劉志剛

江南閥門有限公司

一種適用于液動(dòng)閥門的手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

劉志剛

江南閥門有限公司

在一般工況企業(yè)中，閥門的驅(qū)動(dòng)方式主要有手動(dòng)(包括齒輪傳動(dòng))、電動(dòng)、氣動(dòng)和液動(dòng)等，用戶根據(jù)各自的條件選擇不同的閥門驅(qū)動(dòng)方式。80年代初期，為適應(yīng)選煤行業(yè)的惡劣工況及日益提高的自動(dòng)化要求，研制了液動(dòng)閥門驅(qū)動(dòng)裝置—電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)集機(jī)、電、液于一體，適用于驅(qū)動(dòng)帶介質(zhì)壓力啟閉的閥門。歷經(jīng)20余年的研究開發(fā)，經(jīng)過大量的試驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)，電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)已日趨成熟。

手自一體；電控液動(dòng)；閥門；驅(qū)動(dòng)裝置

隨著船舶自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，液動(dòng)閥門越來越多的使用于船舶閥門控制技術(shù)中，手自一體的電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大大提高了船舶設(shè)備控制的自動(dòng)化和船舶設(shè)備操作的人性化。有效的解決了因液壓動(dòng)力源故障失效，可對(duì)液動(dòng)閥門進(jìn)行手動(dòng)應(yīng)急等問題。

1 手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手動(dòng)與電控兩部分組成。通過手動(dòng)換向閥與電磁換向閥并聯(lián)布置，形成兩個(gè)獨(dú)立的回路。在手動(dòng)換向閥及電磁換向閥前后均有布置截止閥，方便維修，油缸進(jìn)、出口處各裝有一個(gè)可調(diào)的節(jié)流閥，可調(diào)節(jié)油缸的速度。當(dāng)有壓力油源時(shí)，電機(jī)接受控制模塊的功能指令，控制油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以線性或者角位移輸出扭矩來驅(qū)動(dòng)閥門的啟閉。當(dāng)失去壓力油源后，可通過手動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)閥門的啟閉。

2 手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、功能齊全，可以獲得很大的輸出力矩、速度，調(diào)節(jié)方便、易于控制、控制精度高、控制系統(tǒng)具有總體價(jià)格便宜、維護(hù)容易、適用范圍廣等特點(diǎn)。

3 手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及要求

3.1 整體設(shè)計(jì)要求

(1)明確手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性，使用條件，安全性和可靠性要求及其它特殊要求。(2)對(duì)控制設(shè)計(jì)方案進(jìn)行交流完善。(3)對(duì)設(shè)備的布置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行明確。(4)手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品，每部分專業(yè)性都很強(qiáng)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量建議該產(chǎn)品應(yīng)由控制系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計(jì)制造商統(tǒng)一集成提供、產(chǎn)品中所采用的閥門信息應(yīng)標(biāo)注清晰。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主芯片采用MSP430系列單片機(jī)，該芯片具有超低功耗、集成度高、外圍設(shè)備豐富等優(yōu)點(diǎn)。為保證電機(jī)的穩(wěn)定性，采用PID控制算法，當(dāng)設(shè)定開度與實(shí)際開度差值較大時(shí)，取消PID運(yùn)算中的積分項(xiàng)，適當(dāng)增大比例項(xiàng)系數(shù)，達(dá)到快速調(diào)節(jié)的目的，當(dāng)差值減小時(shí)，積分項(xiàng)投入運(yùn)算，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。PID控制算法的運(yùn)用大幅提高了控制調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

3.3 手動(dòng)控制和系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制

通過手動(dòng)換向閥切換至手動(dòng)控制模式，手動(dòng)控制模式的加入能夠靈活的滿足不同用戶在不同場(chǎng)合的需求。為滿足現(xiàn)代系統(tǒng)控制要求，添加HART通信模塊，能夠與上位機(jī)之間通過通信直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)以此來控制閥門的開度，為在危險(xiǎn)區(qū)域等地方的使用提供良好媒介。

3.4 位置反饋及保護(hù)電路參數(shù)

位置反饋電路的輸入信號(hào)來自液壓缸后蓋內(nèi)的位置發(fā)送器，該發(fā)送器采用德國(guó)公司的電路，并選用優(yōu)質(zhì)元件進(jìn)行嚴(yán)格篩選和老化試驗(yàn)。位置反饋電路將微小的、與拉桿位移相應(yīng)的50～300μA的半波信號(hào)，轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。為防止系統(tǒng)人為操作損壞，加裝了完善的上下限和延時(shí)保護(hù)電路，其上下限和延時(shí)時(shí)間均可調(diào)，以適應(yīng)不同的工況。電路設(shè)計(jì)中采取了抗干擾措施，解決了以往零點(diǎn)漂移幅度無(wú)規(guī)律，漂移方向不確定造成工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3.5 中高壓液壓缸

中高壓液壓缸為雙作用式，密封采用能抗惡劣環(huán)境的組合形式，主要密封件均采用進(jìn)口產(chǎn)品，較大限度的避免了跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了用戶的維護(hù)工作量。獨(dú)特的位移傳感機(jī)構(gòu)，精確地反映了活塞位移量的變化，為測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確打下了良好的基礎(chǔ)。

3.6 手動(dòng)液壓操作裝置

手動(dòng)泵采用704所研制的一型雙向往復(fù)式泵油的手動(dòng)液壓泵，其無(wú)油箱、體積小、省力效率高，采用了整體塊式結(jié)構(gòu)，方便與液壓閥塊連接，進(jìn)出油在任一操作時(shí)間段內(nèi)吸入油和排出油量相等，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。手動(dòng)液壓操作裝置集成安裝于液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體，也可與液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分離安裝，以選擇合適、方便操作的位置，實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)急手動(dòng)操作。還可加裝液壓快速接口，作為液動(dòng)閥門手動(dòng)操作備用液壓設(shè)備。

3.7 位置反饋及保護(hù)電路參數(shù)

位置反饋電路的輸入信號(hào)來自液壓缸后蓋內(nèi)的位置發(fā)送器，該發(fā)送器采用德國(guó)公司的電路，并選用優(yōu)質(zhì)元件進(jìn)行嚴(yán)格篩選和老化試驗(yàn)。位置反饋電路將微小的、與拉桿位移相應(yīng)的50～300μA的半波信號(hào)，轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。為防止系統(tǒng)人為操作損壞，加裝了完善的上下限和延時(shí)保護(hù)電路，其上下限和延時(shí)時(shí)間均可調(diào)，以適應(yīng)不同的工況。電路設(shè)計(jì)中采取了抗干擾措施，解決了以往零點(diǎn)漂移幅度無(wú)規(guī)律，漂移方向不確定造成工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3.8 中高壓復(fù)合雙向齒輪泵

根據(jù)電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閉式液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，齒輪泵應(yīng)雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)管路和減輕重量，所有閥件均復(fù)合于齒輪泵上。為此，研制了專用復(fù)合雙向齒輪泵，該泵改進(jìn)了端面補(bǔ)償配油盤，設(shè)計(jì)了補(bǔ)油閥組、溢流閥組和鎖緊閥組，其額定壓力10MPa，最高壓力16MPa，排量6～10ml/r，額定轉(zhuǎn)速1500r/min。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，齒輪泵達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并已申報(bào)國(guó)家專利。

液動(dòng)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定著液動(dòng)閥門使用性能，手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從液壓原理上解決了液動(dòng)閥門的操作問題，大大提高了船用液動(dòng)閥門的操作性能。

液壓技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，如甲板機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、舵機(jī)、推進(jìn)裝置、升降裝置等。手自一體電控液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也為船用液壓設(shè)備的應(yīng)急手動(dòng)操作方式提供參考。

[1] 沈雪松. 液動(dòng)閥門系統(tǒng)控制研究與設(shè)計(jì)[D]. 四川大學(xué)，2005.

[2] 張楷彭. 工業(yè)閥門用新型液動(dòng)執(zhí)行器的研究[D]. 西南交通大學(xué)，2013.