一种核级电动执行机构的力矩保护装置

朱 瑄，陈 根，陈宝龙

（重庆川仪自动化股份有限公司 执行器分公司，重庆 401121）

0 引言

核级电动执行机构是核电站重要的电气设备，主要用于控制核电站阀门。整个“十三五”期间，我国核电行业经历了3年“零核准”，于2019年迎来重启，新项目陆续核准、开工，后续项目开启“排队”模式。随着国家对节能减排的迫切要求，特别是近期提出的“碳达峰，碳中和”的要求，核电作为清洁能源之一，自然成为国家电力重点发展的方向。为保障能源供应安全，优化电源结构，未来几年核电建设规模还将继续扩大。面对如此大的发展机遇，国内的核级电动执行机构制造水平与科技发达国家还有较大差距，主要体现在设备稳定性和对核电厂复杂环境的适应性上。我国目前在役核电站中，除秦山一期、二期中使用部分国产电动执行机构外，其它核岛和常规岛部分所用电动执行机构几乎全部进口[1]，主要原因是国内执行机构供货批量小，国内配套能力不够。目前，核级阀门及执行机构产品可靠性数据较少，自动控制水平低，产品质量不稳定[2]，导致核电厂应用很少。因此，制造具有高性能和高稳定性的核级电动执行机构，打破国外对这一领域的垄断具有重要战略意义。

核电作为一种高效的清洁能源，因其特殊的使用环境，核级设备的安全性需要重点关注，并且核级设备在抗辐照和抗地震方面都有要求。因此，传统的智能型电动执行机构在安全壳内及一些重要工位并不适用，此时要满足核级电动执行机构对行程和力矩控制的要求，就必须设计一套机械式控制机构。不同于传统智能型电动执行机构的力矩控制机构采用电气与软件相结合的方式实现对力矩的检测及相应动作，多数核级电动执行机构力矩保护装置都是在蜗杆上安装碟簧组，利用不同力矩下为抵消该力矩使用碟簧组形成不同压缩量形成线性直线位置输出，利用转换装置将直线位移量转换成转动量。当输出超限时，触碰微动开关以达到停机功能[3]，因此转换装置的精度直接影响力矩保护装置精度和效果。本文也同样采用了这一基本原理，设计了一种新型核级电动执行机构的力矩保护装置，运用凸轮机构原理，创造出一种在直线上将微小线性位移量变为与之相对应的转动量的装置，力求在保证运行可靠性的同时，提升力矩采集精度。

1 执行机构原理及参数

N系列核级电动执行机构是为了满足核电站需求设计的多回转式阀门驱动装置。该执行机构设计严格按照三代核电设计要求，并依据相关设计标准[4]，采用机械式力矩及行程控制技术，形成力矩范围30 N.m～3000 N.m，转速范围24 rmp～120 rmp输出的产品，适用于核电厂1E级K3类安全等级的场所。以N90为例，其额定力矩900 N.m，额定转速60 r/min。为实现其高可靠性及稳定性，N90电动执行机构在设计上采用经典的一级蜗轮蜗杆传动的模式[5]，如图1。采用电机→蜗杆蜗轮→离合→空心轴的传动方式，为保证电动执行机构强度，在结构设计过程中对受力零件采用理论计算与NX软件仿真的方式进行受力分析。此传动模式的特点是：体积小，承载能力高，传递功率大，易于布置，能实现手电动自动切换等。电动执行机构可以增加不同类型二级减速箱，实现多回转、部分回转、推力型等输出方式，实现对闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、切断阀等多种阀门进行电动控制，对核电厂的各种阀门具有广泛的适用性。此外，力矩保护装置的设计与验证作为本次电动执行机构开发项目的重点及难点，在对比多种设计方案和理论论证后，N90核级电动执行机构力矩保护装置采用一种创新的凸轮传动方式，可实现与蜗杆同轴连接的基础上，实时精准地采集力矩数据，保证布局合理性的同时，也能提供较为方便的调节方式和调节位置。下文通过对该装置结构、参数理论分析和样机实际测试结合的方式论证其可靠性和实用性。

图1 电动执行机构传动原理简图Fig.1 Schematic diagram of the transmission principle of the electric actuator

2 力矩保护装置结构分析

N90力矩保护装置结构简图如图2。其工作原理为：蜗杆1承受蜗轮在电动执行机构负载作用下形成反作用力，选用能承受蜗杆额定轴向力的减震行程碟簧组2吸收该力，并将设定好预压力的碟簧组一端固定在蜗杆上，另一端固定在箱体上。碟簧组与蜗杆通过轴承和锁紧螺母连接，在保证连接刚度的同时蜗杆也可自由转动，此时在负载作用下蜗杆产生的拉（压）力使碟簧组形成一个压缩量来保证执行机构稳定运行。此压缩量大小与负载大小存在对应关系，根据输出正反方向不同，该压缩量可呈现两个方向的压缩变化，此时蜗杆整体也对应产生了与碟簧组压缩量相同的位移量，通过凸轮转换机构3将碟簧组产生的直线位移量变为转动量输出，输出轴上固定有预先设定好力矩保护位置的凸轮，当力矩超限时，超限转动量使凸轮触碰微动开关组件并停转电机[6]。该力矩保护机构将蜗杆、碟簧组、输出凸轮做成一个组件后，直接安装在电动执行机构箱体上，其体积小巧，安装方便的同时也有利于批量化生产。

图2 力矩保护装置结构简图Fig.2 Structure diagram of torque protection device

该力矩保护装置达到预期效果的难点在于凸轮转换机构如何将碟簧组位移量变为转动量，并且要求实时、准确、一致性好。通过图3凸轮转换机构设计一个带有对称螺旋滑槽的转轴作为角度输出轴，转轴和碟簧组连接轴用与对称螺旋滑槽宽度一致的圆柱销连接，此时碟簧组连接轴直线位移可通过圆柱销推动旋转输出轴转动，形成对应转动角度，并将圆柱销两端卡入一个带对称通槽的装置中。该装置固定在箱体上，以达到对碟簧组连接轴防转的目的。此装置实现了同一轴线上变直线位移为旋转运动的传动方式，通过控制对称滑槽精度可以最大限度降低回差影响，通过适当加大螺旋滑槽螺距能得到较大的旋转量。该力矩保护装置能准确输出不同力矩下的旋转角度，对该角度进行量化即可实现不同力矩下切断执行机构电源的功能，符合核电执行机构机械式力矩保护的要求[7]。

图3 凸轮转换机构结构简图Fig.3 Structure diagram of cam conversion mechanism

3 参数分析与测试效果

3.1 蜗轮蜗杆基本参数

根据N90电动执行机构额定参数和蜗轮蜗杆传动受力分析计算公式，可得以下基本参数：

电动执行机构输出额定力矩T=900N•m=900000N•mm，此扭矩直接作用于蜗轮上。

蜗轮分度圆d=140mm。

计算额定力矩下蜗杆轴向拉（压）力：

表1 理论参数计算表Table 1 Theoretical parameter calculation table

3.2 理论参数计算

根据蜗杆额定力矩下轴向拉（压）力选择符合要求的碟簧组，规格：60mm×30.5mm×3mm×4.7mm，每组6片，其允许负荷13226N，大于蜗杆额定力矩下的轴向拉（压）力。

设计对称螺旋滑槽螺距：20mm。

按照执行机构额定力矩900 N.m，最小保护力矩为额定力矩30%开始计算转动量，将需要测算的输出力矩以10%一档的梯度计算各个力矩下碟簧组理论变形量及输出轴理论转动量：

理论计算结果显示，N90电动执行机构力矩保护装置在270N.m～900N.m输出力矩下理论转动角度由0°增加到99°（此处以270N.m输出扭矩作为角度采集数据起点），角度变化范围较广，结合碟簧压缩变形特性，此增量接近线性。这样就有利于在不同负载下力矩保护装置输出位置差异较大的信号，理论上可以实现额定力矩范围内任意力矩值输出位置准确的转动角度，即可在任意力矩值实现电动执行机构的电源切断。

3.3 测试结果

将N90电动执行机构装在最大测量力矩2000N.m的磁粉力矩测试设备上，如图4。通过对力矩测试设备施加定值负载，使电动执行机构负载分别达到上述输出力矩，此时N90电动执行机构能稳定运行并且力矩保护装置形成一定对应角度的输出量，记录下力矩保护装置转动角度，进而得到实际开关方向上力矩保护装置的转动角度。为保证数据准确性和一致性，排除突变影响，开关方向分3次测量，取平均值。

图4 执行机构角度测试Fig.4 Actuator angle test

对测试得到的转角数据进行收集整理，结合理论计算中各个负载力矩下的转角值，形成对比折线图如图5。

图5 测试结果与理论数据对比图Fig.5 Comparison of test results and theoretical data

测试结果显示，这种力矩保护装置能实现正反方向不同负载下输出转动角度的功能，实际转动角度略小于理论值，但其变化规律接近线性，与理论变化规律一致，并且可在30%～100%额定力矩下转动角度由0°变化到90°，满足核级电动执行机构对力矩保护重复偏差≤7%的要求。通过对电动执行机构样机测试，达到预期的力矩保护装置的基本要求，并且可实现大范围转动角度输出，能较好保证产品可调性和调节精度。

3.4 设计完善

在得到测试数据并与理论数据对比后，判断此种力矩保护装置能提供稳定准确的力矩采集数据，此时添加微动开关组件和切断凸轮组件，组成可进行信号测试的整机，如图6。

图6 N90力矩保护装置实物图Fig.6 Physical drawing of N90 torque protection device

切断力矩和切断凸轮调节方式为：在开向上通过力矩测试设备加载到需要切断的力矩值，此时力矩保护装置输出轴会根据负载不同转动到对应位置。在力矩保护装置稳定后，将开向凸轮拨到刚好触碰到开向微动开关作用点位置，再锁紧固定螺母，即可完成开方向的切断力矩调试，关方向用同样的方式在关向运行时进行调试，此时需要注意的是切断力矩通常在出厂时就按要求设定为公称值，考虑到力矩保护装置对核电厂阀门使用安全的重要性，一般该力矩不可进行调整和重设。

4 结语及建议

通过理论计算与试验相结合的方式，对N90核级电动执行机构力矩保护装置的功能进行了充分的论证。本文对这种可应用于核电站阀门控制的新型的力矩保护装置的研究，得到如下结果：

1）因核电站对抗辐照和抗地震环境的要求，采用机械式的力矩和行程保护装置可实现在上述环境的安全应用。

2）本文研究的力矩保护装置经过理论分析和试验可实现力矩保护功能，是一种具有良好调节精度和调节方式的机械式力矩保护装置，今后不仅可以在核级电动执行机构的设计中应用，也可推广到适用于普通开关型的电动执行机构设计中。

3）用理论计算与样机试验结合的方法进行电动执行机构的设计，有利于新结构的快速成熟应用，能有效加快研发进度。