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    一、前言

    隨著工業(yè)過程控制自動化程度的日益提高，各種形式的控制閥將會越來越多地被應(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控制閥、電動控制閥和液動控制閥等。然而，電動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)動電動控制閥的電動執(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)的自動控制系統(tǒng)中。典型的電動執(zhí)行器有接收開、關(guān)信號的開關(guān)型；接收標(biāo)準(zhǔn)電流（或電壓）信號的調(diào)節(jié)型以及直接接收Pt100等鉑電阻信號的溫控型等。電動執(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。直行程電動執(zhí)行器是用來控制直線動作形式閥門的。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推力直行程電動執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、計(jì)算和調(diào)試工藝作一簡述。

    二、20kN推力直行程電動執(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，因此，本技術(shù)方案也優(yōu)先選用了齒輪傳動。這不僅因?yàn)辇X輪傳動的瞬時傳動比為常數(shù)、傳動精確、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)動轉(zhuǎn)換為電動執(zhí)行器的直線運(yùn)動，從而達(dá)到控制直線動作閥門的目的。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力傳動的梯形螺紋這種滑動螺旋傳動方式。它將由齒輪傳給螺母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成梯形絲桿（執(zhí)行器輸出軸）的直線運(yùn)動。由于梯形絲桿螺母副除加工工藝性好外，還有強(qiáng)度高、對中性好等優(yōu)點(diǎn)。而這些優(yōu)點(diǎn)，正是直行程電動執(zhí)行器所需要的。直行程電動執(zhí)行器是通過輸出軸做直線運(yùn)動去帶動閥門上、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)行器的伺服電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，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)電動執(zhí)行器輸出軸的絲桿時，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)是電動執(zhí)行器的重要組成部分，如下圖所示，對直行程電動執(zhí)行器而言，位置反饋系統(tǒng)的功能是將電動執(zhí)行器的直線行程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，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、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。通過行程轉(zhuǎn)換能滿足測量大于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.反饋主動齒輪9.軸承

10.卡簧11.傳動軸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)電動執(zhí)行器在行程零位和行程滿位時切斷伺服電動機(jī)電源，以保護(hù)電動執(zhí)行器，防止過載、堵轉(zhuǎn)而損壞電動機(jī)。經(jīng)計(jì)算，采用二級齒輪傳動，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)成一個位置反饋和行程控制系統(tǒng)組件。根據(jù)多級齒輪傳動理論，在齒輪傳動系統(tǒng)中，每級齒輪的傳動間隙對系統(tǒng)精度的影響程度是不同的。由于在電動執(zhí)行器的反饋系統(tǒng)中，齒輪傳動往往采取減速傳動，來滿足大行程控制需要。這就決定了后級的齒輪間隙比前級的齒輪間隙對系統(tǒng)的精度影響更大。因此，保證最后一級齒輪精度尤為重要。鑒于此，在反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，二級齒輪傳動均采取了間隙可調(diào)整結(jié)構(gòu)，以確保執(zhí)行器的控制精度。

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

    電動執(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，不會損壞閥芯和閥座。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，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、電動執(zhí)行器與閥門連接后的電氣調(diào)試

    電動執(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）電動執(zhí)行器。當(dāng)電動執(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）?，F(xiàn)將電開式電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)試方法簡述如下：將調(diào)試儀的控制信號調(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，使控制信號與反饋信號的誤差控制在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調(diào)節(jié)閥的自動控制。前者會使調(diào)節(jié)閥發(fā)生振蕩現(xiàn)象（即不停地正、反擺動），后者則會使調(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)反饋信號同時偏高或偏低的情況。這時可以通過調(diào)整主控模塊上的反饋電位器進(jìn)行微調(diào)，使控制信號與反饋信號盡量一致。

    四、結(jié)語

    在調(diào)節(jié)閥用直行程電動執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中，除前述要點(diǎn)外，伺服電動機(jī)的選型也是十分重要的。電動執(zhí)行器用伺服電動機(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?？傊?，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)時所要特別重視的。

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