介紹一種由直行程電子式電動執(zhí)行器和放料閥組成的電動放料閥,該閥幾乎具備放料閥本身所要求的各種動作變換功能以及閥開度信號功能和手動功能。閥的開啟和關(guān)閉速度、輸出軸的轉(zhuǎn)動力矩,取決于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率和傳動機(jī)構(gòu)的傳動比。執(zhí)行器由控制器、傳動機(jī)構(gòu)、開度檢測機(jī)構(gòu)、聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)與手動機(jī)構(gòu)組成,可實(shí)施遠(yuǎn)程操作或就地放料。

　　電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動化系統(tǒng)中的一種執(zhí)行部件，可分為直行程和角行程兩大類。其接收控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器送來的控制信號，改變操縱變量，按設(shè)定要求轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移驅(qū)動調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)過程控制或系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)。

　　微機(jī)控制技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)/微機(jī)+隨動系統(tǒng)0結(jié)構(gòu)模式的微機(jī)型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由微處理器完成信號傳遞、調(diào)節(jié)規(guī)律的綜合、調(diào)節(jié)參數(shù)切換、狀態(tài)指示、控制量的輸出等功能。

　　以下敘述一種采用智能型控制器的直行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操縱放料閥組成電動放料閥，在實(shí)際使用中取得較為滿意的效果。

1、電動放料閥工作原理

　　電動放料閥由直行程電子式電動執(zhí)行器與放料閥組成，見圖1。以220V交流單相可逆異步電動機(jī)(含齒輪減速)為執(zhí)行器，也常采用宜于帶沖擊載荷周期性工作的電動機(jī)，如高轉(zhuǎn)差率AOC型封閉環(huán)吹式三相異步電動機(jī)。

　　智能控制器為電動執(zhí)行器設(shè)置智能比例式伺服電路，接收控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器的DC4～20mA或DC1～5V信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至CPU進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)CPU與來自電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度信號及上、下限位置進(jìn)行比較后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪減速后推動輸出軸作上、下位移，最終實(shí)現(xiàn)輸入信號對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移的控制。此外，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出當(dāng)前的實(shí)際位置經(jīng)CPU處理及D/A轉(zhuǎn)換后，以標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號輸給用戶作其他用途。放料閥按結(jié)構(gòu)分為上展式和下展式，其運(yùn)動件閥桿通過鎖緊螺母聯(lián)接閥芯，閥芯貼合閥芯座呈密封狀態(tài)，保證腔內(nèi)料液不泄漏。閥桿接受電動執(zhí)行器輸出軸上、下位移，使閥芯實(shí)施開或關(guān)動作，達(dá)到自動放料的目的。

圖1 電動放料閥結(jié)構(gòu)圖

　　放料閥通常與反應(yīng)釜配套使用，一般設(shè)計(jì)閥芯座兼?zhèn)涓�底法蘭功能，即借助釜底法蘭焊在反應(yīng)釜上。

　　如此容易產(chǎn)生焊接變形，導(dǎo)致閥芯與閥芯座密封不良，甚至失效。所以放料閥設(shè)計(jì)應(yīng)考慮釜底法蘭焊接變形的現(xiàn)實(shí)，宜將閥芯座的密封性能和釜底法蘭的聯(lián)接功能分離，如圖1所示，可有效地避免閥芯座因現(xiàn)場安裝施焊所產(chǎn)生的變形。

2、電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

　　如圖2示，電動執(zhí)行器主要由智能型控制器、傳動機(jī)構(gòu)、開度檢測機(jī)構(gòu)、聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)和手動機(jī)構(gòu)組成，實(shí)施信號接收、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，指令電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過同步帶傳動螺旋套轉(zhuǎn)換為輸出軸的往復(fù)運(yùn)動。與此同時(shí)，開度檢測機(jī)構(gòu)將輸出軸位移反饋給智能型控制器，組成閉環(huán)操作過程。聯(lián)結(jié)支架使執(zhí)行器和放料閥聯(lián)成一體，斷電情況下可手動。

圖2 電動執(zhí)行器

　　2.1、執(zhí)行器傳動機(jī)構(gòu)

　　傳動機(jī)構(gòu)主要由動力螺旋套與輸出軸組成。電動機(jī)通過同步帶驅(qū)動動力螺旋套，套內(nèi)壁加工牙根強(qiáng)度高、螺紋副對中性與工藝性良好的梯形螺紋。傳動輸出軸的止轉(zhuǎn)銷在動力套直線形銷槽內(nèi)定位，并隨傳動螺旋移動。螺旋套通過滾動軸承置于動力套中，由此實(shí)現(xiàn)螺旋套的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為輸出軸的直線位移，見圖3。

圖3 執(zhí)行器傳動機(jī)構(gòu)

　　異步電動機(jī)容許較大超載力矩，如高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)，其起動力矩可超過公稱力矩2.2～2.3倍。閉路閥內(nèi)，最大載荷產(chǎn)生于閥門關(guān)閉的末期或開啟初期，通常時(shí)間甚短。選用電動機(jī)宜考慮過載系數(shù)。

　　2.2、執(zhí)行器閥位檢測機(jī)構(gòu)

　　輸出軸止轉(zhuǎn)銷聯(lián)接閥位反饋機(jī)構(gòu)，將輸出軸的直線運(yùn)動位移(閥芯開度)經(jīng)齒條、齒輪反饋給精密導(dǎo)電塑料電位器(具有齒隙補(bǔ)償機(jī)構(gòu))，由電位器轉(zhuǎn)換成電信號再反饋給控制器。當(dāng)來自控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器的輸入信號和閥芯的開度信號之差為零時(shí)，電機(jī)將停止工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的給定值與實(shí)際值的比較，是在微處理器的電子電路中進(jìn)行。微處理機(jī)和功能模塊可以進(jìn)行不同的組合，實(shí)現(xiàn)指示、報(bào)警、行程限定、分程控制等功能。

　　輸出軸限位置控制由凸輪執(zhí)行，見圖4。當(dāng)狀態(tài)開關(guān)設(shè)定/正動作狀態(tài)0時(shí)，將輸入信號緩慢減小至3.7～3.95mA，調(diào)整并緊固限位凸輪，使限位開關(guān)動作，輸出軸停止向上運(yùn)動;當(dāng)狀態(tài)開關(guān)設(shè)定/反動作狀態(tài)0時(shí)，將輸入信號緩慢增大至20.2～20.5mA，調(diào)整并緊固限位凸輪，使限位開關(guān)動作，輸出軸停止向上運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)輸出軸上升位置的限位。

圖4 限位控制

　　同樣，改變輸入信號，確認(rèn)閥桿不動時(shí)，繼續(xù)增大或減小輸入信號，使輸出軸內(nèi)彈簧壓縮。當(dāng)輸出軸下降約1mm，調(diào)整凸輪，限位開關(guān)動作，輸出軸停止向下運(yùn)動。即設(shè)定1mm，執(zhí)行器達(dá)到額定輸出力。由此實(shí)現(xiàn)輸出軸下降位置的限位。

　　2.3、執(zhí)行器聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)

圖5 輸出軸和閥桿連接

　　通過支架將執(zhí)行器和放料閥聯(lián)接，并由開合螺母將執(zhí)行器輸出軸和閥桿聯(lián)接，開合螺母帶指針，支架設(shè)標(biāo)尺，可指示輸出軸或閥桿位移。如圖5所示。

3、電動執(zhí)行器傳遞函數(shù)

　　由控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器給出的DC4～20mA電流信號Is，借助I/V轉(zhuǎn)換為電壓信號Us;齒輪減速輸出的直線位移信號X經(jīng)位置檢測機(jī)構(gòu)形成反饋信號Uc送給控制器，形成位置反饋信號Uf;Us和Uf兩個(gè)信號經(jīng)過一個(gè)繼電型非線性環(huán)節(jié)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動齒輪減速傳動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)位移。因I/V轉(zhuǎn)換相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，較容易計(jì)算，可以不考慮。所以電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許簡化為繼電環(huán)節(jié)和傳遞函數(shù)兩部分組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該閉環(huán)控制系統(tǒng)以電壓信號Us，即I/V轉(zhuǎn)換后信號為輸入，位置反饋Uf信號為輸出。其中傳遞函數(shù)由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和位置反饋機(jī)構(gòu)組成。

　　3.1、傳遞函數(shù)的形式

　　從分析電動執(zhí)行器的各個(gè)組成部分出發(fā)，最終導(dǎo)出以供電壓為輸入、反饋電壓為輸出的時(shí)域模型

　　和開環(huán)傳遞函數(shù)

　　3.2、開環(huán)傳遞函數(shù)的參數(shù)

　　系二階常微分方程，它的解為：

　　式中：(c1、c2為待定常數(shù))。二階常微分方程的解的圖形可用傳遞函數(shù)仿真圖表示。分析方程的解，當(dāng)時(shí)間t很大時(shí)， 項(xiàng)很小，可以忽略。所以時(shí)間t較大時(shí)，uf近似一條直線，在uf上取兩點(diǎn)作直線，可求出R、B的值。

　　對

　　求導(dǎo)：

　　t=0，電動機(jī)角速度

　　所以

　　綜上所述，可得

　　由此便捷求出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)。

4、電動執(zhí)行器的可靠性

　　電動執(zhí)行器的可靠性指在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。壽命期內(nèi)可靠性規(guī)律是研究基礎(chǔ)，取決于早期失效、隨機(jī)失效與耗損失效。常用可靠度R表征完成規(guī)定功能概率，實(shí)際使用時(shí)以平均無故障時(shí)間 表征，并作為電動執(zhí)行器可靠性指標(biāo)。電動執(zhí)行器可靠性一般受下列因素制約：系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)，元件/器件適用性，動作參數(shù)，機(jī)械構(gòu)造，制造技術(shù)，裝配精度，運(yùn)行維護(hù)水準(zhǔn)及備品性能等。

　　4.1、電動執(zhí)行器故障特征

　　提高電動執(zhí)行器可靠性，應(yīng)盡量減少和消除故障。其實(shí)故障顯示多樣性，例如某一元件失靈、系統(tǒng)元件/器件綜合因素以及電氣或過程控制因素等。

　　調(diào)試階段故障。新電動執(zhí)行器的故障較為復(fù)雜，其特征是設(shè)計(jì)、制造、安裝及管理等交織在一起，出現(xiàn)動作不平穩(wěn)、定位精度達(dá)不到要求等故障。

　　運(yùn)行初、中期故障。常見限位開關(guān)易失靈等。一般進(jìn)入運(yùn)行中期，系統(tǒng)元/器件處于上佳運(yùn)行狀態(tài)，故障率較低。

　　運(yùn)行后期故障，各元/器件工作頻率和負(fù)載出現(xiàn)差異，易損件先后磨損，出現(xiàn)閥位反饋接觸不良、定位精度差、穩(wěn)定性下降。效率明顯降低，故障率逐漸增大。至此應(yīng)予以全面維修。

　　電動執(zhí)行器的偶發(fā)故障一般較難預(yù)測，定期檢查、掌握某階段維護(hù)資料和履歷數(shù)據(jù)，有利于故障判斷。

5、結(jié)束語

　　電動放料閥就技術(shù)層面而言，需提高電動執(zhí)行器可靠性，應(yīng)視使用場合為放料閥設(shè)計(jì)閥芯座。為了適應(yīng)自動控制需求，電動執(zhí)行器具有眾多功能和優(yōu)良運(yùn)行特性，例如信號處理、力矩控制、行程調(diào)整等，增大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。為了保證這些功能與運(yùn)行特性在使用時(shí)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致可靠性問題更加突出。

　　自動控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)自動控制的執(zhí)行器件，如果選擇不當(dāng)或質(zhì)量不過關(guān)，即使有完美的控制思路、高超的控制策略也難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。其可靠性受各種復(fù)雜未知因素的影響與制約，表現(xiàn)形式亦多種多樣。因此電動執(zhí)行器的故障診斷、預(yù)防措施、糾錯(cuò)技術(shù)應(yīng)更完善、達(dá)到故障定位更準(zhǔn)確、維修更容易、操作調(diào)整更簡便之目的。