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調節閥用20kN直行程電動執行器設計
發布于：2019/8/27 10:37:41 點擊量：241
一、前言
隨著工業過程控制自動化程度的日益提高，各種形式的控制閥將會越來越多地被應用到不同的過程控制系統中。最具代表性的控制閥主要有氣動控制閥、電動控制閥和液動控制閥等。然而，電動控制閥因其能源取得方便、無需建立氣站和液站而應用較廣。因此，決定了用來驅動電動控制閥的電動執行器具有十分廣闊的應用前景。它被廣泛地應用在化工、石油、冶金、發電、市政工程、紡織印染以及智能樓宇等行業的自動控制系統中。典型的電動執行器有接收開、關信號的開關型；接收標準電流（或電壓）信號的調節型以及直接接收Pt100等鉑電阻信號的溫控型等。電動執行器按行程方式分為直行程、角行程（部分回轉）和多轉型。直行程電動執行器是用來控制直線動作形式閥門的。根據閥門通徑大小和不同的工作壓差，選用不同推力的電動執行器，以達到安全、精準、可靠、經濟地控制閥門的目的。下面就調節閥用20kN推力直行程電動執行器的設計、計算和調試工藝作一簡述。
二、20kN推力直行程電動執行器的設計計算
1.減速系統的設計
電動執行器是一種典型的機電一體化產品。而在機電一體化機械系統中，目前使用最多的便是齒輪傳動，因此，本技術方案也優先選用了齒輪傳動。這不僅因為齒輪傳動的瞬時傳動比為常數、傳動精確、可以做到零側隙、無回差，而且強度大、能承受重載、結構緊湊、摩擦力小及效率高。
2.絲桿螺母副的設計計算
為了將齒輪的旋轉運動轉換為電動執行器的直線運動，從而達到控制直線動作閥門的目的。在本設計中，采用了制造工藝非常成熟且特別適用于動力傳動的梯形螺紋這種滑動螺旋傳動方式。它將由齒輪傳給螺母的旋轉運動轉變成梯形絲桿（執行器輸出軸）的直線運動。由于梯形絲桿螺母副除加工工藝性好外，還有強度高、對中性好等優點。而這些優點，正是直行程電動執行器所需要的。直行程電動執行器是通過輸出軸做直線運動去帶動閥門上、下運行來達到改變閥門開度控制流體之目的。由于閥門控制的特殊性，要求執行器輸出軸的絲桿螺母副還必須滿足自鎖條件：即當執行器的伺服電動機停止轉動時，執行器輸出軸必須保持在原位（即自鎖），從而使閥門的開度也相應地保持在原位。因此，在設計電動執行器輸出軸的絲桿時，其螺紋升角α不宜過大。由摩擦理論得知，滿足自鎖條件的螺紋升角
（1）
式中α——絲桿的螺紋升角，單位為°；
fm——摩擦角，單位為°；
f——絲桿螺母副的摩擦因數（查相關手冊可得）。
在本設計方案中，絲桿材料選用45優質碳素結構鋼，螺母材料采用耐磨性好的球墨鑄鐵，摩擦因數f=0.1。所以，摩擦角fm=arctanf=arctan0.1=5.71°。
由絲桿螺紋升角定義得
（2）
式中n——螺紋線數，本設計為單線螺紋，n=1；
t——螺距，單位為mm；
d2——絲桿中徑，單位為mm。
代入式（1）得
（3）
而絲桿中徑d2可用下式求得：
（4）
式中 F——額定軸向載荷，單位為kgf，本設計中F=20kN=20×103/9.8=2040.8kgf（1kgf=9.8N）；
n——安全系數（1.2~2.0），取1.5；
Ψ——螺母形式系數，整體式螺母為1.2~2.5，取2.0；
[p]——許用比壓，單位為kgf/mm2（1kgf/mm2=10MPa），本設計為低速、45鋼絲桿與球墨鑄鐵螺母，[p]=1.3。
所以，d2≥0.8×[（2040.8×1.5）/（2×1.3）]0.5=27.45mm。
根據國標圓整后，取d2=29mm，t=6mm。
由式（3）得
α=arctan[t/（πd2）]=arctan[6/（3.14159×29）]=3.77
α°<5.71°，由此可見，所設計的絲桿螺母副，既滿足強度要求又符合自鎖條件。
3.位置反饋和行程控制系統的設計
位置反饋系統是電動執行器的重要組成部分，如下圖所示，對直行程電動執行器而言，位置反饋系統的功能是將電動執行器的直線行程轉換成相應的電信號，給伺服放大器作為比較和閥位反饋輸出。采用分辨率高、壽命長、具有高速跟蹤性能的角位移精密導電塑料電位器做位置傳感器具有比較優勢。通過行程轉換能滿足測量大于100mm直線位移（行程）的需要。
位置反饋和形成控制系統示意圖
1.齒條2.上限位凸輪3.下限位凸輪4.下限位開關5.上限位開關
6.反饋組件固定架7.行程變換齒輪8.反饋主動齒輪9.軸承
10.卡簧11.傳動軸12.電位器調整板13.導電塑料電位器
14.反饋電位器齒輪15.齒條導向調整板16.輸出軸與齒條聯接銷
17.鋁合金型材反饋盒18.角度指針19.角度指示牌
行程限位機構是用以實現電動執行器在行程零位和行程滿位時切斷伺服電動機電源，以保護電動執行器，防止過載、堵轉而損壞電動機。經計算，采用二級齒輪傳動，就能夠將位置反饋系統和行程限位機構有機結合在一塊，設計成一個位置反饋和行程控制系統組件。根據多級齒輪傳動理論，在齒輪傳動系統中，每級齒輪的傳動間隙對系統精度的影響程度是不同的。由于在電動執行器的反饋系統中，齒輪傳動往往采取減速傳動，來滿足大行程控制需要。這就決定了后級的齒輪間隙比前級的齒輪間隙對系統的精度影響更大。因此，保證最后一級齒輪精度尤為重要。鑒于此，在反饋系統的設計中，二級齒輪傳動均采取了間隙可調整結構，以確保執行器的控制精度。
4.電動執行器輸出軸與閥桿連接機構的設計
電動執行器輸出軸與閥桿連接機構，采用彈性連接機構設計。這種彈性連接裝置，選用可調預載荷的碟形彈簧組件。用以確保執行器在嚴密關閉閥門的同時，不會損壞閥芯和閥座。另外，這種彈性連接機構，還可以克服由于閥桿與輸出軸的同軸度誤差給閥門造成的損傷。在執行器輸出軸與閥桿之間，通過兩半式夾塊將二者緊密連接起來。兩半式夾塊，結構簡單、連接牢靠，既可傳遞執行器的推力，又可防止閥桿轉動，還可安裝行程指針，將閥門行程（開度）指示有機地加以結合。
三、電動執行器與閥門連接后的電氣調試
電動執行器加上主控模塊（伺服放大器）后，就組成了電子式（調節式）電動執行器。當電動執行器與閥門連接好后，就可以進行電氣調試。調試的順序是：先調整零位，后調整滿位（行程）。現將電開式電動調節閥的調試方法簡述如下：將調試儀的控制信號調整至4mA，利用主控模塊上的零位電位器將閥門行程（開度）調整至零位。然后調整滿位（即行程），將調試儀的控制信號調整至20mA，利用主控模塊上的滿位（即行程）電位器將閥門調至滿位（即額定行程，如DN250~300調節閥的額定行程為100mm）。經調校后，使控制信號與反饋信號的誤差控制在0.1mA以內。需要注意的是：當靈敏度過高或過低都不利于電動調節閥的自動控制。前者會使調節閥發生振蕩現象（即不停地正、反擺動），后者則會使調節閥的響應速度下降、反應遲鈍，有損調節精度。靈敏度的調節可以通過主控模塊上的死區電位器進行調整，使其達到合適的位置。在調試過程中，如果行程零位和滿位均出現反饋信號同時偏高或偏低的情況。這時可以通過調整主控模塊上的反饋電位器進行微調，使控制信號與反饋信號盡量一致。
四、結語
在調節閥用直行程電動執行器的設計中，除前述要點外，伺服電動機的選型也是十分重要的。電動執行器用伺服電動機，屬于可逆、斷續工作制，因此與其匹配的移相電容也很關鍵。另外，過熱保護、機械阻尼等功能也是非常必要的。總之，要設計出一款性價比高、外觀新穎且可靠性佳的電動執行器，需要機與電的最優組合，這也正是機電一體化產品在設計時所要特別重視的。
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