低溫防爆閥門電動執(zhí)行機構研究

李 巧，向?qū)W院，余 亞

（重慶川儀自動化股份有限公司 執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

0 引言

防爆電動執(zhí)行機構是閥門驅(qū)動領域應用非常廣泛的產(chǎn)品類型，隨著該產(chǎn)品國產(chǎn)化推廣，產(chǎn)品性能和可靠性已達到國際先進水平，打破了進口壟斷局面。近些年油氣長輸管線在極寒領域的深入擴展，提出了低溫防爆的新課題。執(zhí)行機構需要在-50℃的極限低溫環(huán)境中長期運行，產(chǎn)品既要保證基本防爆性能完好性，又要確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定性，這對產(chǎn)品的整體設計提出了新要求。本文細致分析了低溫防爆電動執(zhí)行機構設計要點，并按此思路設計出來的產(chǎn)品取得了成功應用，具備較大推廣價值。

1 閥門電動執(zhí)行機構

閥門電動執(zhí)行機構是一種將電機的旋轉(zhuǎn)運動通過一系列的減速機構轉(zhuǎn)化為多回轉(zhuǎn)（Multi-Turn）、部分回轉(zhuǎn)（Part-Turn）或者直線運動（Linear），最終驅(qū)動閥門動作的機電一體化裝置。其主要包括：電機、減速部件、手動離合部分、控制部分。

電機通常是采用220VC單相交流電機、380VAC三相交流電機或者24VDC直流電機，電機通常都具備較強的防堵轉(zhuǎn)特性，啟動力矩和堵轉(zhuǎn)力矩可達到額定扭矩的3～5倍以上。針對開關型產(chǎn)品，配套閥門只需要做開閥或關閥動作，而且動作頻率通常不高。因此，電機工作制通常為S2工作制，電機瞬時最大扭矩和閥門的啟閉負載功率特性匹配，極大降低了設計功耗。針對調(diào)節(jié)型產(chǎn)品，配套閥門需要在全行程范圍內(nèi)隨動調(diào)節(jié)，動作頻率比開關型產(chǎn)品高，電機工作制一般匹配S1或S9，通常以電機額定扭矩來匹配閥門全壓差開啟扭矩，以達到頻繁動作溫升可控的目的。

減速部件分為齒輪箱和推力減速器。齒輪箱通常為平行軸齒輪、行星傳動、阿基米德或二次包絡蝸輪蝸桿傳動結構[1]，齒輪箱通常呈扁平化布局，結構簡單，具備相對的機械自鎖功能。推力減速器通常采用梯形絲桿或行星絲桿結構，根據(jù)內(nèi)部結構不同，輸出零件既可以是絲桿，也可以是螺母，最終將多回轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換為往復運動的推力。

手動離合部分是滿足產(chǎn)品可以實現(xiàn)手動驅(qū)動的功能，主要包含手輪和離合機構，當需要手動操作時，工人需先切換離合裝置，然后手動旋轉(zhuǎn)手輪驅(qū)動閥門動作。

控制部分是執(zhí)行機構的大腦，包含了人機界面、CPU板、控制板、信號板、數(shù)字通訊板、位置傳感器、力傳感器、接線盤等，而這些裝置通常采用層疊化布局設計，安裝在一個防爆外殼內(nèi)，實現(xiàn)執(zhí)行機構對閥門的智能控制。

2 低溫防爆電動執(zhí)行機構的設計難點

目前而言，應用于普通場合的電動執(zhí)行機構性能已經(jīng)十分成熟，但能直接應用于低溫防爆場合的產(chǎn)品，則基本沒有。總體來說，低溫環(huán)境對于防爆執(zhí)行機構帶來的考驗主要包括產(chǎn)品使用性能和產(chǎn)品防爆性能兩方面的影響[2]。

2.1 低溫環(huán)境對產(chǎn)品使用性能的影響

2.1.1 低溫對電機性能的影響

電機本身屬于一種耗能的裝置，其在低溫環(huán)境下工作，其自身的發(fā)熱會對溫度起一定的補償作用。因此，很多人認為低溫環(huán)境對電機的影響較小。然而，很多事實說明，電機在低溫環(huán)境下的性能與常溫下是不一樣的。

低溫情況下，電機內(nèi)部的潤滑脂的黏度增大，甚至潤滑脂凍結，引起電機的靜態(tài)阻力矩增大，容易導致小功率或啟動力矩小的電機在低溫環(huán)境下無法啟動。因此，低溫環(huán)境電機必須對電機內(nèi)部的潤滑脂做低溫要求。

低溫情況下，對電機內(nèi)部的絕緣材料易出現(xiàn)裂開的現(xiàn)象，導致電機的絕緣性能下降。因此，低溫環(huán)境下使用的電機，需對電機內(nèi)部使用的絕緣材料做低溫抗裂性要求。

表1 電動執(zhí)行機構主要材料低溫性分析Table 1 Low temperature analysis of main materials of electric actuator

2.1.2 低溫對減速機構強度的影響

金屬材料低溫拉伸試驗表明，在低溫情況下，材料內(nèi)部原子結合得較緊密，原子間彈性變差。從宏觀上看，就體現(xiàn)在材料吸收的外部能量的能力降低而呈現(xiàn)出脆性[4]，當材料受到外部沖擊，容易導致脆斷現(xiàn)象。結合電動執(zhí)行機構工況特點，閥門啟閉瞬間，產(chǎn)品輸出扭矩會突然增大，產(chǎn)品的減速機構會出現(xiàn)短時沖擊，內(nèi)部齒輪、蝸桿、蝸輪的傳動齒會受到懸臂負載沖擊導致斷齒，傳動軸受到?jīng)_擊阻力矩導致斷軸，箱體受到附加的線性沖擊負載導致出現(xiàn)裂紋。

進一步地，深入整理產(chǎn)品內(nèi)部常用材料的低溫特性，得到如下結果見表1。

材質(zhì)低溫性分析結論：

1）QT500-7不滿足-50℃低溫環(huán)境，推薦使用QT400-18AL替代[5]。

2）45#不滿足-50℃低溫環(huán)境，推薦使用40Cr替代。

3）青銅屬于非冷脆材料，低溫不脆變，可滿足-50℃環(huán)境要求。

4）不銹鋼304屬于非冷脆材料，低溫不脆變，可滿足-50℃環(huán)境要求。

2.1.3 低溫對控制系統(tǒng)的影響

低溫對控制系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)中電子元器件的影響。絕大多數(shù)電子元器件都有一個適用溫度范圍，一旦超出此范圍，其性能就會降低，甚至失效。目前，一般民用級溫度范圍為：0℃~70℃，工業(yè)級為：-40℃~70℃，軍用級為：-55℃~128℃。

電器元件的低溫失效形式包含以下幾個方面：①電氣性能發(fā)生變化，導致使用故障；②封裝材料脆化龜裂，影響性能；③支撐材料發(fā)生收縮，機械結構改變。

在溫度的變化中，溫度對半導體電子元器件影響應是較為顯著的。目前，一個芯片內(nèi)部集成了數(shù)百萬甚至上千萬個晶體管以及其他元器件，其內(nèi)部集成元件的極小偏差就可能導致整個半導體的特性發(fā)生極大的變化。如低溫下，半導體內(nèi)部元件發(fā)生皸裂；溫度過低，導致內(nèi)部半導體在額定電壓下無法開關，均能導致半導體失效，無法正常工作。

-50℃的應用，雖然軍用級的電子元器件均能滿足使用要求，但是相對工業(yè)級電子元器件來說，軍用級器件的價格增幅是一般工業(yè)產(chǎn)品不易接受的。因此，針對電動執(zhí)行機構在-50℃低溫環(huán)境下的使用，目前主要采用工業(yè)級元器件構成的控制系統(tǒng)，配套加熱器的方式適應極低溫度環(huán)境。

2.1.4 低溫對潤滑性能的影響

潤滑性能的失效根源于潤滑油粘度的變化。由于潤滑油的粘度和溫度變化的指數(shù)關系，溫度越低，液體的粘度增加越快。當溫度降低至分子熱運動十分微弱時，液體從宏觀上表現(xiàn)出不能流動的狀態(tài)，此時所有傳動部件效率大幅度降低甚至出現(xiàn)卡死狀態(tài)，不僅沒有潤滑性能，還將阻礙執(zhí)行機構的正常運行。因此，低溫對潤滑的考驗是特別嚴峻的。

2.1.5 低溫對軸承性能的影響

溫度會直接影響軸承疲勞壽命[6]，在低溫環(huán)境中，軸承的材料、自帶潤滑脂，配合間隙需要滿足低溫使用要求。①溫度降低后，軸承內(nèi)外圈、保持架、滾動體之間的配合間隙會發(fā)生變化，震動和噪音會增大，軸承磨損加??；②滾動體的潤滑油脂性能下降或流失，將使軸承性能惡化，軸承壽命明顯縮短；③軸承材料需滿足低溫要求，只能選用非冷脆性材料，防止低溫受力脆裂。

2.1.6 低溫對密封結構的影響

低溫環(huán)境下密封材料的選擇及變形率的設計十分重要。目前，電動執(zhí)行機構常用的密封材料為丁晴橡膠，在-30℃以下它的彈性和壓縮永久變形率會發(fā)生改變，長期低溫環(huán)境中,其會發(fā)生脆化，甚至玻璃化，從而使執(zhí)行機構內(nèi)部密封失效發(fā)生泄漏。經(jīng)過反復對比試驗，在-50℃低溫環(huán)境中，采用氫化丁晴橡膠具備較好的適應性。

2.2 低溫環(huán)境對產(chǎn)品防爆性能的影響

國家防爆標準GB3836.2中明確規(guī)定，隔爆等級Exd ⅡCT4要求中，凡采用止口接合面，且隔爆容積v＞2000cm3的情況，其接合面最小寬度和最大間隙需要分別達到25mm和0.15mm，或40mm和0.20mm。由此可見在低溫情況下，保證隔爆間隙不超過國家標準規(guī)定的最大間隙值，是保證產(chǎn)品隔爆性能的基本要求。

由于溫度變化，金屬零件會出現(xiàn)的熱脹冷縮現(xiàn)象，其變化能力以熱膨脹系數(shù)表示。熱膨脹系數(shù)可簡化定義為：單位溫度改變下，長度的增加量與原長度的比值。

具體計算公式如下：

式（1）中：

L0——初始長度。

ΔT——溫度變化量（對比溫度為20℃）。

α——線膨脹系數(shù)。

Lt——t溫度下的長度值。

基于此，組成防爆結合面的兩個零件最好采用相同材質(zhì)，線膨脹系數(shù)一致，使防爆結合面在低溫情況下，隔爆間隙不會被放大，從而導致隔爆失效。

3 低溫防爆電動執(zhí)行機構的設計準則

3.1 材質(zhì)的強度脆性要求

低溫用鋼按化學成分不同分為3類：低合金鐵素體鋼、中合金鋼及高合金奧氏體鋼。寒冷地區(qū)的工程結構材料通常采用低合金鐵素體鋼[3]。碳、磷、氧等雜質(zhì)元素會引起冷脆性的加劇，因此低溫鋼冶煉必須控制雜質(zhì)含量。而加入定量的硅、鎳、錳等元素可以改善低溫性能，它們使晶粒變細，降低臨界脆性溫度。此外全鐵素體的球鐵，也可以使用在較低溫的場合。

3.2 防爆零件材質(zhì)的冷縮特性要求

由于各種材料的熱膨脹系數(shù)不一致，在低溫時極易出現(xiàn)間隙變大的情況而影響防爆性能的情況。因此，具有防爆配合的兩個零件必須選用同樣材質(zhì)，或者線膨脹系數(shù)相近的材質(zhì)。

3.3 潤滑密封要求

傳動部件的潤滑油脂必須選用低溫產(chǎn)品，必須保證在低溫環(huán)境下不能凍結。在密封環(huán)節(jié)，必須選用耐低溫的橡膠材質(zhì)。在低溫下既不能硬度過大，失去彈性密封作用，也不能在低溫下過快老化。

3.4 電氣系統(tǒng)要求

低溫對電氣控制是致命的，要求所有電子元器件都能適應低溫環(huán)境是不科學的設計。目前，唯一能有效及低成本解決的辦法是設計與之配套的加熱系統(tǒng)，在控制板和電機內(nèi)部可以設計一個溫控的風熱式加熱器，保證局部適合溫度環(huán)境。

4 結語

低溫防爆環(huán)境是對防爆電裝產(chǎn)品嚴酷的考驗，任何一個環(huán)節(jié)的疏漏將會導致整個產(chǎn)品的失效。但基于以上原則設計出來的產(chǎn)品，既保證了電氣系統(tǒng)在低溫下能正常運行，又滿足了低溫下傳動系統(tǒng)的強度和韌性要求，極限溫度時的隔爆間隙和隔爆強度仍然符合國家標準，是人類目前科學技術水平下，設計低溫防爆電動執(zhí)行機構最為有效的方法。