低温防爆阀门电动执行机构研究

李 巧，向学院，余 亚

（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

防爆电动执行机构是阀门驱动领域应用非常广泛的产品类型，随着该产品国产化推广，产品性能和可靠性已达到国际先进水平，打破了进口垄断局面。近些年油气长输管线在极寒领域的深入扩展，提出了低温防爆的新课题。执行机构需要在-50℃的极限低温环境中长期运行，产品既要保证基本防爆性能完好性，又要确保产品性能稳定性，这对产品的整体设计提出了新要求。本文细致分析了低温防爆电动执行机构设计要点，并按此思路设计出来的产品取得了成功应用，具备较大推广价值。

1 阀门电动执行机构

阀门电动执行机构是一种将电机的旋转运动通过一系列的减速机构转化为多回转（Multi-Turn）、部分回转（Part-Turn）或者直线运动（Linear），最终驱动阀门动作的机电一体化装置。其主要包括：电机、减速部件、手动离合部分、控制部分。

电机通常是采用220VC单相交流电机、380VAC三相交流电机或者24VDC直流电机，电机通常都具备较强的防堵转特性，启动力矩和堵转力矩可达到额定扭矩的3～5倍以上。针对开关型产品，配套阀门只需要做开阀或关阀动作，而且动作频率通常不高。因此，电机工作制通常为S2工作制，电机瞬时最大扭矩和阀门的启闭负载功率特性匹配，极大降低了设计功耗。针对调节型产品，配套阀门需要在全行程范围内随动调节，动作频率比开关型产品高，电机工作制一般匹配S1或S9，通常以电机额定扭矩来匹配阀门全压差开启扭矩，以达到频繁动作温升可控的目的。

减速部件分为齿轮箱和推力减速器。齿轮箱通常为平行轴齿轮、行星传动、阿基米德或二次包络蜗轮蜗杆传动结构[1]，齿轮箱通常呈扁平化布局，结构简单，具备相对的机械自锁功能。推力减速器通常采用梯形丝杆或行星丝杆结构，根据内部结构不同，输出零件既可以是丝杆，也可以是螺母，最终将多回转扭矩转换为往复运动的推力。

手动离合部分是满足产品可以实现手动驱动的功能，主要包含手轮和离合机构，当需要手动操作时，工人需先切换离合装置，然后手动旋转手轮驱动阀门动作。

控制部分是执行机构的大脑，包含了人机界面、CPU板、控制板、信号板、数字通讯板、位置传感器、力传感器、接线盘等，而这些装置通常采用层叠化布局设计，安装在一个防爆外壳内，实现执行机构对阀门的智能控制。

2 低温防爆电动执行机构的设计难点

目前而言，应用于普通场合的电动执行机构性能已经十分成熟，但能直接应用于低温防爆场合的产品，则基本没有。总体来说，低温环境对于防爆执行机构带来的考验主要包括产品使用性能和产品防爆性能两方面的影响[2]。

2.1 低温环境对产品使用性能的影响

2.1.1 低温对电机性能的影响

电机本身属于一种耗能的装置，其在低温环境下工作，其自身的发热会对温度起一定的补偿作用。因此，很多人认为低温环境对电机的影响较小。然而，很多事实说明，电机在低温环境下的性能与常温下是不一样的。

低温情况下，电机内部的润滑脂的黏度增大，甚至润滑脂冻结，引起电机的静态阻力矩增大，容易导致小功率或启动力矩小的电机在低温环境下无法启动。因此，低温环境电机必须对电机内部的润滑脂做低温要求。

低温情况下，对电机内部的绝缘材料易出现裂开的现象，导致电机的绝缘性能下降。因此，低温环境下使用的电机，需对电机内部使用的绝缘材料做低温抗裂性要求。

表1 电动执行机构主要材料低温性分析Table 1 Low temperature analysis of main materials of electric actuator

2.1.2 低温对减速机构强度的影响

金属材料低温拉伸试验表明，在低温情况下，材料内部原子结合得较紧密，原子间弹性变差。从宏观上看，就体现在材料吸收的外部能量的能力降低而呈现出脆性[4]，当材料受到外部冲击，容易导致脆断现象。结合电动执行机构工况特点，阀门启闭瞬间，产品输出扭矩会突然增大，产品的减速机构会出现短时冲击，内部齿轮、蜗杆、蜗轮的传动齿会受到悬臂负载冲击导致断齿，传动轴受到冲击阻力矩导致断轴，箱体受到附加的线性冲击负载导致出现裂纹。

进一步地，深入整理产品内部常用材料的低温特性，得到如下结果见表1。

材质低温性分析结论：

1）QT500-7不满足-50℃低温环境，推荐使用QT400-18AL替代[5]。

2）45#不满足-50℃低温环境，推荐使用40Cr替代。

3）青铜属于非冷脆材料，低温不脆变，可满足-50℃环境要求。

4）不锈钢304属于非冷脆材料，低温不脆变，可满足-50℃环境要求。

2.1.3 低温对控制系统的影响

低温对控制系统的影响主要体现在控制系统中电子元器件的影响。绝大多数电子元器件都有一个适用温度范围，一旦超出此范围，其性能就会降低，甚至失效。目前，一般民用级温度范围为：0℃~70℃，工业级为：-40℃~70℃，军用级为：-55℃~128℃。

电器元件的低温失效形式包含以下几个方面：①电气性能发生变化，导致使用故障；②封装材料脆化龟裂，影响性能；③支撑材料发生收缩，机械结构改变。

在温度的变化中，温度对半导体电子元器件影响应是较为显著的。目前，一个芯片内部集成了数百万甚至上千万个晶体管以及其他元器件，其内部集成元件的极小偏差就可能导致整个半导体的特性发生极大的变化。如低温下，半导体内部元件发生皲裂；温度过低，导致内部半导体在额定电压下无法开关，均能导致半导体失效，无法正常工作。

-50℃的应用，虽然军用级的电子元器件均能满足使用要求，但是相对工业级电子元器件来说，军用级器件的价格增幅是一般工业产品不易接受的。因此，针对电动执行机构在-50℃低温环境下的使用，目前主要采用工业级元器件构成的控制系统，配套加热器的方式适应极低温度环境。

2.1.4 低温对润滑性能的影响

润滑性能的失效根源于润滑油粘度的变化。由于润滑油的粘度和温度变化的指数关系，温度越低，液体的粘度增加越快。当温度降低至分子热运动十分微弱时，液体从宏观上表现出不能流动的状态，此时所有传动部件效率大幅度降低甚至出现卡死状态，不仅没有润滑性能，还将阻碍执行机构的正常运行。因此，低温对润滑的考验是特别严峻的。

2.1.5 低温对轴承性能的影响

温度会直接影响轴承疲劳寿命[6]，在低温环境中，轴承的材料、自带润滑脂，配合间隙需要满足低温使用要求。①温度降低后，轴承内外圈、保持架、滚动体之间的配合间隙会发生变化，震动和噪音会增大，轴承磨损加剧；②滚动体的润滑油脂性能下降或流失，将使轴承性能恶化，轴承寿命明显缩短；③轴承材料需满足低温要求，只能选用非冷脆性材料，防止低温受力脆裂。

2.1.6 低温对密封结构的影响

低温环境下密封材料的选择及变形率的设计十分重要。目前，电动执行机构常用的密封材料为丁晴橡胶，在-30℃以下它的弹性和压缩永久变形率会发生改变，长期低温环境中,其会发生脆化，甚至玻璃化，从而使执行机构内部密封失效发生泄漏。经过反复对比试验，在-50℃低温环境中，采用氢化丁晴橡胶具备较好的适应性。

2.2 低温环境对产品防爆性能的影响

国家防爆标准GB3836.2中明确规定，隔爆等级Exd ⅡCT4要求中，凡采用止口接合面，且隔爆容积v＞2000cm3的情况，其接合面最小宽度和最大间隙需要分别达到25mm和0.15mm，或40mm和0.20mm。由此可见在低温情况下，保证隔爆间隙不超过国家标准规定的最大间隙值，是保证产品隔爆性能的基本要求。

由于温度变化，金属零件会出现的热胀冷缩现象，其变化能力以热膨胀系数表示。热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下，长度的增加量与原长度的比值。

具体计算公式如下：

式（1）中：

L0——初始长度。

ΔT——温度变化量（对比温度为20℃）。

α——线膨胀系数。

Lt——t温度下的长度值。

基于此，组成防爆结合面的两个零件最好采用相同材质，线膨胀系数一致，使防爆结合面在低温情况下，隔爆间隙不会被放大，从而导致隔爆失效。

3 低温防爆电动执行机构的设计准则

3.1 材质的强度脆性要求

低温用钢按化学成分不同分为3类：低合金铁素体钢、中合金钢及高合金奥氏体钢。寒冷地区的工程结构材料通常采用低合金铁素体钢[3]。碳、磷、氧等杂质元素会引起冷脆性的加剧，因此低温钢冶炼必须控制杂质含量。而加入定量的硅、镍、锰等元素可以改善低温性能，它们使晶粒变细，降低临界脆性温度。此外全铁素体的球铁，也可以使用在较低温的场合。

3.2 防爆零件材质的冷缩特性要求

由于各种材料的热膨胀系数不一致，在低温时极易出现间隙变大的情况而影响防爆性能的情况。因此，具有防爆配合的两个零件必须选用同样材质，或者线膨胀系数相近的材质。

3.3 润滑密封要求

传动部件的润滑油脂必须选用低温产品，必须保证在低温环境下不能冻结。在密封环节，必须选用耐低温的橡胶材质。在低温下既不能硬度过大，失去弹性密封作用，也不能在低温下过快老化。

3.4 电气系统要求

低温对电气控制是致命的，要求所有电子元器件都能适应低温环境是不科学的设计。目前，唯一能有效及低成本解决的办法是设计与之配套的加热系统，在控制板和电机内部可以设计一个温控的风热式加热器，保证局部适合温度环境。

4 结语

低温防爆环境是对防爆电装产品严酷的考验，任何一个环节的疏漏将会导致整个产品的失效。但基于以上原则设计出来的产品，既保证了电气系统在低温下能正常运行，又满足了低温下传动系统的强度和韧性要求，极限温度时的隔爆间隙和隔爆强度仍然符合国家标准，是人类目前科学技术水平下，设计低温防爆电动执行机构最为有效的方法。