【文章內(nèi)容簡介】 同的減速裝置 ,既造成了電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中人力和物力的浪費(fèi) ,又不方便現(xiàn)場操縱安裝。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展 ,改變頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速成為可能。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有可以調(diào)節(jié)的特性 ,因此設(shè)計(jì)閥門電動(dòng)裝置時(shí)可去掉某些減速部件。直接通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)部件之間的樹狀結(jié)構(gòu)是一條產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的有效途徑。 總之，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)閥門智能控制器也經(jīng)歷了模擬電子技術(shù)和 數(shù)字電子技術(shù)兩個(gè)時(shí)代，出現(xiàn)了新一代智能電動(dòng)閥門，由最初的協(xié)助工人工作，到現(xiàn)在日趨普及的無人操作。它不僅克服了傳統(tǒng)電動(dòng)閥門的不足，而且還增加了許多新功能，拓展了使用領(lǐng)域，改善了性能指標(biāo)，而且成本增加不多，可以大量更新現(xiàn)有的裝置。尤其是隨著單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電動(dòng)閥門智能控制器的研制和使用成為了現(xiàn)實(shí)，能在很大程度上實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門控制的數(shù)字化，并且能夠?qū)崿F(xiàn) PID 控制和局域網(wǎng)絡(luò)集散控制 ,通過軟件的形式，將工程技術(shù)人員的思維方式與解決問題的方式、方法以軟件的形式加入到系統(tǒng)中，從而更進(jìn)一步的提高閥門控制的智能化。 閥門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展?fàn)顩r [10] 標(biāo)準(zhǔn)化工作是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)工作 , 同樣也是一個(gè)行業(yè)、一個(gè)企業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工作。閥門行業(yè)在機(jī)械部的領(lǐng)導(dǎo)下 , 在閥門標(biāo)準(zhǔn)歸口單位 合肥通用機(jī)械研究所具體組織和行業(yè)廠的大力參與下 , 重視這項(xiàng)工作的開展 , 經(jīng)過多年的努力和卓有成效的工作 , 基本上建立了滿足閥門生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展需要、與我國機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)展的閥門專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。閥門行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化工作大致是分三個(gè)階段逐步發(fā)展起來的。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 第一階段是從 1958～ 1965 年。這期間 ,制定了閥門型號編制方法 ,各類閥門參數(shù)系列 ,閥門 結(jié)構(gòu)長度 ,手輪和手柄以及各大類閥門制造與驗(yàn)收技術(shù)條件等標(biāo)準(zhǔn)。這批標(biāo)準(zhǔn)均是以機(jī)械部發(fā)布的 JB 標(biāo)準(zhǔn) ,解決了閥門行業(yè)從修配走向制造到組織批量生產(chǎn)中所遇到的共性問題 ,滿足了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要 ,起到了促進(jìn)行業(yè)生產(chǎn)大發(fā)展的積極作用 ,為今后閥門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善和發(fā)展打下了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。 第二階段是從 1972～ 1979 年。這期間圍繞國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)調(diào)整恢復(fù) ,閥門成為供不應(yīng)求的短線產(chǎn)品。為此 ,為了擴(kuò)大生產(chǎn)能力 ,便于輪番大批量生產(chǎn) ,在機(jī)械部石化通用局的領(lǐng)導(dǎo)下 ,由通用機(jī)械研究所牽頭 ,組織行業(yè)主要生產(chǎn)廠 ,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化三化閥門 產(chǎn)品聯(lián)合設(shè)計(jì)。同時(shí) ,根據(jù)當(dāng)時(shí)閥門產(chǎn)品存在填料、墊片、密封面和閥桿等腐蝕 (或磨損 )嚴(yán)重及經(jīng)常出現(xiàn)閥門內(nèi)漏外漏等質(zhì)量問題 ,組織科研攻關(guān) ,完成了一些主要課題的研究 [11]。在此基礎(chǔ)上 ,除修訂、補(bǔ)充完善了一批產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)外 ,還根據(jù)閥門生產(chǎn)廠自行設(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品的需要 ,制定了閥門通用零件和結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)也是以機(jī)械部 JB標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的。截止到 1979 年 ,閥門行業(yè)共有 JB標(biāo)準(zhǔn) 142 項(xiàng)。由于這批標(biāo)準(zhǔn)在全行業(yè)貫徹實(shí)施比較好 ,因此 ,基本上解決了量大面廣的主要閥門產(chǎn)品的短線和普遍存在的內(nèi)漏外漏質(zhì)量問題 ,滿足了當(dāng)時(shí)國民經(jīng)濟(jì)各部門尤其 是石油、化肥、化工、電力和冶金等系統(tǒng)的需要 ,促進(jìn)了閥門行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的發(fā)展。 第三階段是從 1980 年至今。這期間是我國改革開放的新時(shí)期 ,由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變。為了適應(yīng)我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要 ,閥門行業(yè)為了提高全行業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品水平和質(zhì)量水平及其在國內(nèi)和國際兩個(gè)市場上的占有率 ,在機(jī)械部和國家技術(shù)監(jiān)督局的指導(dǎo)下 ,閥門標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。歸納起來 ,重點(diǎn)開展了兩個(gè)方面的工作 ,一是建立和完善閥門標(biāo)準(zhǔn)體系 ,二是積極采用國際和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn) [12]。這對推動(dòng)閥門行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和開拓閥門的國際市場起到了重要 的作用。 本課題的選題背景 閥門電動(dòng)裝置是用于操作閥門并與閥門相連接的裝置之一。該裝置由電力來驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程可由行程、轉(zhuǎn)矩或軸向推力的大小來控制。閥門電動(dòng)裝置應(yīng)有的工作特性和利用率取決于閥門的種類，裝置的工作規(guī)范及閥門在管線或設(shè)備上的位置 [2]。閥門電動(dòng)裝置行程控制機(jī)構(gòu)的可靠性對電動(dòng)閥門工作質(zhì)量影響較大。我國早期電動(dòng)裝置行程控制機(jī)構(gòu)可靠性較差的主要原因是使用微動(dòng)開關(guān)及控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。因此，早期電動(dòng)裝置經(jīng)常發(fā)生閥稈彎曲、閥體及密封面損壞等情況。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 高壓閥門在使用過程中容易造成內(nèi)漏是眾所 周知的普遍性問題，以致于火電廠在機(jī)組大小修中經(jīng)?；ù罅抠M(fèi)用更換新閥門，但是，無論更換的是國內(nèi)或進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)閥門，換來換去仍然是內(nèi)漏 [13]。我們習(xí)慣于把此類問題定性為閥門質(zhì)量問題，實(shí)際上我們忽略了另一個(gè)更重要的因素，即閥門電動(dòng)裝置在關(guān)閉閥門時(shí)是否施加給閥門一個(gè)科學(xué)、合適的關(guān)緊力。因?yàn)殚y門在關(guān)閉后期的壓差最大，關(guān)緊力達(dá)不到，密封面就會產(chǎn)生泄漏，漏則永久性關(guān)不嚴(yán)。 通常我們使用的電動(dòng)閥門選用的電動(dòng)裝置有具備一些常規(guī)功能的普通型、有自動(dòng)化程度很高的智能型；但是無論哪一種都沒有把閥門關(guān)緊力的設(shè)定放在首位來考慮。目前， 用戶多采用行程來控制閥門關(guān)閉，設(shè)定力矩僅僅作為一種輔助性保護(hù)，根本無法滿足對閥門關(guān)緊力的控制。鑒此，我們針對閥門電動(dòng)裝置目前存在的問題做出一定的改善。 本課題的研究意義 作為驅(qū)動(dòng)閥門或風(fēng)門的一種主要裝置 —— 閥門電動(dòng)裝置經(jīng)過多年的發(fā)展 ,已經(jīng)成為控制可靠 ,操作簡單 ,維護(hù)方便的高性能產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,許多新技術(shù)和新材料的應(yīng)用 ,各種高品質(zhì)高性能的閥門或風(fēng)門等設(shè)備的不斷出現(xiàn) ,要求與其所匹配的各種控制裝置也應(yīng)不斷改進(jìn)。 閥門電動(dòng)裝置及其技術(shù)在我國的發(fā)展已有 40 多年的歷史 ,作為一種機(jī)電產(chǎn)品其機(jī)械 部分無論是設(shè)計(jì)還是制造均日趨成熟 ,其使用方式也被人們接受 ,其使用范圍也從工業(yè)閥門擴(kuò)大到某些非閥門類專用設(shè)備。上世紀(jì) 80年代中期 ,上海某大型設(shè)備制造廠在國內(nèi)首先將閥門電動(dòng)裝置用于火電機(jī)組給煤機(jī)插板的驅(qū)動(dòng)與控制。之所以選擇閥門電動(dòng)裝置用于非閥門類的專用設(shè)備 ,主要是閥門電動(dòng)裝置具備起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、短時(shí)工作制、行程控制精確、位置指示直觀、用于保護(hù)的轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)可靠、手動(dòng)機(jī)構(gòu)能保證應(yīng)急人工操作等諸多特點(diǎn) [14]。 閥門電動(dòng)裝置是為控制閥門而設(shè)計(jì)的 ,由于閥門電動(dòng)裝置使用方便 ,其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到其他方面。如用于水利樞紐工程 中的大型水閘門上 ,城市地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中 ,各類發(fā)電廠的控制系統(tǒng)中 ,以及化工、公用事業(yè)和航天等領(lǐng)域中。隨著各種先進(jìn)技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用 ,閥門電動(dòng)裝置將會發(fā)展成為一個(gè)集機(jī)械、電子為一體的操作簡單靈活 ,并適合多種工況使用的產(chǎn)品 [15]。它不但具有機(jī)械方面的靈活性 ,而且還具有與電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相匹配的接口。同時(shí) ,小體積、結(jié)構(gòu)更增加其實(shí)用性。 電動(dòng)閥門作為管道 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 系統(tǒng)介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、自診斷與無人看守己經(jīng)變得十分迫切，計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，為電動(dòng)閥門的智能化進(jìn)程提供了可能。本文即在介紹了閥門歷史的 基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對電動(dòng)閥門的智能化所包含的內(nèi)容進(jìn)行了分析，為今后電動(dòng)閥門的智能化發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 2 閥門電動(dòng)裝置的工作原理和設(shè)計(jì)方案 閥門電動(dòng)裝置的工作原理 閥門電動(dòng)裝置是實(shí)現(xiàn)閥門程控、自控和遙控不可缺少的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其運(yùn)動(dòng)過程可由行程、轉(zhuǎn)矩或軸向推力的大小來控制。由于閥門電動(dòng)裝置的工作特性和利用率取決于閥門的種類、裝置工作規(guī)范及閥門在管線或設(shè)備上的位置。 電動(dòng)裝置一般由下列部分組成：專用電動(dòng)機(jī)，特點(diǎn)是過載能力強(qiáng)﹑起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大﹑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，短時(shí)﹑斷 續(xù)工作；減速機(jī)構(gòu)，用以減低電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；行程控制機(jī)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確控制閥門的啟閉位置；轉(zhuǎn)矩限制機(jī)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩（或推力）并使之不超過預(yù)定值；手動(dòng)﹑電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)，進(jìn)行手動(dòng)或電動(dòng)操作的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)。 開度指示器，用以顯示閥門在啟閉過程中所處的位置 [16]。 傳動(dòng)原理圖如下： 圖 傳動(dòng)原理圖 閥門電動(dòng)裝置的傳動(dòng)方案的確定 根據(jù)閥門類型選擇電動(dòng)執(zhí)行器 1．角行程電動(dòng)執(zhí)行器（轉(zhuǎn)角 360 度）適用于蝶閥、球閥、旋塞閥等。電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)小于一周，即小于 360 度，通常為 90 度就 實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉過程控制。此類電動(dòng)執(zhí)行器根據(jù)安裝接口方式的不同又分為直連式、底座曲柄式兩種。 A）直連式：是指電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸與閥桿直連安裝的形式。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 B）底座曲柄式：是指輸出軸通過曲柄與閥桿連接的形式。 2．多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行器（轉(zhuǎn)角 360 度）適用于閘閥、截止閥等。電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)大于一周，即大于 360 度，一般需多圈才能實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉過程控制。 3． 直行程（直線運(yùn)動(dòng)）適用于單座調(diào)節(jié)閥、雙座調(diào)節(jié)閥等。電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸的運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)式，不是轉(zhuǎn)動(dòng)形式。 根據(jù)生產(chǎn)工藝控制要求確定電動(dòng)執(zhí)行器的控制模 式 1． 開關(guān)型（開環(huán)控制）開關(guān)型電動(dòng)執(zhí)行器一般實(shí)現(xiàn)對閥門的開或關(guān)控制，閥門要么處于全開位置，要么處于全關(guān)位置，此類閥門不需對介質(zhì)流量進(jìn)行精確控制。 特別值得一提的是開關(guān)型電動(dòng)執(zhí)行器因結(jié)構(gòu)形式的不同還可分為分體結(jié)構(gòu)和一體化結(jié)構(gòu)。選型時(shí)必需對此做出說明，不然經(jīng)常會發(fā)生在現(xiàn)場安裝時(shí)與控制系統(tǒng)沖突等不匹配現(xiàn)像。 A）分體結(jié)構(gòu)（通常稱為普通型） :控制單元與電動(dòng)執(zhí)行器分離，電動(dòng)執(zhí)行器不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對閥門的控制，必需外加控制單元才能實(shí)現(xiàn)控制，一般外部采用控制器或控制柜形式進(jìn)行配套。此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是不便于系統(tǒng)整體安裝，增加接線 及安裝費(fèi)用，且容易出現(xiàn)故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)不便于診斷和維修，性價(jià)比不理想。 B）一體化結(jié)構(gòu)（通常稱為整體型）：控制單元與電動(dòng)執(zhí)行器封裝成一體，無需外配控制單元即可現(xiàn)實(shí)就地操作，遠(yuǎn)程只需輸出相關(guān)控制信息就可對其進(jìn)行操作。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是方便系統(tǒng)整體安裝，減少接線及安裝費(fèi)用，容易診斷并排除故障。但傳統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品也有很多不完善的地方，所以產(chǎn)生了智能電動(dòng)執(zhí)行器。 2． 調(diào)節(jié)型（閉環(huán)控制）調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器不僅具有開關(guān)型一體化結(jié)構(gòu)的功能，還能對閥門進(jìn)行精確控制，調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。 A）控制信號類型（電流、電壓）調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí) 行器控制信號一般有電流信號（ 4～20MA、 0～ 10MA）或電壓信號（ 0～ 5V、 1～ 5V），選型時(shí)需明確其控制信號類型及參數(shù)。 B）工作形式（電開型、電關(guān)型）調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行器工作方式一般為電開型（以4～ 20MA 的控制為例，電開型是指 4MA 信號對應(yīng)的是閥關(guān)， 20MA 對應(yīng)的是閥開），另一種為電關(guān)型（以 4～ 20MA 的控制為例，電開型是指 4MA 信號對應(yīng)的是閥開，20MA 對應(yīng)的是閥關(guān)）。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 C）失信號保護(hù)是指因線路等故障造成控制信號丟失時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器將控制閥門啟閉到設(shè)定的保護(hù)值，常見的保護(hù)值為全開、全關(guān)、保持原位三種情況 。 根據(jù)使用環(huán)境和防爆等級選擇 根據(jù)使用環(huán)境和防爆等級分類的電動(dòng)裝置根據(jù)使用環(huán)境和防爆等級要求，閥門的電動(dòng)裝置可分為普通型、戶外型、隔爆型、戶外隔爆型等。 根據(jù)閥門所需的扭矩確定輸出扭矩 根據(jù)閥門所需的扭矩確定電動(dòng)執(zhí)行器的輸出扭力閥門啟閉所需的扭力決定著電動(dòng)執(zhí)行器選擇多大的輸出扭矩，一般由使用者提出或閥門廠家自行選配，做為執(zhí)行器廠家只對執(zhí)行器的輸出扭矩負(fù)責(zé)，閥門正常啟閉所需的扭力由閥門口徑大小、工作壓力等因素決定，但因閥門廠家加工精度、裝配工藝有所區(qū)別，所以不同廠家生產(chǎn)的同規(guī)格閥 門所需扭矩也有所區(qū)別，即使是同個(gè)閥門廠家生產(chǎn)的同規(guī)格閥門扭矩也有所差別，當(dāng)選型時(shí)執(zhí)行器的扭矩選擇太小就會造成無法正常啟閉閥門，因此電動(dòng)執(zhí)行器必需選擇一個(gè)合理的扭矩范圍。 各組成部分的確定 主傳動(dòng)（減速機(jī)構(gòu) )：由蝸輪蝸桿副和少齒差行星齒輪減速機(jī)構(gòu)組成。最后由輸出軸輸出動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)閥門的閥桿 [17]。 轉(zhuǎn)矩檢測機(jī)構(gòu)：采用蝸桿軸向竄動(dòng)結(jié)構(gòu)，在蝸桿軸端安裝一個(gè)輪輻式拉壓傳感器來檢測力矩大小 [18]。 開度指示機(jī)構(gòu)：用于現(xiàn)場指示閥門開啟程度。行程控制機(jī)構(gòu)中空心軸的左端裝有刻度盤 [19]。 手電動(dòng)切換：為全 自動(dòng)切換結(jié)構(gòu)，沒有切換用的手柄，手電動(dòng)輸入互不干涉 [20]。 少齒差輸出機(jī)構(gòu)：浮動(dòng)盤與輸出盤之間留有空位，可避免開啟力矩過小，閥門打不開的問題。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 3 總體設(shè)計(jì)計(jì)算 電動(dòng)機(jī)的選擇 各運(yùn)動(dòng)副的效率 少齒差行星齒輪系的效率 ? =～ ；蝸輪蝸桿副的效率為 ? =～ (自鎖 )， ? =～ （單頭）， ? =～ （雙頭）；圓柱齒輪副的效率為 ? =～；軸承的效率為 ?? （一對球軸承稀油潤滑）， ?? （一對滾子軸承稀油潤滑）。 功率的計(jì)算 輸出軸功率