楊尊平，李 巧，陳寶龍

（重慶川儀自動化股份有限公司 執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

隨著國家智能制造的不斷推進，各行業(yè)的國產(chǎn)化工作正如火如荼的開展，油氣管道執(zhí)行機構(gòu)國產(chǎn)化已經(jīng)取得了顯著成果[1]。由于國產(chǎn)化前油氣管線執(zhí)行機構(gòu)均使用進口品牌，其產(chǎn)品的多數(shù)功能和性能均優(yōu)于原國產(chǎn)執(zhí)行機構(gòu)，所以本文從產(chǎn)品應(yīng)用出發(fā)，重點介紹國產(chǎn)化電動執(zhí)行機構(gòu)關(guān)鍵性能指標的研制與實現(xiàn)。

1 油氣管線電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用需求分析

油氣行業(yè)電動執(zhí)行機構(gòu)由于所處環(huán)境和管道介質(zhì)為油、氣、各類烯烴有機物等，具有易燃易爆特性，給執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品提出了更高的可靠性要求。油氣管道用電動執(zhí)行機構(gòu)及其所驅(qū)動的閥門有很多安裝在寒冷偏遠地區(qū)，如東北、新疆等地，社會依托條件較差，需適應(yīng)高低溫環(huán)境。目前，國內(nèi)應(yīng)用低溫已達到-46℃左右，其設(shè)備要求自動化程度高，執(zhí)行機構(gòu)既要安全、可靠、連續(xù)運轉(zhuǎn)周期長，而且防爆等級要達到EXdⅡBT4及以上等級，在煉化裝置上要求達到EXdⅡCT4及以上等級，同時又要重量輕，易于運輸、安裝。主干管線口徑最大達到56"，壓力等級達Class900，所配套閥門電動執(zhí)行機構(gòu)最大控制轉(zhuǎn)矩不小于300kN.m，齒輪箱傳動效率須達到35%以上。維護和維修能實現(xiàn)遠程監(jiān)控，具有豐富的運行數(shù)據(jù)管理功能，包括在線力矩實時顯示，同時支持運行數(shù)據(jù)下載功能。

2 油氣管道電動執(zhí)行機構(gòu)研制

2.1 執(zhí)行機構(gòu)耐低溫設(shè)計

電動執(zhí)行機構(gòu)要在低溫下穩(wěn)定運行，首先要考慮低溫對機械傳動及機械強度的影響，其次要考慮對電氣控制部件及驅(qū)動電機的影響。由于產(chǎn)品為防爆型，還必須考慮低溫不會影響防爆性能；再者密封性能也要做專門考慮，避免防護失效。

1）減速機構(gòu)耐低溫設(shè)計

在減速器的設(shè)計中，結(jié)合IP68防護等級的需求，考慮到低溫環(huán)境對材料力學(xué)性能的影響，針對材料進行低溫選型設(shè)計?？紤]到低溫環(huán)境下對密封、潤滑及軸承等零部件的影響，特對密封、潤滑及軸承進行了低溫處理。

減速器的材料選擇，主要解決材料低溫脆性問題，45#鋼材質(zhì)全部改為性能更優(yōu)的40Cr，蝸輪采用錫青銅材料，減速器殼體材料采用QT400-18AL耐低溫球墨鑄鐵[2]。減速器中的密封件包括O型圈和骨架密封圈，在材質(zhì)的選擇上采用硅橡膠（MVQ）來替代傳統(tǒng)的丁腈橡膠[3]（NBR），滿足-50℃及更低環(huán)境溫度的要求。在潤滑油的選擇上采用了Mobil SHC 624，能適用于最低溫度-57℃的環(huán)境需求。

2）控制器耐低溫設(shè)計

電子元器件均采用工業(yè)級產(chǎn)品，它在低溫下電氣性能良好，對關(guān)鍵IC采用更高級別產(chǎn)品，阻容充分考慮溫度系數(shù)影響。采用了寬溫高亮的OLED顯示器，該顯示器無需背光，具有高亮、寬視角及顯示清晰等特點，方便工業(yè)現(xiàn)場操作與巡視?？紤]到-50℃以上極端低溫內(nèi)的電氣穩(wěn)定性，設(shè)計了熱風(fēng)循環(huán)加熱模塊對電控部分迅速、均勻加熱。加熱模塊能量來自于主電源，采用自動溫控設(shè)計，當溫度低于-30℃時啟動電加熱模塊，當溫度超過+15℃時停止加熱。

3）電機耐低溫設(shè)計

考慮到電機在低溫下的高速旋轉(zhuǎn)，相對于常溫普通電機，除滿足執(zhí)行機構(gòu)的機械及電氣性能以外，特對電機軸承進行了低溫處理。電機軸承潤滑脂是影響電機低溫性能的因素之一，選擇適用于高低溫、長壽命的潤滑脂，能夠滿足環(huán)境溫度-50℃～200℃的使用需求。電機導(dǎo)線采用氟塑料高溫導(dǎo)線，對電機線進行了-50℃低溫彎曲試驗。電機軸材料采用42CrMo，并對電機軸進行了低溫下力學(xué)性能的測試，各項試驗均通過了-50℃測試。

4）低溫防爆設(shè)計

防爆設(shè)計嚴格按照GB3836標準執(zhí)行，采用隔爆型外殼設(shè)計，并且經(jīng)國家權(quán)威實驗室進行產(chǎn)品認證，防爆等級為EXdⅡCT4 GB，本文不再贅述。

2.2 高效率重載齒輪箱設(shè)計

2.2.1 傳動方案設(shè)計

高效重載齒輪箱的設(shè)計制造與驗證為國產(chǎn)化替代的重點。為實現(xiàn)高可靠性，在減速器的設(shè)計上采用行星傳動+蝸輪蝸桿傳動模式，如圖1所示。行星減速器作為電動頭的一級減速器，它的特點是：傳動比大，承載能力強，體積小，輸入與輸出同軸，造型美觀。蝸輪蝸桿副作為執(zhí)行器最后一級減速輸出，充分滿足了閥門驅(qū)動機構(gòu)自鎖性、位置直觀可視性、機械限位等要求。齒輪箱的材料選擇仍需滿足低溫要求，蝸桿材料選用42CrMo，蝸輪及箱體材料選用QT400-18AL球墨鑄鐵，表面采用物理氣相沉積工藝處理以提高其耐磨性[4]，滿足低速（＜0.07rpm）重載（＞300kN.m）的工況需要。為了滿足國產(chǎn)化需求，重載齒輪箱進行了系列化設(shè)計，力矩覆蓋400kN.m，分3種不同規(guī)格，均采用了同樣的傳動方案，僅是傳動參數(shù)有所不同。設(shè)計過程采用Solid works軟件進行建模和有限元分析，在進行軟件模擬驗證之后，利用大力矩加載試驗裝置進行了實物試驗驗證，保證了設(shè)計參數(shù)完全滿足設(shè)計要求。

圖1 傳動簡圖Fig.1 Transmission diagram

2.2.2 理論強度計算

1）蝸輪蝸桿受力分析

蝸桿受力分析[5]如圖2所示，蝸輪蝸桿傳動副共有3組分力，按照負載300kN.m計算，各自分力計算如下：

圖2 蝸桿受力圖Fig.2 Stress diagram of worm

其中，F(xiàn)t1——蝸桿切向力；Fr1——蝸桿徑向力；Fx1——蝸桿軸向力；Ft2——蝸輪切向力；Fr2——蝸輪徑向力；Fx2——蝸輪軸向力。

2）蝸輪齒面接觸強度分析

① 平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的齒面接觸強度計算公式[6]為：

其中，fN為最大齒間載荷分配系數(shù)公式[6]如下：

式（2）中，z2為蝸輪齒數(shù)，z2=55，經(jīng)計算fN=0.67；Ft2蝸輪切向力，計算如上Ft2=719000N。

Zm=，m為模數(shù)，m=12.727；d1為蝸桿分度圓直徑，d1=147mm，經(jīng)計算Zm=0.93；YZ為齒形系數(shù)，螺旋角 γ=5.194°，tanγ=0.08657，查取相關(guān)圖表得YZ=0.67 ；bm2為 平 均 齒 寬，bm2=0.45（d1+6m），mm， 經(jīng) 計 算 得bm2=100.5；d2為蝸輪分度圓直徑，d2=693mm。

② 平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的齒面接觸疲勞極限計算公式[6]為：

其中，K0——蝸輪與蝸桿的配對材料系數(shù)，查表得K0=11.76 ；fh——壽命系數(shù)，fh=3√12000/Lh。

齒輪箱90°開關(guān)時間為214s，壽命次數(shù)為開關(guān)1000次循環(huán)，按通斷率25% ，計算總的工作時間為1000×2×209×4 ≈ 500h。則fh=3√12000/Lh=2.88

圖3 蝸輪有限元分析Fig.3 Finite element analysis of worm gear

fn——速度系數(shù)，當轉(zhuǎn)速不變時，查表得fh=0.935；fw——壽命系數(shù)，當載荷平穩(wěn)時，fw=1。

綜上所述：σH=11.1MPa≤σHlim=31.6MPa，蝸輪齒面接觸強度安全。

3）有限元應(yīng)力分析

使用Solid works進行軟件有限元應(yīng)力分析，分別經(jīng)過實物建模、網(wǎng)格劃分、應(yīng)力計算、應(yīng)變計算等步驟。最大扭矩T=300kN.m施加于不完全蝸輪最末齒位置，經(jīng)分析計算，最大應(yīng)力小于200MPa，最大應(yīng)變小于0.3mm。

靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果：滿足設(shè)計要求，峰值轉(zhuǎn)矩300kN.m。最后通過壽命試驗，通過了1100次的壽命試驗（大綱要求1000次）后，產(chǎn)品性能合格，間隙小于0.5°。

通過以上過程分析，研制的重載齒輪箱強度符合設(shè)計要求。

2.3 重載齒輪箱壽命試驗與驗證

針對本次電動執(zhí)行機構(gòu)國產(chǎn)化技術(shù)要求，仿真現(xiàn)場的實際運行工況，便于進行長期的變力矩周期性壽命測試，設(shè)計了400kN.m的液壓扭矩測試及壽命試驗裝置。同時，基于本公司電液執(zhí)行機構(gòu)的生產(chǎn)制造能力，使該裝置的設(shè)計制造順利完成并投入使用。

測試裝置原理基于雙齒輪齒條擺動油缸結(jié)構(gòu)，電動執(zhí)行機構(gòu)輸出端和擺動油缸齒輪剛性連接，執(zhí)行機構(gòu)運行帶動齒輪90°往復(fù)轉(zhuǎn)動，齒條驅(qū)動油缸活塞直線往復(fù)運動，通過控壓實現(xiàn)模擬閥門負載特性的目的。壽命試驗裝置原理如圖4所示。

圖4 壽命試驗裝置原理Fig.4 Principle of life test device

裝置技術(shù)參數(shù)如下：

齒輪齒數(shù)：Z=44，模數(shù)：m=8，油缸直徑：Db=250 mm

負載力臂：Da=Z×m=44×8=352 mm

油缸推力：F=P×S= 49062×P

油缸內(nèi)摩擦力：f≈0.3×49062×P ≈14719 N

圖5 工業(yè)性現(xiàn)場應(yīng)用Fig.5 Industrial field application

液壓系統(tǒng)壓力：P（MPa）

負載扭矩 ：T=(F+f)×Da=F×Da+f×Da=17270×P+5180

液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性對整個測試起著十分關(guān)鍵的作用，經(jīng)過試驗研制的大轉(zhuǎn)矩液壓測試裝置滿足了測試要求。

3 油氣管道電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用

3.1 主要技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)

智能一體化執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品完全滿足國產(chǎn)化技術(shù)條件，部分性能優(yōu)于技術(shù)條件。滿足產(chǎn)品數(shù)據(jù)單中規(guī)定的最惡劣操作條件下的閥門運行要求，最大控制轉(zhuǎn)矩大于1.5倍公稱轉(zhuǎn)矩的安全系數(shù)。內(nèi)部控制器的精度≤0.75%，執(zhí)行機構(gòu)和閥門配套后的整體精度≤0.85%。執(zhí)行機構(gòu)每次通電后開始自巡檢功能，確保設(shè)備可以正常工作。執(zhí)行機構(gòu)具有數(shù)據(jù)及事件記錄功能，所記錄各種參數(shù)及事件實現(xiàn)安全下載。OLED面板可實現(xiàn)自由調(diào)節(jié)，保證正視操作者，顯示與閥門、控制回路、執(zhí)行機構(gòu)本身的故障及報警。電動執(zhí)行機構(gòu)的防爆/防護等級達到ExdⅡCT4/IP68，大轉(zhuǎn)矩齒輪箱效率＞40%。

3.2 工業(yè)性試驗與應(yīng)用

國產(chǎn)化電動執(zhí)行機構(gòu)通過樣機鑒定驗收以后，在西氣東輸二線、三線部分場站上進行了一年以上的工業(yè)現(xiàn)場試驗，設(shè)置完全的工業(yè)現(xiàn)場運行條件，包括并網(wǎng)運行、現(xiàn)場操作、定期巡檢，產(chǎn)品完全符合工業(yè)性應(yīng)用要求。在主持方的推動下，國產(chǎn)化執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)在油氣開采、輸儲、煉化等領(lǐng)域獲得了批量應(yīng)用，得到了用戶的認可。

4 結(jié)束語

油氣管道電動執(zhí)行機構(gòu)的成功研制為油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化提供了有力支撐，產(chǎn)品通過精密設(shè)計和材質(zhì)優(yōu)化，解決了電動執(zhí)行機構(gòu)在低溫下的可靠運行問題，采用行星+包絡(luò)型蝸輪副結(jié)構(gòu)解決了低速重載減速器的效率和壽命問題，采用電液聯(lián)動技術(shù)為大力矩執(zhí)行機構(gòu)的測試和驗證提供了一種有效的試驗方案，油氣管道執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品及技術(shù)值得向其他領(lǐng)域推廣。