摘要：智能型電動執(zhí)行機構(gòu)作為過程控制中的終端執(zhí)行單元，除了其智能化功能外，可靠性更是客戶的重要需求。S系列電動執(zhí)行機構(gòu)在設(shè)計開發(fā)階段，對關(guān)鍵零部件和技術(shù)的可靠性進行了充分的分析論證，并在產(chǎn)品量產(chǎn)前進行了大量的測試驗證，確保交付給客戶的產(chǎn)品性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定。

電動執(zhí)行機構(gòu)是自動控制領(lǐng)域常用的機電一體化設(shè)備，廣泛應(yīng)用于火電、石化、冶金、市政等領(lǐng)域。電動執(zhí)行機構(gòu)接受標準控制信號，輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)角或者直線位移，從而對閥門進行控制和調(diào)節(jié)，達到對被調(diào)參數(shù)進行調(diào)節(jié)的目的，如：溫度、壓力、流量、液位等，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進行，是過程自動控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行設(shè)備。

電動執(zhí)行機構(gòu)一般都安裝在環(huán)境相對比較惡劣的位置，有時與閥門一起安裝在半空，損壞時維修非常困難。電動執(zhí)行機構(gòu)一旦出現(xiàn)故障，輕則導(dǎo)致管路無法調(diào)節(jié)，影響生產(chǎn)的正常進行，重則引起閥門損壞甚至生產(chǎn)事故。因此電動執(zhí)行機構(gòu)的可靠性顯得尤為重要，而產(chǎn)品開發(fā)階段的可靠性設(shè)計是產(chǎn)品穩(wěn)定可靠的重要前提，量產(chǎn)前的大量測試更是對產(chǎn)品可靠性的驗證和重要保證。

下面以科遠S系列多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)為例，以其關(guān)鍵組成部分及技術(shù)為出發(fā)點，對其可靠性設(shè)計及驗證進行論述。

智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵零部件及技術(shù)

電動執(zhí)行機構(gòu)主要由電機及其正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、減速傳動系統(tǒng)、手/電動切換系統(tǒng)、閥位檢測反饋系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。電動執(zhí)行機構(gòu)的電機輸出運動與動力，通過減速傳動系統(tǒng)將動力傳至輸出軸，輸出轉(zhuǎn)矩或者直線位移，帶動閥門動作。閥位檢測反饋系統(tǒng)實時檢測閥位，并將數(shù)據(jù)傳送至電氣控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)根據(jù)接收的控制信號通過正反轉(zhuǎn)模塊控制電機的正反轉(zhuǎn)，使執(zhí)行機構(gòu)運行到位置。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者斷電的緊急情況下，可以通過手動系統(tǒng)將執(zhí)行機構(gòu)運行到所需位置，避免造成進一步的危害。

其中，減速傳動系統(tǒng)涉及到蝸輪蝸桿傳動技術(shù)，其可靠性及壽命直接決定了執(zhí)行機構(gòu)在機械方面的壽命。閥位檢測反饋系統(tǒng)中大小錐的有效嚙合和光電編碼器的正常運行是技術(shù)難點。手電動切換系統(tǒng)除了保證電動狀態(tài)正常切換到手動狀態(tài)外，保證手動操作者的安全也非常重要。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)頻繁調(diào)節(jié)時，電機正反轉(zhuǎn)模塊需要良好的散熱性。在執(zhí)行機構(gòu)的故障點中，由上述技術(shù)點出問題而造成的故障占80%左右。因此，從這些技術(shù)點出發(fā)，進行可靠性設(shè)計及驗證是確保執(zhí)行機構(gòu)性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。

執(zhí)行機構(gòu)的可靠性設(shè)計及驗證

l  減速傳動系統(tǒng)

在S系列多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計過程中，對蝸輪蝸桿傳動的溫升、振動、疲勞斷裂等方面進行了研究(核心期刊《機械傳動》發(fā)表論文3篇^【1-3】，申請1項^【1】)。所有規(guī)格的蝸輪均采用了耐磨性能良好的鋁青銅，蝸桿也進行了調(diào)質(zhì)及淬火處理。在測試驗證過程中發(fā)現(xiàn)，SY018-B(110N.m)、SY025-B(450N.m)、SY040-B(1200N.m)規(guī)格產(chǎn)品的蝸輪蝸桿壽命均超過了國家電力行業(yè)標準《電站閥門電動執(zhí)行機構(gòu)》規(guī)定壽命的5倍以上(調(diào)節(jié)次數(shù)大于100萬次)，達到了國內(nèi)的水平。但SY035-B(610N.m)規(guī)格產(chǎn)品的壽命是20多萬次，雖然達到了國標要求，但是與其他規(guī)格產(chǎn)品相比，還有不少差距。

分析發(fā)現(xiàn)，由于蝸桿剛度不足，傳動中振動較大等原因造成了SY035-B(610N.m)的壽命相對較短。于是根據(jù)現(xiàn)有其他規(guī)格產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)，在不調(diào)整現(xiàn)有箱體及中心距的情況下，對蝸輪蝸桿參數(shù)重新進行了設(shè)計計算，其蝸桿橫向受力及剛度的計算過程如下：

由蝸桿受力計算公式可以得到：

根據(jù)剛度條件：

`

蝸桿危險界面的慣性矩：

其中：

則蝸桿撓度與許用撓度的比值為：；

雖然i>1，但是目前文獻中關(guān)于蝸桿剛度計算的公式中均未引入壽命參數(shù)，而且電動執(zhí)行機構(gòu)中蝸輪蝸桿的使用工況與常規(guī)產(chǎn)品不同，為了確保改進設(shè)計后蝸桿壽命合格，對其余規(guī)格產(chǎn)品的蝸桿參數(shù)進行了統(tǒng)計比較，發(fā)現(xiàn)i均大于1.624；同時也發(fā)現(xiàn)改進前的蝸桿i=7.845，與其余規(guī)格相比大得多。

蝸輪的齒根彎曲強度和齒面接觸疲勞強度經(jīng)校核后，均符合要求。根據(jù)計算結(jié)果，將蝸輪蝸桿的模數(shù)由原來的2.2mm調(diào)整至2.1mm，其余參數(shù)及其他零件未變，經(jīng)壽命測試驗證，改進后的蝸輪蝸桿壽命提高到5倍，使執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)次數(shù)達到110萬次，超過了國家標準規(guī)定的5倍以上，從而使執(zhí)行機構(gòu)的可靠性及壽命大大提高。

l  閥位檢測反饋系統(tǒng)

閥位檢測反饋系統(tǒng)主要包含了大小錐齒輪傳動和光電編碼器，是通過二者結(jié)合將執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)動圈數(shù)（即閥門位置）反饋至電氣控制系統(tǒng)。

ü  錐齒輪傳動的可靠性設(shè)計

大小錐傳動的兩個齒輪呈90°交錯安裝，滿足了改變傳動方向的需求。但是由于結(jié)構(gòu)限制，大小錐又不能*固定，如果大小錐嚙合太多，則會導(dǎo)致卡死，無法正常傳動；如果嚙合太少，會導(dǎo)致跳齒或者脫齒，閥位無法檢測，執(zhí)行機構(gòu)停止運行或者閥位過沖，嚴重時會損壞閥門，因此大小錐齒輪安裝距的可靠性設(shè)計尤為重要。其中SY018-B（110N.m）規(guī)格產(chǎn)品由于大小錐結(jié)構(gòu)尺寸小，理論嚙合高度只有1.52mm，對裝配設(shè)計的誤差要求高，在產(chǎn)品研發(fā)測試階段出現(xiàn)了個別傳動脫開現(xiàn)象。針對此隱患，設(shè)計分析后發(fā)現(xiàn)由于深溝球軸承存在一定的軸向游隙（一般設(shè)計中是不考慮的），開閥時，由于蝸輪軸受到向上的力，會帶動大錐一起向上移動，導(dǎo)致大小錐嚙合高度變小而脫開，因此在大小錐的嚙合尺寸鏈計算中需要考慮軸承軸向游隙的影響。其嚙合尺寸鏈的計算過程如下，將大錐的安裝距作為封閉環(huán)（軸承考慮軸向游隙后，軸向?qū)挾葹?span lang="EN-US">:

A=138-11.3-12-108+83.6+9.5-1.5-79=19.3,

上偏差:ES=0.1-(-0.1)-(-0.25)-(-0.15)+0.2+0.2-(-0.15)-(-0.05)=1.2,

下偏差:ES=0-(-0.05)-(-0.1)-(-0.05)+0.1+0.1-0.05-0.05=0.4,

則

即大錐齒輪裝配后的實際安裝距是19.7～20.5mm,此時大小錐齒輪的兩個極限嚙合齒高為0.42mm～1.26mm，如果沖擊過大或者制造誤差較大，則有脫開隱患。根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮既不能卡死、也不能脫開，將大錐齒的實際安裝距向小錐齒輪方向調(diào)整了0.3mm，經(jīng)過近500臺的實際測試驗證，沒有出現(xiàn)大小錐卡死或者脫開的情況，保證了產(chǎn)品的可靠性。

ü  光電編碼器的可靠性設(shè)計及驗證

光電編碼器是集機、光、電、材料等技術(shù)于一體的復(fù)雜零部件，采用16位光電格雷碼。相比其它編碼器或者閥位采集方式，不但精度高，而且在執(zhí)行機構(gòu)掉電情況下運行，依舊可以正確記錄碼值，閥位不丟失。光電編碼器的箱體及計數(shù)齒輪由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般都采用注塑件，在高溫環(huán)境中難免會產(chǎn)生熱脹冷縮，引起計數(shù)齒輪卡死或者計數(shù)通光孔偏離位置，導(dǎo)致編碼器無法正常采集碼值。此外由于發(fā)光二極管的光強會隨著時間衰減，如果物料選型不合格或者電氣參數(shù)選擇不合理，將會導(dǎo)致光電編碼器碼值采集出錯。正是因為光電編碼器技術(shù)復(fù)雜、高溫環(huán)境中使用的易出錯、成本高等特點，很多執(zhí)行機構(gòu)廠家不得退而求其次，采用不能在掉電情況下記錄閥位的增量式編碼器。而一些使用了光電編碼器的執(zhí)行機構(gòu)，也常常由于此零部件的原因?qū)е聢?zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障。

科遠股份的光電編碼器在研發(fā)階段也曾受此類故障困擾，后從產(chǎn)品可靠性和本著對客戶負責(zé)的態(tài)度出發(fā)，下決心對注塑件的抗變形技術(shù)及采集電路進行研究（申請發(fā)明1項^【2】、軟件著作權(quán)2項^【3-4】），從設(shè)計的源頭上保證科遠光電編碼器的性能穩(wěn)定可靠，注塑件采用特殊材料并對零件進行抗變形處理，并選用高品質(zhì)發(fā)光二極管，解決了此難題。

為了驗證改進后產(chǎn)品的可靠性，制作了溫度可達130℃的高溫老化箱及光電編碼器老化工裝，見下圖?？紤]到執(zhí)行機構(gòu)在使用現(xiàn)場任意位置安裝，光電編碼器老化工裝設(shè)計為可以滿足光電編碼器側(cè)裝（輸入齒輪在上）、側(cè)裝（輸入齒輪在上）、正裝、倒裝四種測試工位，高溫電機通過變頻調(diào)速后帶動光電編碼器依照設(shè)置速度運行，在控制界面可以實時監(jiān)控每臺被測光電編碼器的碼值跳變情況，并帶有停轉(zhuǎn)報警及碼值跳變報警功能。測試驗證時，將200臺光電編碼器安裝在老化工裝的四種工位上，置于高溫老化箱中，分別在20℃常溫、85℃高溫下，模擬光電編碼器在執(zhí)行機構(gòu)上的實際壽命進行長期性能測試。驗證結(jié)果表明：在高低溫環(huán)境中，每個安裝工位上的編碼器在均能在設(shè)計壽命期內(nèi)正常運行，無機械卡死或者碼值跳變，驗證了產(chǎn)品的可靠性。

       高溫老化箱       光電編碼器老化工裝

l  手電動切換系統(tǒng)可靠性設(shè)計