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

　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)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(hào)，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(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)過程控制或系統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)0結(jié)構(gòu)模式的微機(jī)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由微處理器完成信號(hào)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操縱放料閥組成電動(dòng)放料閥，在實(shí)際使用中取得較為滿意的效果。

1、電動(dòng)放料閥工作原理

　　電動(dòng)放料閥由直行程電子式電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)，如高轉(zhuǎn)差率AOC型封閉環(huán)吹式三相異步電動(dòng)機(jī)。

　　智能控制器為電動(dòng)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(hào)，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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度信號(hào)及上、下限位置進(jìn)行比較后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪減速后推動(dòng)輸出軸作上、下位移，最終實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移的控制。此外，電動(dòng)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(hào)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(dòng)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(dòng)執(zhí)行器輸出軸上、下位移，使閥芯實(shí)施開或關(guān)動(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)放料的目的。

圖1 電動(dòng)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(chǎng)安裝施焊所產(chǎn)生的變形。

2、電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

　　如圖2示，電動(dòng)執(zhí)行器主要由智能型控制器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開度檢測(cè)機(jī)構(gòu)、聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)和手動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，實(shí)施信號(hào)接收、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，指令電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過同步帶傳動(dòng)螺旋套轉(zhuǎn)換為輸出軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，開度檢測(cè)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(dòng)。

圖2 電動(dòng)執(zhí)行器

　　2.1、執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

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

圖3 執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　異步電動(dòng)機(jī)容許較大超載力矩，如高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)，其起動(dòng)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(dòng)機(jī)宜考慮過載系數(shù)。

　　2.2、執(zhí)行器閥位檢測(cè)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(dòng)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(hào)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(hào)和閥芯的開度信號(hào)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(dòng)作狀態(tài)0時(shí)，將輸入信號(hào)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(dòng)作，輸出軸停止向上運(yùn)動(dòng);當(dāng)狀態(tài)開關(guān)設(shè)定/反動(dòng)作狀態(tài)0時(shí)，將輸入信號(hào)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(dòng)作，輸出軸停止向上運(yùn)動(dòng)，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(hào)，確認(rèn)閥桿不動(dòng)時(shí)，繼續(xù)增大或減小輸入信號(hào)，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(dòng)作，輸出軸停止向下運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(hào)Is，借助I/V轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Us;齒輪減速輸出的直線位移信號(hào)X經(jīng)位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)形成反饋信號(hào)Uc送給控制器，形成位置反饋信號(hào)Uf;Us和Uf兩個(gè)信號(hào)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(dòng)齒輪減速傳動(dòng)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(dòng)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(hào)Us，即I/V轉(zhuǎn)換后信號(hào)為輸入，位置反饋Uf信號(hào)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(dòng)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(duì)

　　求導(dǎo)：

　　t=0，電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器的可靠性

　　電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器可靠性指標(biāo)。電動(dòng)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(dòng)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(dòng)執(zhí)行器故障特征

　　提高電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)執(zhí)行器的偶發(fā)故障一般較難預(yù)測(cè)，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(dòng)放料閥就技術(shù)層面而言，需提高電動(dòng)執(zhí)行器可靠性，應(yīng)視使用場(chǎng)合為放料閥設(shè)計(jì)閥芯座。為了適應(yīng)自動(dòng)控制需求，電動(dòng)執(zhí)行器具有眾多功能和優(yōu)良運(yùn)行特性，例如信號(hào)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(dòng)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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。