電動(dòng)放料閥工作特性研究
介紹一種由直行程電子式電動(dòng)執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(kāi)度信號功能和手動(dòng)功能。閥的開(kāi)啟和關(guān)閉速度、輸出軸的轉動(dòng)力矩,取決于電動(dòng)機的轉速、功率和傳動(dòng)機構的傳動(dòng)比。執行器由控制器、傳動(dòng)機構、開(kāi)度檢測機構、聯(lián)結機構與手動(dòng)機構組成,可實(shí)施遠程操作或就地放料。
電動(dòng)執行機構是自動(dòng)化系統中的一種執行部件，可分為直行程和角行程兩大類(lèi)。其接收控制系統或調節器送來(lái)的控制信號，改變操縱變量，按設定要求轉換成直線(xiàn)位移或角位移驅動(dòng)調節閥，從而實(shí)現過(guò)程控制或系統的自動(dòng)調節。
微機控制技術(shù)、微機械技術(shù)的應用，出現/微機+隨動(dòng)系統0結構模式的微機型電動(dòng)執行機構，由微處理器完成信號傳遞、調節規律的綜合、調節參數切換、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)執行機構，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(mǎn)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)執行器與放料閥組成，見(jiàn)圖1。以220V交流單相可逆異步電動(dòng)機(含齒輪減速)為執行器，也常采用宜于帶沖擊載荷周期性工作的電動(dòng)機，如高轉差率AOC型封閉環(huán)吹式三相異步電動(dòng)機。
智能控制器為電動(dòng)執行器設置智能比例式伺服電路，接收控制系統或調節器的DC4～20mA或DC1～5V信號，經(jīng)A/D轉換送至CPU進(jìn)行運算處理，同時(shí)CPU與來(lái)自電動(dòng)執行機構的開(kāi)度信號及上、下限位置進(jìn)行比較后驅動(dòng)電機轉動(dòng)，通過(guò)齒輪減速后推動(dòng)輸出軸作上、下位移，最終實(shí)現輸入信號對電動(dòng)執行機構輸出位移的控制。此外，電動(dòng)執行機構輸出當前的實(shí)際位置經(jīng)CPU處理及D/A轉換后，以標準的4~20mA信號輸給用戶(hù)作其他用途。放料閥按結構分為上展式和下展式，其運動(dòng)件閥桿通過(guò)鎖緊螺母聯(lián)接閥芯，閥芯貼合閥芯座呈密封狀態(tài)，保證腔內料液不泄漏。閥桿接受電動(dòng)執行器輸出軸上、下位移，使閥芯實(shí)施開(kāi)或關(guān)動(dòng)作，達到自動(dòng)放料的目的。
圖1 電動(dòng)放料閥結構圖
放料閥通常與反應釜配套使用，一般設計閥芯座兼備釜底法蘭功能，即借助釜底法蘭焊在反應釜上。
如此容易產(chǎn)生焊接變形，導致閥芯與閥芯座密封不良，甚至失效。所以放料閥設計應考慮釜底法蘭焊接變形的現實(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場(chǎng)安裝施焊所產(chǎn)生的變形。
2、電動(dòng)執行器結構
如圖2示，電動(dòng)執行器主要由智能型控制器、傳動(dòng)機構、開(kāi)度檢測機構、聯(lián)結機構和手動(dòng)機構組成，實(shí)施信號接收、轉換、運算，指令電動(dòng)機運轉，通過(guò)同步帶傳動(dòng)螺旋套轉換為輸出軸的往復運動(dòng)。與此同時(shí)，開(kāi)度檢測機構將輸出軸位移反饋給智能型控制器，組成閉環(huán)操作過(guò)程。聯(lián)結支架使執行器和放料閥聯(lián)成一體，斷電情況下可手動(dòng)。
圖2 電動(dòng)執行器
2.1、執行器傳動(dòng)機構
傳動(dòng)機構主要由動(dòng)力螺旋套與輸出軸組成。電動(dòng)機通過(guò)同步帶驅動(dòng)動(dòng)力螺旋套，套內壁加工牙根強度高、螺紋副對中性與工藝性良好的梯形螺紋。傳動(dòng)輸出軸的止轉銷(xiāo)在動(dòng)力套直線(xiàn)形銷(xiāo)槽內定位，并隨傳動(dòng)螺旋移動(dòng)。螺旋套通過(guò)滾動(dòng)軸承置于動(dòng)力套中，由此實(shí)現螺旋套的旋轉運動(dòng)轉換為輸出軸的直線(xiàn)位移，見(jiàn)圖3。
圖3 執行器傳動(dòng)機構
異步電動(dòng)機容許較大超載力矩，如高轉差率電動(dòng)機，其起動(dòng)力矩可超過(guò)公稱(chēng)力矩2.2～2.3倍。閉路閥內，最大載荷產(chǎn)生于閥門(mén)關(guān)閉的末期或開(kāi)啟初期，通常時(shí)間甚短。選用電動(dòng)機宜考慮過(guò)載系數。
2.2、執行器閥位檢測機構
輸出軸止轉銷(xiāo)聯(lián)接閥位反饋機構，將輸出軸的直線(xiàn)運動(dòng)位移(閥芯開(kāi)度)經(jīng)齒條、齒輪反饋給精密導電塑料電位器(具有齒隙補償機構)，由電位器轉換成電信號再反饋給控制器。當來(lái)自控制系統或調節器的輸入信號和閥芯的開(kāi)度信號之差為零時(shí)，電機將停止工作。執行機構位置的給定值與實(shí)際值的比較，是在微處理器的電子電路中進(jìn)行。微處理機和功能模塊可以進(jìn)行不同的組合，實(shí)現指示、報警、行程限定、分程控制等功能。
輸出軸限位置控制由凸輪執行，見(jiàn)圖4。當狀態(tài)開(kāi)關(guān)設定/正動(dòng)作狀態(tài)0時(shí)，將輸入信號緩慢減小至3.7～3.95mA，調整并緊固限位凸輪，使限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出軸停止向上運動(dòng);當狀態(tài)開(kāi)關(guān)設定/反動(dòng)作狀態(tài)0時(shí)，將輸入信號緩慢增大至20.2～20.5mA，調整并緊固限位凸輪，使限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出軸停止向上運動(dòng)，從而實(shí)現輸出軸上升位置的限位。
圖4 限位控制
同樣，改變輸入信號，確認閥桿不動(dòng)時(shí)，繼續增大或減小輸入信號，使輸出軸內彈簧壓縮。當輸出軸下降約1mm，調整凸輪，限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出軸停止向下運動(dòng)。即設定1mm，執行器達到額定輸出力。由此實(shí)現輸出軸下降位置的限位。
2.3、執行器聯(lián)結機構
圖5 輸出軸和閥桿連接
通過(guò)支架將執行器和放料閥聯(lián)接，并由開(kāi)合螺母將執行器輸出軸和閥桿聯(lián)接，開(kāi)合螺母帶指針，支架設標尺，可指示輸出軸或閥桿位移。如圖5所示。
3、電動(dòng)執行器傳遞函數
由控制系統或調節器給出的DC4～20mA電流信號Is，借助I/V轉換為電壓信號Us;齒輪減速輸出的直線(xiàn)位移信號X經(jīng)位置檢測機構形成反饋信號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(guò)一個(gè)繼電型非線(xiàn)性環(huán)節控制電機運轉，電機驅動(dòng)齒輪減速傳動(dòng)機構產(chǎn)生相應位移。因I/V轉換相當于一個(gè)比例環(huán)節，較容易計算，可以不考慮。所以電動(dòng)執行機構允許簡(jiǎn)化為繼電環(huán)節和傳遞函數兩部分組成的閉環(huán)控制系統。該閉環(huán)控制系統以電壓信號Us，即I/V轉換后信號為輸入，位置反饋Uf信號為輸出。其中傳遞函數由電機、減速機構和位置反饋機構組成。
3.1、傳遞函數的形式
從分析電動(dòng)執行器的各個(gè)組成部分出發(fā)，最終導出以供電壓為輸入、反饋電壓為輸出的時(shí)域模型
和開(kāi)環(huán)傳遞函數
3.2、開(kāi)環(huán)傳遞函數的參數
系二階常微分方程，它的解為：
式中：
(c1、c2為待定常數)。二階常微分方程的解的圖形可用傳遞函數仿真圖表示。分析方程的解，當時(shí)間t很大時(shí)， 
項很小，可以忽略。所以時(shí)間t較大時(shí)，uf近似一條直線(xiàn)，在uf上取兩點(diǎn)作直線(xiàn)，可求出R、B的值。
對
求導：
t=0，電動(dòng)機角速度
所以
綜上所述，可得
由此便捷求出執行機構的傳遞函數。
4、電動(dòng)執行器的可靠性
電動(dòng)執行器的可靠性指在規定的條件下、規定的時(shí)間內完成規定功能的能力。壽命期內可靠性規律是研究基礎，取決于早期失效、隨機失效與耗損失效。常用可靠度R表征完成規定功能概率，實(shí)際使用時(shí)以平均無(wú)故障時(shí)間
表征，并作為電動(dòng)執行器可靠性指標。電動(dòng)執行器可靠性一般受下列因素制約：系統的選擇與設計，元件/器件適用性，動(dòng)作參數，機械構造，制造技術(shù)，裝配精度，運行維護水準及備品性能等。
4.1、電動(dòng)執行器故障特征
提高電動(dòng)執行器可靠性，應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、系統元件/器件綜合因素以及電氣或過(guò)程控制因素等。
調試階段故障。新電動(dòng)執行器的故障較為復雜，其特征是設計、制造、安裝及管理等交織在一起，出現動(dòng)作不平穩、定位精度達不到要求等故障。
運行初、中期故障。常見(jiàn)限位開(kāi)關(guān)易失靈等。一般進(jìn)入運行中期，系統元/器件處于上佳運行狀態(tài)，故障率較低。
運行后期故障，各元/器件工作頻率和負載出現差異，易損件先后磨損，出現閥位反饋接觸不良、定位精度差、穩定性下降。效率明顯降低，故障率逐漸增大。至此應予以全面維修。
電動(dòng)執行器的偶發(fā)故障一般較難預測，定期檢查、掌握某階段維護資料和履歷數據，有利于故障判斷。
5、結束語(yǔ)
電動(dòng)放料閥就技術(shù)層面而言，需提高電動(dòng)執行器可靠性，應視使用場(chǎng)合為放料閥設計閥芯座。為了適應自動(dòng)控制需求，電動(dòng)執行器具有眾多功能和優(yōu)良運行特性，例如信號處理、力矩控制、行程調整等，增大系統結構的復雜性。為了保證這些功能與運行特性在使用時(shí)實(shí)現，導致可靠性問(wèn)題更加突出。
自動(dòng)控制系統中，電動(dòng)執行器是實(shí)現自動(dòng)控制的執行器件，如果選擇不當或質(zhì)量不過(guò)關(guān)，即使有完美的控制思路、高超的控制策略也難以達到預期的控制效果。其可靠性受各種復雜未知因素的影響與制約，表現形式亦多種多樣。因此電動(dòng)執行器的故障診斷、預防措施、糾錯技術(shù)應更完善、達到故障定位更準確、維修更容易、操作調整更簡(jiǎn)便之目的。
