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摘要：本文介紹了科遠(yuǎn)股份全新開發(fā)的50-100nm角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了高壓鑄造工藝設(shè)計(jì)、電子鎖及按鈕保護(hù)安全設(shè)計(jì)和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，并通過整機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了其滿足行業(yè)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，滿足了小力矩、輕量化、智能化的市場(chǎng)需求，為環(huán)保條件下的管道閥門提供驅(qū)動(dòng)和過程控制。
關(guān)鍵詞：角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 小力矩 輕量化 智能化
王成 禹建勇 李秋實(shí) 李超
引言
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的機(jī)電一體化設(shè)備，是一種以電能作為動(dòng)力，輸出具有一定動(dòng)能的角位移或直線位移的驅(qū)動(dòng)裝置，主要由電機(jī)、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置傳感器、行程限制機(jī)構(gòu)，手自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)組成。它可以按預(yù)先設(shè)定的要求，輸出相應(yīng)的圈數(shù)、角度或長(zhǎng)度，即實(shí)現(xiàn)行程控制功能，并能限制輸出的轉(zhuǎn)矩或推力，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制功能。同時(shí)還可以通過手自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試操作。
角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出角位移為0-90°或其他轉(zhuǎn)角，主要由電機(jī)、位置傳感器、蝸輪、蝸桿、驅(qū)動(dòng)軸、控制單元、操作面板、手輪等組成，控制單元接收4-20mA電流或開關(guān)量控制信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過轉(zhuǎn)子軸直接帶動(dòng)一級(jí)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，一級(jí)蝸桿帶動(dòng)一級(jí)斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過離合器帶動(dòng)二級(jí)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)蝸桿帶動(dòng)二級(jí)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而輸出相應(yīng)的力矩和角位移。
目前根據(jù)國(guó)家環(huán)保要求，許多電廠、化工廠等需要加裝脫硫脫硝系統(tǒng)，脫硫脫硝系統(tǒng)用到的均是小口徑管道，要求電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須體積小、重量輕、輸出轉(zhuǎn)矩小，故市場(chǎng)對(duì)這一類角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求量增加。鑒于以上需求，開發(fā)出了一款輸出轉(zhuǎn)矩在50-100nm、體積小、質(zhì)量輕的角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1所示。
圖1 ST0010電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
產(chǎn)品的主要特點(diǎn)為
(1) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品小型化、精巧化，如圖2所示；
(2) 箱體與上蓋采用高壓鑄造工藝，使產(chǎn)品輕型化；
(3) 接線出線口的可以選擇兩個(gè)方向進(jìn)行安裝；
(4) 電氣腔采用二級(jí)密封設(shè)計(jì)，防止因接線腔進(jìn)水導(dǎo)致電氣腔進(jìn)水；
(5) 具有按鈕碰撞保護(hù)、顯示罩碰撞保護(hù)、手輪碰撞保護(hù)功能；
(6) 智能化設(shè)計(jì)，如圖所示，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)各信號(hào)進(jìn)行記錄，方便信號(hào)讀取，精確驅(qū)動(dòng)閥門；
(7) 輸出精度高，誤差小于0.5°；
(8)壽命滿足開關(guān)閥各10000次。
圖2 ST0010電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能化設(shè)計(jì)
一、高壓鑄造殼體設(shè)計(jì)
箱體和上蓋是本產(chǎn)品體積的兩個(gè)零件，為了使產(chǎn)品輕型化，采用高壓鑄造工藝鑄造出箱體和上蓋，材料選擇ADC12，高壓鑄造相比低壓鑄造具有精度高，薄壁、質(zhì)量輕、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，特別符合本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，箱體和上蓋多處采用免加工，壁厚保持在3-6mm之間，批量鑄件結(jié)構(gòu)尺寸及產(chǎn)品工藝穩(wěn)定可靠，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總重僅為12kg。箱體和上蓋毛坯設(shè)計(jì)時(shí)已兼顧隔爆設(shè)計(jì)，箱體與上蓋配合止口面、箱體與一級(jí)蝸桿軸承壓蓋配合面、箱體與蝸輪軸上端配合面、箱體與接線端蓋配合止口處均滿足DIICT4的拓展。
二、電子鎖及按鈕保護(hù)安全設(shè)計(jì)
為了防止按鈕在現(xiàn)場(chǎng)受到觸碰而導(dǎo)致誤操作，從上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了按鈕的保護(hù)，按鈕周圍均設(shè)計(jì)有高出按鈕頂端的結(jié)構(gòu)，即便不小心碰撞到上蓋表面，也不會(huì)觸發(fā)按鈕。一般情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要處在“遠(yuǎn)程”模式下，按照上位機(jī)的命令來動(dòng)作，一旦工作模式被誤切換，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將會(huì)意外停機(jī)，給生產(chǎn)帶來不可預(yù)想的后果。為了進(jìn)一步加強(qiáng)安全保護(hù)，防止現(xiàn)場(chǎng)因按鈕誤操作導(dǎo)致的事故，在控制單元也增加了按鈕電子鎖模塊，即當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢并調(diào)試無誤正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，可在軟件界面設(shè)置按鈕鎖功能啟用，這樣當(dāng)任一按鈕被誤操作時(shí)，界面會(huì)提示輸出密碼后方可進(jìn)行相關(guān)命令的執(zhí)行，相比以前的機(jī)械鎖方案，機(jī)械零件結(jié)構(gòu)上得到優(yōu)化，安全性更加可靠，且電子鎖沒有機(jī)械磨損，因此壽命大大提高，另外也節(jié)約了成本。
按鈕電子鎖啟用
三、人機(jī)交互設(shè)計(jì)
為了滿足客戶現(xiàn)場(chǎng)不同的安裝位置要求，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出線口設(shè)計(jì)在了兩個(gè)方向上，如圖所示，方便客戶自由選擇合適出線位置，為現(xiàn)場(chǎng)整潔科學(xué)布線提供方便接口；另外，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝位置不同，可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)
工作人員觀察電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示屏?xí)r遇到顯示字倒立或垂直的現(xiàn)象，為了解決這一問題，在控制單元設(shè)計(jì)了屏幕顯示旋轉(zhuǎn)設(shè)置功能，可根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)安裝需求，將顯示屏顯示字旋轉(zhuǎn)90°、180°和270°，如圖所示，以適應(yīng)客戶現(xiàn)場(chǎng)的視覺需求，*人機(jī)交互的舒適性，充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理念。
顯示屏可旋轉(zhuǎn)
四、整機(jī)性能測(cè)試驗(yàn)證
1) 振動(dòng)測(cè)試：電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在通電狀態(tài)下，在三個(gè)方向以10Hz-150Hz的頻率進(jìn)行掃頻振動(dòng)，找到共振點(diǎn)，然后在共振頻率上進(jìn)行30分鐘耐振試驗(yàn)，振幅為0.1mm，加速度為20m/s-2，無異常；
2) 間隙測(cè)試：實(shí)驗(yàn)測(cè)得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出間隙滿足0.5°以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)；
3) 機(jī)械壽命測(cè)試：滿足100Nm載荷下開關(guān)各10000次；
4) 整機(jī)高溫老化測(cè)試：設(shè)置高溫老化箱環(huán)境溫度70°C，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以開10S、停30S、關(guān)10S。
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