e ra n dt o r q u e sc h a r a c t e r i s t i co f a ct i m i n ge l e c t r o m o t o r g z h 瑷 埤 蔓 q 一 龉 雷 r l m u = n j r l a m = 电动执行机构转速( r m i n ) 图2 - 7 电动执行机构的功率和转矩特性 f i g 2 - 7p o w e ra n dt o r q u e sc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i ca c m a m r 2 5 2 总传动效率 根据图2 5 传动系统可知，主运动传动系统的总传动效率可表示为【1 叼 r = r 1x r hx r 3x r 4 ( 2 - 1 ) 式中：玩为联轴器传动效率，可取r l = o 9 9 ；r ：为轴承传动效率( 一对) ，可取 r h = o 9 9 ；r 3 为蜗轮副传动啮合效率，可取仇= 0 7 8 ；r 4 为油的搅动和飞溅损耗 时的效率，可取仉= o 9 9 。 将以上各参数代入式( 2 1 ) 计算可得r = 0 7 5 7 。 2 5 3 电机功率 由图2 5 可知，电动执行机构有两条传动链，其中检测运动的功率远远小 于主运动的功率，因此在进行相关计算时不考虑它的影响。电动执行机构的有 效功率可计算为 、l v ：! ! ! ：8 ( k w ) , 1 0 0 0 x 8 0 3 7 = 一= 一= 6 u i w ， 9 5 59 5 5 式中：r 为输出最大转矩：刀为输出最高转速。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 根据电动执行机构传动系统的实际工作情况，其运动所需功率为 = 等= 焉= n ( k w ) 本电动执行机构只有当发电机组出现意外时要求阀门快速动作时才运转在 高速( 8 0 r m i n ) 下，正常情况下都运行在低速( 1 0 r m i n ) 下，低速下所需电 机功率为 m ：堡：1 0 0 0 1 0 = 1 0 5 ( k w w ) = 一= 一= l k j 9 5 59 5 5 噜= 焉_ 1 3 9 ( k w ) 一般电动机都具有一定的短时过载能力，经综合考虑，选取y p 系列变频 专用电机，它具用2 0 0 的短时过载能力，因此要达到短时输出功率为ll k w 只需选取功率为5 5 k w 的电动机即可。 2 6 本章小结 本章在介绍电动执行机构的总体设计要求基础上，根据工作原理和实际应 用情况提出了总体设计方案，确定其系统的组成和总体布置形式。根据电动执 行机构的性能要求，确定其基本参数，并进行相关的运动计算和动力计算，确 定出总传动效率和电动机功率。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 1 电机选择 第3 章主要部件设计 本课题的设计要求电动执行机构输出的转矩为3 5 0 - 1 0 0 0 n m ，转速为1 0 - 8 0 r m i n ，要求速度输出在一定范围内可调，为了使用变速系统减化，易于控 制，因此采用速度可调的电机。直流电阻调速与交流变频调速是两种常用的调 速方法，下面是这两种调速电机的比较 2 9 , 3 0 l 。 1 电机可靠性比较直流电机转子上因为有线圈和易磨损的换向铜头、 碳刷等，故障率高、维修费用大。交流电机可靠性高，其转子上没有线圈和换 向铜头，而是由铸铝和硅钢片压制成的铁滚子，故可称为永不损坏。 2 调速器维修量比较直流调速器凸轮控制触头的通、断时产生的电弧 经常烧坏触头，所以维修量很大。变频调速器没有触头，接点基本无维修。 3 节能性比较由于直流调速器电机带有电阻器运行，因此电能白白消 耗在电阻上，同时由于电阻发热导致电阻瓷架和电阻片烧坏。变频调速电机不 用高耗能降压电阻，节电率可达3 5 。 4 调速性能比较直流调速器电机：有级分档调速，不可能均匀调；变 频调速电机：为无级均匀调速，最低可调至频率为0 1 h z 。 通过上述比较，本设计选用变频调电机。根据运动和动力计算的结果，考 虑到设计要求，及电机市场的实际情况，选用森力玛y p 5 0 5 5 - 2 变频专用调 速电机，电机特性如表3 1 所示【3 埘j 。 表3 - 1 电机特性 t ：l b l e 3 1c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o m o t o r 变频专用电机型号y p - 5 0 - 5 5 2 额定功率( k w ) 额定转矩( n 皿) 瞬间最大转矩( n m ) 额定转速( r m i n ) 基频( h z ) 转子惯量( k g m 2 1 0 4 ) 调频范围 适配变频器( k w ) 5 5 1 8 3 6 3 0 0 0 5 0 o 0 1 0 9 2 h z l o o h z 5 5 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 减速装置设计 经综合分析，减速装置采用单级传动比较大且结构尺寸较小的蜗杆蜗轮传 动。蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动，在绝对大多事情况下两轴在空 间是互相垂直的轴交角为9 0 度。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输 机械、冶金机械以及其他机械制造行业中，最大传动功率可达7 5 0 k w ，通常用 在5 0 k w 以下；最高滑动速度可达