超大口径高压阀门智能型电动执行器的研发

曹永明，解小明，汪玉海

（1.特福隆（上海）科技有限公司，上海 201306；2.欧维克集团有限公司，浙江温州 325105）

0 引言

从仿制有触点的执行器开始，我国电动执行器经过30 多年发展，多数产品已经实现了智能化，技术相对成熟，国内不少厂家具备一定规模的生产能力和研发能力。但国内产品主要应用于市政、电力、冶金等普通场所，在核电的核岛、火电厂的关键阀门以及长输油气管道的大多数阀门电动执行器还是依赖进口。特别是在超大口径高压力的长输管道干线阀门上，由于其大扭矩、快开关速度的特性要求，及使用环境和高可靠性的要求，目前基本上使用进口产品，国内市场被欧洲、美国等流体巨头的执行器产品垄断。未来几年将是我国油气管道建设的高峰期，作为长输油气管道的关键设备——电动执行器，必将得到大量运用[1-3]。

1 产品结构

智能电动执行器主要由电机、传动机构、力矩传感器、阀位传感器、电气控制单元控、手轮操作机构、手/电切换机构、接线盒及联轴器等组成（图1）[4]。

图1 电动执行器基本结构

1.1 力矩传感器

力矩传感器能够可靠和精确地测量全行程每一点的作用力，是对阀门和执行器提供保护的基础。在驱动力矩作用下，通过安装在传感器内的压敏电阻将蜗杆轴向推力的反作用力转换成电信号，最终测量到精确的驱动力矩，且不受电机频率、电压和温度变化的影响。如在运行时力矩达到设定值，电机将被断开，力矩开关可在额定力矩40%～100%范围内设定。另外，开阀的力矩开关可设定为“加强”，使电机产生的力矩超过额定力矩的1.4 倍，以操作“粘住”的阀门。

1.2 电机

采用F 级绝缘鼠笼式的三相异步电机，该电机具有高转矩、低惯性的特性，符合阀门用电机的要求。在电机线圈内装有两个热动开关，直接感受电机线圈的温度。如果电机线圈过热，可将执行器的控制电路断开。而在ESD 紧急保护期间，温度保护器可被超越。

1.3 接线盒

执行器上其他电气设备的电缆和外部供电均接至接线盒，接线盒采用双密封设计，确保内部元件受到保护。防水接线端子模块将内部电缆与接线端子箱隔离。

1.4 联轴器

联轴器由联轴套和连接法兰等零件组成，执行器扭矩的输出通过与输出轴相连的联轴器来实现，法兰接口按标准设计。

1.5 手轮操作机构

手轮操作机构可在电源中断时手动操作阀门，紧急情况时在电动操作期间按下并按住手柄，可使电动驱动紧急脱开。手轮操作机构具有锤击作用，可以省力，尤其在阀门卡死时能够通过锤击作用较快地打开阀门。对于大力矩的阀门，执行器可以选用行星齿轮机构或蜗轮蜗杆机构手轮，以降低操作力。

1.6 阀位传感器

阀位传感器采用先进的24 位光电绝对编码器，指示和反馈阀门全开位置、阀门全关位置。该编码器用光电编码盘记录阀位，无需备用电池，在断电时仍可准确记录阀位。

1.7 电气控制单元

电气控制单元由电源分配电路、比较电路、逻辑及保护电路、放大电路等组件构成。能够接收远方信号：4～20 mA 模拟量输入，无源干接点开关量输入。能向远方提供双向行程接点、双向转矩接点及电源丢失、齿轮卡涩等故障信号（无源接点）。对于调节型执行器，可提供4～20 mA 位置反馈信号。失信号时，可根据用户要求组态选择停在原位或驱动阀门至全开，并具有供报警用的输出接点。

1.8 手/电动切换机构

当压下手动/电动切换机构手柄使其处于手动位置，转动手轮使离合器挂上，此时松开手柄，手柄将自动回到原位，手轮将保持驱动，直到执行器被电动操作，手轮会自行脱开回到电动模式。如果需要，可用挂锁将离合器锁定。

1.9 传动机构

采用蜗轮蜗杆作为主传动，蜗杆与电机转子做成一体，蜗轮与输出轴通过离合器连接，其中电机轴与蜗杆可以快速组装更换。蜗轮、蜗杆采用浸油润滑，可以更好的适应环境温差变化。

2 工作原理

2.1 机械部分

当电动操作时，在电气控制单元的作用下控制电机转动，通过蜗杆和蜗轮传动，使输出轴产生相应大小的扭矩，以带动阀门动作。

当手动操作时，在手/电动切换机构作用下控制蜗轮与手轮之间的离合。当压下手柄时，蜗轮与手轮通过离合器连接，通过手轮可以操作执行器，此时松开手柄，手柄将自动回到原位，手轮将保持驱动，直到执行器被电动操作，手轮会自行脱开回到电动模式。

2.2 电气部分

电动执行器电气原理如图2 所示，由控制主板、电机、阀位传感器、压力传感器和绝对编码器等组成一个带反馈的控制系统。执行器接收到控制指令后，驱动电机正转或反转，实现阀门的开关。

图2 电动执行器电气原理

3 技术参数

输出力矩：320 000 N·m（56″900LB 球阀开启力矩为209 376 N·m）；开关时间：231 s；控制信号：开关控制；全行程精度：≤0.5%；扭矩控制精度：≤5%；温度范围：-46～70 ℃；防护等级：IP66/IP68；防爆等级：Ex dbⅡC T4 Gb；电压：380 V±10%，允计短时间压降-15%；频率：50 Hz±5%；SIL2 安全完整性等级认证。

4 关键技术研究

4.1 传动效率

执行器传动机构采用蜗轮蜗杆作为主要传动型式，其传动效率在整个执行器的效率中起着主导作用。为提高蜗轮、蜗杆的传动效率，蜗杆采用齿面淬硬并经磨削的合金钢蜗杆与铸造铝青铜蜗轮啮合，同时经过专有啮合检测修正技术，并对一级传动采用浸油润滑，机械传动效率达到32%。

4.2 控制系统可靠性

（1）电子部分采用高可靠性32 位ARM 处理器。在电路中加入多级抗浪涌装置，使其更好适应工业电源的复杂环境。按IEC标准对电路进行规范化设计，将系统失效概率降到最低。输入输出数字接口和模拟量接口电路使用光电和磁电隔离技术，大大降低外界干扰对产品的影响。

（2）采用国际先进的设计软件进行电子电路设计，对电子电路进行仿真模拟。PCB 板设计完成后通过EMC 验证，并根据分析结果迭代优化PCB 板。软件设计遵循MISRA—C2004 设计标准，减小软件系统失效的概率。采用鲁棒性设计方法，提升软件的可靠性。通过黑盒、白盒测试方法对软件逻辑进行完善。

（3）线路板的生产采用国际先进的高速贴片机，波峰焊、回流焊技术，保证元器件焊接的可靠性。引进先进的AOI（自动光学检测）设备，通过电脑自动检查电路板的焊接效果，使成品电路板虚焊、漏焊、错焊的概率降到最低。成品电路板在测试完成后均需经过70 ℃，24 h 的热老化处理来考验电子元器件的稳定性。

4.3 控制精度

阀位传感器采用先进的24 位光电绝对编码器提升定位精度。控制芯片采用高速CPU，以缩短信号处理时间。控制电路采用新型电力电子器件替代传统的电磁继电器，提升响应速度。

4.4 大力矩减速箱

配套设计了系列化的齿轮减速箱，可以组成多种传动比、转速、力矩的配置，满足各种不同种类和规格的阀门选取合适的电动执行器型号，确保力矩不能太大对阀门造成损害，同时兼顾全行程启闭时间满足阀门的控制要求，执行器和大传动比的减速箱配套组合，可以对执行器输出力矩进行放大，其结合力矩输出可达到320 000 N·m。

5 结语

超大口径高压阀门智能型电动执行器是当今全球超大口径高压长输管线全焊接球阀和站场球阀使用的重要驱动机构。设计的电动执行器是中石油重大科技专项“油气管道关键设备国产化”关键设备之一，是流程工业大量应用的一种机电一体化产品，自动化程度高，安全性好，具有自主知识产权，产品具有输出力矩大、可靠性高、测量控制技术先进、保护功能完善等优势，填补了国内空白。该产品已大量应用多个国家重点工程，如西气东输中靖线工程、陕京四线输气管道工程、庆三庆四、中俄原油、胜利油田原油库，和我国目前为止口径最大、压力最高、输气量最大的中俄东线管道项目，运行稳定，有力保障了重大工程建设。