邢云,朱磊,葛生吉吉
(1.中海油天津化工設(shè)計(jì)研究院,天津 300131;2.天津斯坦雷電氣有限公司,天津 300457)
閥門電動(dòng)裝置是電動(dòng)閥門的組成部分,其主要功能是實(shí)現(xiàn)閥門終端位置的精確控制和故障保護(hù),實(shí)現(xiàn)閥門當(dāng)前位置與載荷狀態(tài)的信號(hào)反饋,并完成與相關(guān)設(shè)備的程序控制。閥門電動(dòng)裝置是工業(yè)管道系統(tǒng)的控制單元,廣泛地應(yīng)用于石油、化工、天然氣、冶金、市政、電力等工業(yè)領(lǐng)域。
閥門專用電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱:閥門電機(jī))是閥門電動(dòng)裝置(以下簡(jiǎn)稱:電動(dòng)裝置)的重要配套部件。我國(guó)目前執(zhí)行的閥門電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè),一個(gè)是普通型JB/T2195-1998 YDF2系列閥門電動(dòng)裝置用三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件,另一個(gè)是防爆型JB/T8670-1997 YBDF2系列閥門電動(dòng)裝置用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件。從標(biāo)準(zhǔn)頒布的年份上可見(jiàn),具有防爆性能的YBDF2系列閥門電機(jī)仍在執(zhí)行國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1-2010和 GB3836.2-2010版本。
閥門電機(jī)是電動(dòng)裝置的動(dòng)力輸入部件,其性能是影響電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩輸出技術(shù)參數(shù)的主要因素,其結(jié)構(gòu)需滿足電動(dòng)裝置的要求。本文將簡(jiǎn)要介紹閥門電機(jī)的基本性能,著重對(duì)典型閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,指出其與電動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系及適用性。
文中內(nèi)容對(duì)閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品防爆結(jié)構(gòu)審查以及對(duì)閥門電動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)均有一定參考作用。
電動(dòng)裝置的工作特點(diǎn)決定了閥門電機(jī)的基本性能,與普通三相異步電動(dòng)機(jī)不同,閥門電機(jī)具有以下特性。
(A)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大;以保證閥門在靜止帶壓狀態(tài)下的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)閥瓣的入座密封。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,閥門電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比有3.2和5.0兩種,前者基本延續(xù)了我國(guó)自上世紀(jì)70年代自行設(shè)計(jì)的YDF電動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù),后者的設(shè)計(jì)則參照了上世紀(jì)80年代初引進(jìn)國(guó)外的Limitorque電動(dòng)裝置用電動(dòng)機(jī)參數(shù);
(B)啟動(dòng)電流大;由于具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,所以相應(yīng)的啟動(dòng)電流大。以上兩種閥門電機(jī)的啟動(dòng)電流均為額定電流的7倍,因而對(duì)電氣控制元器件的選用應(yīng)給予充分注意;
(C)短時(shí)工作制;根據(jù)閥門有限行程的工作特點(diǎn),閥門電機(jī)為短時(shí)工作制。載荷狀態(tài)的不同使得閥門電機(jī)的額定工作時(shí)間也不同,通常一次工作行程時(shí)間在15~30min范圍。閥門電機(jī)在設(shè)計(jì)上不考慮冷卻結(jié)構(gòu);
(D)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小;設(shè)計(jì)中盡量使轉(zhuǎn)子直徑趨于細(xì)長(zhǎng),以減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,進(jìn)而減輕閥門入座時(shí)閥瓣對(duì)閥座的沖擊。
以上性能是閥門電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子、定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題,而電動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與閥門電動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān),所以還需考慮以下問(wèn)題;
(E)防爆性能;閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防爆功能或便于派生防爆功能,以適應(yīng)防爆型閥門電動(dòng)裝置的需要,因?yàn)橛行╇妱?dòng)閥門要求工作在爆炸性氣體環(huán)境中。
為適應(yīng)電動(dòng)裝置的防爆結(jié)構(gòu)特點(diǎn),目前所用防爆閥門電機(jī)均不設(shè)獨(dú)立的對(duì)外接線裝置,所以它不能單獨(dú)用于防爆場(chǎng)所。只有與防爆型電動(dòng)裝置組合后防爆閥門電機(jī)才具有防爆功能,其防爆試驗(yàn)、審查也應(yīng)與防爆電動(dòng)裝置組裝后一同進(jìn)行。電動(dòng)機(jī)的外殼與防爆電動(dòng)裝置的控制腔形成一個(gè)防爆主腔。
防爆閥門電機(jī)的防爆等級(jí)多為Ex d IIB T4 Gb,較少有Ex d IIC T4 Gb或Ex d IIC T6 Gb,尤其是大功率電動(dòng)機(jī)更不容易實(shí)現(xiàn)IIC級(jí)防爆;
(F)防護(hù)性能;一般應(yīng)適應(yīng)IP65以上的閥門電動(dòng)裝置使用工況。目前大多數(shù)閥門電動(dòng)裝置的標(biāo)準(zhǔn)戶外等級(jí)為IP67,有些規(guī)格能提供IP68。但是閥門電機(jī)的防護(hù)等級(jí)尚不能與之完全適應(yīng),這是需要逐漸解決的問(wèn)題;
(G)法蘭連接結(jié)構(gòu);是指閥門電機(jī)與電動(dòng)裝置的連接結(jié)構(gòu),它包括閥門電機(jī)的電源線引出結(jié)構(gòu)和法蘭結(jié)構(gòu)型式。
下面將重點(diǎn)討論E、F、G各項(xiàng)內(nèi)容。
一般情況下,國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)的閥門電動(dòng)裝置均采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的連接尺寸,即前面提到的JB/T2195-1998和JB/T8670-1997給出的標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接型式。引進(jìn)國(guó)外技術(shù)電動(dòng)裝置所用的閥門電機(jī)連接型式與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別,通常是由電動(dòng)裝置制造廠家給出的結(jié)構(gòu)尺寸。
圖1為一種前端蓋軸向不固定法蘭結(jié)構(gòu)型式。
圖1
由圖1可見(jiàn),機(jī)殼(3)只是通過(guò)與前端蓋(4)防爆結(jié)合面的配合來(lái)約束前端蓋(4)的徑向位置,而前端蓋(4)的軸向并沒(méi)有固定(實(shí)際結(jié)構(gòu)中有一頂絲保證運(yùn)輸時(shí)不松動(dòng))。機(jī)殼(3)的后部不貫通,后軸承孔直接在機(jī)殼(3)上加工。圖中(E)所指均為隔爆面。
該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是;可方便地調(diào)整出線套(5)在法蘭止口D平面上的位置。從圖1A向視圖可見(jiàn),通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)前端蓋(4)即可改變出線套(5)由實(shí)線位置到虛線位置,這樣就能適用不同進(jìn)線位置電動(dòng)裝置使用。當(dāng)閥門電機(jī)與電動(dòng)裝置連接后,前端蓋(4)的軸向位置被壓緊固定,O形圈(9)保證閥門電機(jī)與電動(dòng)裝置的對(duì)外密封,O形圈(10)保證出線套(5)與閥門電機(jī)和電動(dòng)裝置控制腔的密封。由于沒(méi)有后端蓋,所以防爆結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,并且戶外防護(hù)性能較好。
圖1結(jié)構(gòu)適合0.06~0.75kW范圍小功率閥門電機(jī),原因基于以下方面;由于法蘭定位止口D和連接孔距D1的直徑為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,所以定子鐵芯(2)的直徑受到限制,即定子鐵芯直徑要小于D1一定尺寸才能采用這種結(jié)構(gòu)。另外,隨著電動(dòng)機(jī)功率的增大其外殼(3)的長(zhǎng)度L也會(huì)相應(yīng)加長(zhǎng),這使后軸承孔的加工工藝性較差。因此,圖1結(jié)構(gòu)適合300N.m以下輸出轉(zhuǎn)矩多回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置和4000N.m以下輸出轉(zhuǎn)矩獨(dú)立式部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置使用。
這種結(jié)構(gòu)有兩種型式,可將其分為A和B。其中A結(jié)構(gòu)的出線套(5)位于法蘭定位止口D的平面上,B結(jié)構(gòu)的出線套(5)位于法蘭止口D以外的平面上。
先看A結(jié)構(gòu)型式:
圖2是標(biāo)準(zhǔn)YDF結(jié)構(gòu)型式。
圖2
由圖2可見(jiàn),機(jī)殼(3)的兩端裝有前端蓋(4)和后端蓋(6),兩者都與機(jī)殼(3)固定一體,后軸承孔位于后端蓋(6)上。圖中(E)所指為隔爆面。
該結(jié)構(gòu)是典型的YDF標(biāo)準(zhǔn)閥門電機(jī)結(jié)構(gòu)型式,其主要特點(diǎn)是;機(jī)殼(3)貫通,定子鐵芯(2)及其線圈的裝配、維修比較方便。軸向尺寸長(zhǎng)度L對(duì)機(jī)加工影響不大,各零件有良好的工藝性,整機(jī)裝配、維修也方便。O形圈(9)和(10)的作用與圖1相同。由于機(jī)殼(3)和前后端蓋(4)、(6)構(gòu)成了兩個(gè)密封結(jié)構(gòu)和隔爆面,所以其隔爆結(jié)構(gòu)與密封結(jié)構(gòu)較圖1復(fù)雜。
圖2結(jié)構(gòu)適合0.25~2.2kW范圍中小功率閥門電機(jī),因?yàn)榉ㄌm止口D和連接孔距D1為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,定子鐵芯直徑較大時(shí)前端蓋(4)的結(jié)構(gòu)不適合。圖2結(jié)構(gòu)適合輸出轉(zhuǎn)矩范圍在100-900N.m的多回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置和輸出轉(zhuǎn)矩范圍在400-10000N.m的獨(dú)立式部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置使用。
當(dāng)圖2結(jié)構(gòu)的功率大于2.2kW時(shí),一般要采用下面將要討論的雙法蘭前端蓋結(jié)構(gòu)。
再看B結(jié)構(gòu)型式:
圖3所示為引進(jìn)技術(shù)中Limitorque閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式之一。Limitorque是知名電動(dòng)裝置品牌,我國(guó)閥門電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)制定中的一些技術(shù)參數(shù)參照了這種電動(dòng)機(jī)。
圖3
圖3與圖2結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于;前端蓋(4)為雙法蘭結(jié)構(gòu),即一側(cè)與機(jī)殼(3)連接,另一側(cè)與電動(dòng)裝置連接。目的是兩個(gè),一是方便在定位止口D以外的法蘭端面上設(shè)置出線套(5),出線套與法蘭的結(jié)合采用了螺紋隔爆結(jié)構(gòu)。二是解決定子鐵芯的直徑接近或大于D1時(shí)與電動(dòng)裝置的連接問(wèn)題。
圖3結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是;出線套(5)不在定位止口內(nèi),所以方便電動(dòng)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手/電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)布置。另外,出線套離開(kāi)浸油腔其密封只需考慮戶外防護(hù)作用。
由于前端蓋(4)為雙法蘭結(jié)構(gòu),所以L尺寸也相對(duì)長(zhǎng),同時(shí)轉(zhuǎn)子軸的尺寸也較長(zhǎng),會(huì)增加一些加工難度。
圖3結(jié)構(gòu)適合0.55~13kW功率范圍的閥門電機(jī),主要用于輸出轉(zhuǎn)矩范圍200~10000N.m的多回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置。
圖2和圖3均是目前最常用的閥門電機(jī)結(jié)構(gòu)型式,屬于成熟技術(shù),但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題也值得注意。圖2、圖3轉(zhuǎn)子軸(1)的前軸承設(shè)計(jì)靠近轉(zhuǎn)子,油封靠近定位止口端面,這樣就形成電機(jī)軸頭到前軸承(7)的懸臂結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子軸和前端蓋(4)形成的隔爆面結(jié)構(gòu)屬于GB3836.2標(biāo)準(zhǔn)中“旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承蓋結(jié)合面”。4.0kW以上閥門電機(jī)曾發(fā)生由于齒輪(11)工作中的徑向力過(guò)大致使前端蓋(4)與轉(zhuǎn)子軸摩擦“抱死”的現(xiàn)象。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,同等軸頭轉(zhuǎn)矩情況下閥門電機(jī)的軸頭直徑均小于普通電機(jī)。為避免上述現(xiàn)象,建議前軸承的設(shè)計(jì)采用圖1結(jié)構(gòu),這樣可相對(duì)減小電動(dòng)機(jī)軸頭的懸臂長(zhǎng)度進(jìn)而減小其工作中可能產(chǎn)生的彈性變形。同時(shí)也保證了電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下實(shí)際隔爆結(jié)合面符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
有的電動(dòng)裝置在設(shè)計(jì)中已考慮了閥門電機(jī)定子鐵芯的安裝位置,即內(nèi)裝式或無(wú)前端蓋法蘭型式,這種結(jié)構(gòu)在國(guó)外電動(dòng)裝置產(chǎn)品中經(jīng)常見(jiàn)到。下面將提供兩種典型結(jié)構(gòu)且將其分為A和B。
先看A結(jié)構(gòu)型式:
圖4
圖4中心線以下部分所示也是引進(jìn)Limitorque技術(shù)小轉(zhuǎn)矩電動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)。
由該圖中心線以下部分可見(jiàn),定子鐵芯(2)直接裝入主箱體與之配合的孔中并用護(hù)板(12)和螺釘(13)緊固。轉(zhuǎn)子軸(1)前部通過(guò)軸承座(4)和軸承(7)支撐。所以采用軸承座(4)是保證裝有齒輪(11)時(shí)能通過(guò)主箱體上的孔并能形成要求的隔爆結(jié)合面。轉(zhuǎn)子軸(1)的后軸承裝在后端蓋(6)上,緊固后端蓋(6)使之與主箱體形成電動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。圖4下半部分所示的隔爆面及隔爆部位(E)共有四處。定子內(nèi)腔與主箱體有通孔,接通防爆電動(dòng)裝置的隔爆主腔。
采用內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)裝置具有外形緊湊、戶外與防爆結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但由于尺寸不宜過(guò)大等方面的局限,它僅適合小轉(zhuǎn)矩電動(dòng)裝置,如輸出轉(zhuǎn)矩300N.m以下的多回轉(zhuǎn)型和輸出轉(zhuǎn)矩2000N.m以下的獨(dú)立式部分回轉(zhuǎn)型電動(dòng)裝置使用。
圖4下半部分的結(jié)構(gòu)也存在一定問(wèn)題 ,如;加工尺寸和位置度問(wèn)題容易使轉(zhuǎn)子掃膛,裝配問(wèn)題會(huì)使定子鐵芯松動(dòng),閥門電機(jī)的性能單獨(dú)檢測(cè)較為麻煩,并且組裝前的運(yùn)輸中要避免磕碰。
為解決上述問(wèn)題,可對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分改進(jìn),參見(jiàn)圖4中心線上半部分結(jié)構(gòu)。其方法是;將原后端蓋(6)加長(zhǎng)成為機(jī)殼(3),采用壓合過(guò)盈配合使定子鐵芯(2)與機(jī)殼(3)固定,保留前部的軸承座結(jié)構(gòu)。
通過(guò)改進(jìn),可以很好地解決前面提到的問(wèn)題,并且使電動(dòng)裝置主箱體尺寸相對(duì)縮小。去掉了固定定子鐵芯的螺釘(13)使隔爆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠。
再看B結(jié)構(gòu)型式:
圖5所示為Rotork A系列多回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu),它是一種知名電動(dòng)裝置品牌。雖然Rotork公司的智能型電動(dòng)裝置已不再采用該結(jié)構(gòu),但因?yàn)榕c其它產(chǎn)品完全不同的特點(diǎn)而且仍有應(yīng)用,所以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
圖5
由圖5可見(jiàn),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸(1)與電動(dòng)裝置傳動(dòng)蝸桿設(shè)計(jì)成一體,在主箱體內(nèi)的支撐點(diǎn)是(7)和(17)滾針軸承,在后端蓋(6)上的支撐點(diǎn)是球軸承(16),這種結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)被稱為“同軸直聯(lián)”式。閥門電機(jī)的電源線可以方便地引入電動(dòng)裝置的控制腔。電動(dòng)裝置工作時(shí)蝸輪的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)使蝸桿產(chǎn)生軸向力并壓縮用于轉(zhuǎn)矩控制的碟形彈簧(15),所以轉(zhuǎn)子在電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)有一定量的雙向軸向位移,這一特點(diǎn)在其它電動(dòng)裝置上是沒(méi)有的。
就電動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)而言,圖5是很有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)。它簡(jiǎn)化了整機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu),蝶型彈簧(15)的預(yù)緊和調(diào)整方便,產(chǎn)品整體外形協(xié)調(diào)等。Rotork后期產(chǎn)品依然保持了這種風(fēng)格。其局限是;電機(jī)與蝸桿軸過(guò)長(zhǎng),與轉(zhuǎn)子的組合精度難于控制,并且蝸桿軸受力屬于超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)閥門開(kāi)啟操作時(shí),機(jī)殼(3)、后端蓋(6)、軸承壓蓋(14)的緊固螺釘均要承受蝸桿的軸向力,因而該結(jié)構(gòu)電動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩規(guī)格也不宜過(guò)大。
就防爆結(jié)構(gòu)而言,無(wú)前端蓋法蘭結(jié)構(gòu)省去了出線套結(jié)構(gòu),但圖5中的零件(6)和(14)又使隔爆結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。
通過(guò)以上幾種典型閥門電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析比較可以歸納出以下幾點(diǎn):
(1)閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到電動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)的制約,如傳動(dòng)、手/電動(dòng)切換結(jié)構(gòu)等,尤其是電動(dòng)機(jī)的連接法蘭與進(jìn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
(2)閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要兼顧防爆性能和防護(hù)性能,因?yàn)榻^大多數(shù)閥門電機(jī)只有與防爆電動(dòng)裝置組合后才具有防爆功能,這時(shí)防爆電動(dòng)裝置的控制腔與防爆閥門電機(jī)的外殼構(gòu)成一個(gè)防爆主腔;
(3)目前我國(guó)閥門電機(jī)的防爆等級(jí)多為Ex d IIB T4 Gb,而很多工況條件要求電動(dòng)裝置的防爆等級(jí)為Ex d IIC T4 Gb或Ex d IIC T6 Gb,所以閥門電機(jī)的防爆性能是制約電動(dòng)裝置防爆等級(jí)的因素之一;
(4)結(jié)構(gòu)型式不同的閥門電機(jī)適應(yīng)不同的電動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩規(guī)格,有些只適合小轉(zhuǎn)矩規(guī)格,所以其功率范圍較小;
(5)有前端蓋結(jié)構(gòu)的閥門電機(jī)便于單機(jī)檢測(cè)和儲(chǔ)運(yùn),無(wú)前端蓋結(jié)構(gòu)的閥門電機(jī)儲(chǔ)運(yùn)中應(yīng)采取措施保護(hù)定子線圈和隔爆面等部位并應(yīng)提供單機(jī)檢測(cè)(指與電動(dòng)裝置未組裝之前)的方法、措施;
(6)閥門電機(jī)功率分檔的范圍較大但每種規(guī)格的用量有限,所以電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)時(shí)擇標(biāo)準(zhǔn)連接尺寸和出線位置的閥門電機(jī)可相對(duì)降低產(chǎn)品的制造成本;
(7)我國(guó)閥門電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的戶外等級(jí)較電動(dòng)裝置的標(biāo)配戶外等級(jí)低,在某種程度上影響了電動(dòng)裝置戶外性能的提高。
綜上所述,閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電動(dòng)裝置的整機(jī)結(jié)構(gòu)相互制約。所以,研究改進(jìn)閥門電機(jī)的結(jié)構(gòu)使之更趨合理對(duì)促進(jìn)電動(dòng)裝置整機(jī)性能的提高具有積極作用。
[1] GB3836.1-2000,爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分:通用要求.[2] GB3836.2-2000,爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分:隔爆型“d”.
[3] JB/T2195-1998,YDF2系列閥門電動(dòng)裝置用三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件.
[4] JB/T8670-1997,YBDF2系列閥門電動(dòng)裝置用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件.