， 　， 　， 　(.揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠， 江蘇 揚(yáng)州　5003；.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽　006)

引言

氣動截止閥廣泛用于火電廠、核電站的重要系統(tǒng)中，是保證電站的安全生產(chǎn)的重大關(guān)鍵設(shè)備。在核電站中，氣動截止閥主要用于主蒸汽系統(tǒng)的旁通閥、核取樣系統(tǒng)的隔離閥、化容系統(tǒng)的下泄流孔板前后的隔離閥以及很多系統(tǒng)的安全殼內(nèi)外隔離閥等[1,2]。氣動閥按照動作方式分為氣開式和氣關(guān)式；按隔膜數(shù)量分為單隔膜式和雙隔膜式。而核級閥門氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用于控制核電站氣動截止閥，是核電站的重要設(shè)備之一[3,4]，保證核電站系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對核電站的氣動截止閥研制了一種雙隔膜氣關(guān)式核級氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1　建立模型

1.1　氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成及參數(shù)

設(shè)計(jì)的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是開啟和關(guān)閉核電站的截止閥，其主要由殼體、傳動部件、碟簧、膜片、托盤、手動部件、附件等零部件構(gòu)成(見圖1)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

重量：≯285 kg

安全類別：K3

額定行程：27 mm

輸出推力：115 kN

供氣氣源：4～9.5 bar

動作時(shí)間：≤15 s

作用方式：氣關(guān)式

1.下殼體　2.碟簧　3.膜片　4.中間殼體　5.托盤 6.傳動部件　7.手動部件圖1　氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2　材料設(shè)計(jì)

由于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是用于核電站的截止閥，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須要能滿足耐高溫、腐蝕、輻射、抗震等性能。殼體采用高強(qiáng)度的球墨鑄鐵，膜片采用三元乙丙膠EP35中間添加錦綸夾布，使整個主體部分在耐高溫、腐蝕、輻射等嚴(yán)酷環(huán)境下仍能保證性能的穩(wěn)定性；下殼體采用龍門架結(jié)構(gòu)，將氣動驅(qū)動系統(tǒng)和附件固定在龍門架上，使結(jié)構(gòu)剛性更可靠，保證整體抗震性能。

1.3　工作原理

研制的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種開關(guān)型直線行程的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行裝置主要由氣腔、膜片、托盤、碟簧和傳動部件組成[5]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件主要是電磁閥、節(jié)流閥和過濾加壓閥[6，7]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過程是：氣源通過過濾減壓閥后穩(wěn)定在工作壓力4 bar，然后經(jīng)過電磁閥進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作氣腔，氣壓推動膜片帶動托盤及傳動部件運(yùn)動，壓縮碟簧、關(guān)閉閥門、同時(shí)背壓腔的空氣由平衡氣口排出；斷開開源后，工作氣腔內(nèi)沒有工作氣壓，碟簧復(fù)位，帶動托盤及傳動部件運(yùn)動，開啟閥門，工作氣腔中的空氣經(jīng)電磁閥從節(jié)流閥排出。其控制原理如圖2所示。

圖2　控制原理圖

2　氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能特性

2.1　理論推力

設(shè)計(jì)的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣關(guān)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣源壓力通過氣動附件進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣體工作氣腔，帶動傳動機(jī)構(gòu)動作，從而輸出推力，因此有必要研究執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程與輸出推力的對應(yīng)關(guān)系。圖3所示為執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門關(guān)閉方向的行程與輸出推力的理論對應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出輸出推力隨著行程的增大近似直線下降的趨勢。在行程23 mm結(jié)束時(shí)(閥門關(guān)閉位置)輸出推力(F)最小約為115 kN，并將此位置的輸出推力定為額定推力，即額定推力為115 kN。

圖3　行程與輸出推力的理論對應(yīng)關(guān)系

2.2　性能特性試驗(yàn)

性能特性試驗(yàn)的目的是通過試驗(yàn)，驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)在工況載荷作用下能否正常工作，并且測試全行程運(yùn)行時(shí)間、輸出推力等相關(guān)性能參數(shù)。性能特性試驗(yàn)是在中國核動力研究設(shè)計(jì)院核級設(shè)備鑒定中心利用測試臺進(jìn)行試驗(yàn)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸與測試臺連接桿相連，通過計(jì)算機(jī)分別給被測執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測試臺施加信號，并測試反饋，從而得到性能特性參數(shù)。

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程運(yùn)行時(shí)間和輸出推力試驗(yàn)是通過氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)測試臺進(jìn)行測試。測試臺檢測推力范圍為2.5～150 kN，檢測推力精度為5 N。在電壓380 V，50 Hz情況下對氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間和輸出推力進(jìn)行試驗(yàn)。圖4中所示為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)測試臺及試驗(yàn)軟件界面。

圖4　測試系統(tǒng)

圖5所示為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)5次開行程、 關(guān)行程時(shí)

對應(yīng)的全行程運(yùn)行時(shí)間。從圖5中可以看出：開啟方向全行程運(yùn)行時(shí)間約12 s，關(guān)閉方向全行程運(yùn)行時(shí)間約8 s。開啟方向的全行程運(yùn)行時(shí)間明顯大于關(guān)閉方向的全行程運(yùn)行時(shí)間，主要是由于開啟方向工作氣腔排氣時(shí)通過節(jié)流閥，從而開啟方向全行程時(shí)間受節(jié)流閥的調(diào)節(jié)作用。

圖5　氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程運(yùn)行時(shí)間

圖6所示為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)行程經(jīng)過5次測試時(shí)對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力。從圖6中可以看出，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力最大值118.5 kN出現(xiàn)在第3次測試；氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力最小值115.2 kN出現(xiàn)在第1次測試。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定輸出推力為115 kN，5次推力測試值都略高于額定推力115 kN。

圖6　氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力

3　結(jié)論

針對核電站的氣動截止閥研制了一種核級氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先建立了氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型， 簡述了其構(gòu)成及參數(shù)；然后分析了氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理及理論推力計(jì)算；最后對氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能特性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線行程運(yùn)行時(shí)間短，輸出推力穩(wěn)定，通過氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)測試臺對其性能特性參數(shù)進(jìn)行測試，得到如下結(jié)果：

(1) 對氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程運(yùn)行時(shí)間測試，開啟方向全行程運(yùn)行時(shí)間約12 s，關(guān)閉方向全行程運(yùn)行時(shí)間約8 s；

(2) 對氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出推力測試，輸出推力最大值118.5 kN出現(xiàn)在第3次測試；輸出推力最小值115.2 kN出現(xiàn)在第1次測試，5次測試輸出推力穩(wěn)定在略高于115 kN的范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫英學(xué). 核電站穩(wěn)壓器閥門接管應(yīng)力分析[J]. 核動力工程, 2000,21(2): 112-115.

[2]張鳳旺, 秦世剛. 電站用典型氣動截止閥簡介及故障分析[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2010, 29(3):18-19.

[3]付小波, 張大發(fā). 穩(wěn)壓器中的噴霧器故障對壓力控制系統(tǒng)的影響分析[C]．全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第八屆制造業(yè)自動化與信息化技術(shù)研討會. 蘭州: 中國機(jī)械工程學(xué)會,2009．

[4]M F Rahmat, Sy Najib Sy Salim, N H Sunar. Identification and Non-linear Control Strategy for Industrial Pneumatic Actuator[J]. International Journal of the Physical Sciences, 2012, 7(17)：2565-2579．

[5]張二青. 氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的故障診斷[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2006: 2-10.

[6]尚群立,蔣鵬. 智能電氣閥門定位器的研制[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2007, 28(4):718-721.

[7]Hazem I Ali, Samsul Bahari B Mohd Noor, S M Bashi, M H Marhaban. A Review of Pneumatic Actuators(Modeling and Control)[J]. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2009, 3(2): 440-454.