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    一、前言

    隨著工業(yè)過程控制自動(dòng)化程度的日益提高，各種形式的控制閥將會(huì)越來越多地被應(yīng)用到不同的過程控制系統(tǒng)中。最具代表性的控制閥主要有氣動(dòng)控制閥、電動(dòng)控制閥和液動(dòng)控制閥等。然而，電動(dòng)控制閥因其能源取得方便、無需建立氣站和液站而應(yīng)用較廣。因此，決定了用來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)控制閥的電動(dòng)執(zhí)行器具有十分廣闊的應(yīng)用前景。它被廣泛地應(yīng)用在化工、石油、冶金、發(fā)電、市政工程、紡織印染以及智能樓宇等行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。典型的電動(dòng)執(zhí)行器有接收開、關(guān)信號(hào)的開關(guān)型；接收標(biāo)準(zhǔn)電流（或電壓）信號(hào)的調(diào)節(jié)型以及直接接收Pt100等鉑電阻信號(hào)的溫控型等。電動(dòng)執(zhí)行器按行程方式分為直行程、角行程（部分回轉(zhuǎn)）和多轉(zhuǎn)型。直行程電動(dòng)執(zhí)行器是用來控制直線動(dòng)作形式閥門的。根據(jù)閥門通徑大小和不同的工作壓差，選用不同推力的電動(dòng)執(zhí)行器，以達(dá)到安全、精準(zhǔn)、可靠、經(jīng)濟(jì)地控制閥門的目的。下面就調(diào)節(jié)閥用20kN推力直行程電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、計(jì)算和調(diào)試工藝作一簡(jiǎn)述。

    二、20kN推力直行程電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)計(jì)算

    1.減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    電動(dòng)執(zhí)行器是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。而在機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中，目前使用最多的便是齒輪傳動(dòng)，因此，本技術(shù)方案也優(yōu)先選用了齒輪傳動(dòng)。這不僅因?yàn)辇X輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)、傳動(dòng)精確、可以做到零側(cè)隙、無回差，而且強(qiáng)度大、能承受重載、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦力小及效率高。

    2.絲桿螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算

    為了將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)執(zhí)行器的直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到控制直線動(dòng)作閥門的目的。在本設(shè)計(jì)中，采用了制造工藝非常成熟且特別適用于動(dòng)力傳動(dòng)的梯形螺紋這種滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)方式。它將由齒輪傳給螺母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成梯形絲桿（執(zhí)行器輸出軸）的直線運(yùn)動(dòng)。由于梯形絲桿螺母副除加工工藝性好外，還有強(qiáng)度高、對(duì)中性好等優(yōu)點(diǎn)。而這些優(yōu)點(diǎn)，正是直行程電動(dòng)執(zhí)行器所需要的。直行程電動(dòng)執(zhí)行器是通過輸出軸做直線運(yùn)動(dòng)去帶動(dòng)閥門上、下運(yùn)行來達(dá)到改變閥門開度控制流體之目的。由于閥門控制的特殊性，要求執(zhí)行器輸出軸的絲桿螺母副還必須滿足自鎖條件：即當(dāng)執(zhí)行器的伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器輸出軸必須保持在原位（即自鎖），從而使閥門的開度也相應(yīng)地保持在原位。因此，在設(shè)計(jì)電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸的絲桿時(shí)，其螺紋升角α不宜過大。由摩擦理論得知，滿足自鎖條件的螺紋升角

        （1）

    式中α——絲桿的螺紋升角，單位為°；

    f_m——摩擦角，單位為°；

    f——絲桿螺母副的摩擦因數(shù)（查相關(guān)手冊(cè)可得）。

    在本設(shè)計(jì)方案中，絲桿材料選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，螺母材料采用耐磨性好的球墨鑄鐵，摩擦因數(shù)f=0.1。所以，摩擦角f_m=arctanf=arctan0.1=5.71°。

    由絲桿螺紋升角定義得

        （2）

    式中n——螺紋線數(shù)，本設(shè)計(jì)為單線螺紋，n=1；

    t——螺距，單位為mm；

    d₂——絲桿中徑，單位為mm。

    代入式（1）得

        （3）

    而絲桿中徑d₂可用下式求得：

        （4）

    式中  F——額定軸向載荷，單位為kgf，本設(shè)計(jì)中F=20kN=20×10³/9.8=2040.8kgf（1kgf=9.8N）；

    n——安全系數(shù)（1.2~2.0），取1.5；

    Ψ——螺母形式系數(shù)，整體式螺母為1.2~2.5，取2.0；

    [p]——許用比壓，單位為kgf/mm²（1kgf/mm²=10MPa），本設(shè)計(jì)為低速、45鋼絲桿與球墨鑄鐵螺母，[p]=1.3。

    所以，d₂≥0.8×[（2040.8×1.5）/（2×1.3）]^0.5=27.45mm。

    根據(jù)國標(biāo)圓整后，取d₂=29mm，t=6mm。

    由式（3）得

    α=arctan[t/（πd₂）]=arctan[6/（3.14159×29）]=3.77

    α°<5.71°，由此可見，所設(shè)計(jì)的絲桿螺母副，既滿足強(qiáng)度要求又符合自鎖條件。

    3.位置反饋和行程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    位置反饋系統(tǒng)是電動(dòng)執(zhí)行器的重要組成部分，如下圖所示，對(duì)直行程電動(dòng)執(zhí)行器而言，位置反饋系統(tǒng)的功能是將電動(dòng)執(zhí)行器的直線行程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，給伺服放大器作為比較和閥位反饋輸出。采用分辨率高、壽命長(zhǎng)、具有高速跟蹤性能的角位移精密導(dǎo)電塑料電位器做位置傳感器具有比較優(yōu)勢(shì)。通過行程轉(zhuǎn)換能滿足測(cè)量大于100mm直線位移（行程）的需要。

位置反饋和形成控制系統(tǒng)示意圖

1.齒條2.上限位凸輪3.下限位凸輪4.下限位開關(guān)5.上限位開關(guān)

6.反饋組件固定架7.行程變換齒輪8.反饋主動(dòng)齒輪9.軸承

10.卡簧11.傳動(dòng)軸12.電位器調(diào)整板13.導(dǎo)電塑料電位器

14.反饋電位器齒輪15.齒條導(dǎo)向調(diào)整板16.輸出軸與齒條聯(lián)接銷

17.鋁合金型材反饋盒18.角度指針19.角度指示牌

    行程限位機(jī)構(gòu)是用以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器在行程零位和行程滿位時(shí)切斷伺服電動(dòng)機(jī)電源，以保護(hù)電動(dòng)執(zhí)行器，防止過載、堵轉(zhuǎn)而損壞電動(dòng)機(jī)。經(jīng)計(jì)算，采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，就能夠?qū)⑽恢梅答佅到y(tǒng)和行程限位機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合在一塊，設(shè)計(jì)成一個(gè)位置反饋和行程控制系統(tǒng)組件。根據(jù)多級(jí)齒輪傳動(dòng)理論，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，每級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙對(duì)系統(tǒng)精度的影響程度是不同的。由于在電動(dòng)執(zhí)行器的反饋系統(tǒng)中，齒輪傳動(dòng)往往采取減速傳動(dòng)，來滿足大行程控制需要。這就決定了后級(jí)的齒輪間隙比前級(jí)的齒輪間隙對(duì)系統(tǒng)的精度影響更大。因此，保證最后一級(jí)齒輪精度尤為重要。鑒于此，在反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，二級(jí)齒輪傳動(dòng)均采取了間隙可調(diào)整結(jié)構(gòu)，以確保執(zhí)行器的控制精度。

    4.電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸與閥桿連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

    電動(dòng)執(zhí)行器輸出軸與閥桿連接機(jī)構(gòu)，采用彈性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種彈性連接裝置，選用可調(diào)預(yù)載荷的碟形彈簧組件。用以確保執(zhí)行器在嚴(yán)密關(guān)閉閥門的同時(shí)，不會(huì)損壞閥芯和閥座。另外，這種彈性連接機(jī)構(gòu)，還可以克服由于閥桿與輸出軸的同軸度誤差給閥門造成的損傷。在執(zhí)行器輸出軸與閥桿之間，通過兩半式夾塊將二者緊密連接起來。兩半式夾塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接牢靠，既可傳遞執(zhí)行器的推力，又可防止閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，還可安裝行程指針，將閥門行程（開度）指示有機(jī)地加以結(jié)合。

    三、電動(dòng)執(zhí)行器與閥門連接后的電氣調(diào)試

    電動(dòng)執(zhí)行器加上主控模塊（伺服放大器）后，就組成了電子式（調(diào)節(jié)式）電動(dòng)執(zhí)行器。當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行器與閥門連接好后，就可以進(jìn)行電氣調(diào)試。調(diào)試的順序是：先調(diào)整零位，后調(diào)整滿位（行程）。現(xiàn)將電開式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)試方法簡(jiǎn)述如下：將調(diào)試儀的控制信號(hào)調(diào)整至4mA，利用主控模塊上的零位電位器將閥門行程（開度）調(diào)整至零位。然后調(diào)整滿位（即行程），將調(diào)試儀的控制信號(hào)調(diào)整至20mA，利用主控模塊上的滿位（即行程）電位器將閥門調(diào)至滿位（即額定行程，如DN250~300調(diào)節(jié)閥的額定行程為100mm）。經(jīng)調(diào)校后，使控制信號(hào)與反饋信號(hào)的誤差控制在0.1mA以內(nèi)。需要注意的是：當(dāng)靈敏度過高或過低都不利于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制。前者會(huì)使調(diào)節(jié)閥發(fā)生振蕩現(xiàn)象（即不停地正、反擺動(dòng)），后者則會(huì)使調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)速度下降、反應(yīng)遲鈍，有損調(diào)節(jié)精度。靈敏度的調(diào)節(jié)可以通過主控模塊上的死區(qū)電位器進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到合適的位置。在調(diào)試過程中，如果行程零位和滿位均出現(xiàn)反饋信號(hào)同時(shí)偏高或偏低的情況。這時(shí)可以通過調(diào)整主控模塊上的反饋電位器進(jìn)行微調(diào)，使控制信號(hào)與反饋信號(hào)盡量一致。

    四、結(jié)語

    在調(diào)節(jié)閥用直行程電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中，除前述要點(diǎn)外，伺服電動(dòng)機(jī)的選型也是十分重要的。電動(dòng)執(zhí)行器用伺服電動(dòng)機(jī)，屬于可逆、斷續(xù)工作制，因此與其匹配的移相電容也很關(guān)鍵。另外，過熱保護(hù)、機(jī)械阻尼等功能也是非常必要的。總之，要設(shè)計(jì)出一款性價(jià)比高、外觀新穎且可靠性佳的電動(dòng)執(zhí)行器，需要機(jī)與電的最優(yōu)組合，這也正是機(jī)電一體化產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)所要特別重視的。

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