工业阀门电动装置的优化设计.pdf

阀 门 2 0 0 1 年第 6 期 文 章编 号 1 0 0 2 5 8 5 5 I 2 0 0 1 】0 6 0 0 1 4 0 3 工 业 阀 门 电 动 装 置 的 优 化 设 计 张 建 中 山东 科技大 学 ． 山东泰 安2 7 1 0 2 1 摘要从优化结构 方 面阐述 j电动装置 的机 械传动部件 和 电气控 制部件 的传 统及 现 代 设 计 方 法 。 关 键词电动装 置 ；优化设 计 中圉分 类 号 TM9 2 1 ． 0 2 文献 标诅 码 A The op t i m a l d e s i g n f o r e l e c t r i c a l l y d r i v i ng de v i c e of i ndu s t r i a l v a l ve Z HANG J i a n z h o n g S h a n d o n g Un i v e r s i t y o t S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ．Ta h n 2 7 1 0 2 1 ．C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ． t a k i n g v a l v e ’ s e l e c t r i c a l l y d r i v i n g d e v i c e a s a b e g i n n i n g ． De s c r i b e s i mp l y t h e t r a d i t i o n a l a n d mo d e m d e s i g n me t h o d u s e d i n t he d e s i g n o f ma c h i n e r y p a r t s o f e l e c t r i c a l l y d r i v i n g d e v i c e l a n d t h e n ， s t a t e t h e c o n t e n t o f o p t i mu m d e ig n i n ma c h i n e r y o o n s t nl c t l o n． Ke y wo r d s e l e c t ri c a l l y d r i v i n g； d e v i c e o pt i ma l d e s i g n 1概述 在 水利 、电力及化工行 业，应用着大 量 的 不 同种类 的 阀门 ．如 截止 阀、闸 阀和 蝶 阀等 。 在对 阀门实现远 程控制 、集中控制和 自动 控制 的过程 中，阀 门电动装置 是一种必不可少 的执 行部 件。通 过对 国内外 同类产 品的分析研 究发 现 ，国内正在使用 的各 种电动装置普遍存 在 着 设备庞 大．结构 匹配不 合理，关键 部件 加工精 度低和 故障率居 高不下 的缺陷 。对 现行 装置 的 设计进 行优 化配置 ．正 确分配其加工精度 ．合 理使用 现代 自动控 制 元件 ，是提 高产 品 质量 、 减 少事 故 发生 率和 增 强 国 际 间竞 争 的 最佳 途 径。 2 机械结构的优化设计 电动装 置中的机械传动部 件的设计是 影响 该装置性 能的关键 因素， 因而 机械设计 的合理 程 度直接 影 响整机 的性能和加 工成本 。将 电动 装置 的 每个 设 计 方 案 分 为技 术 价值 与 经 济 价 值 ，进行合理 匹配 ，以最 大技 术价值 和经济 价 值 确定最优设计 方案 。 电动装置 机械传 动部 分均采用 蜗杆传动与 普通的齿轮传 动相组 合的结 构形式 。 图 1为列 米托克 I A ml t o r q u e 公 司 I 1 2 0系 列 阀 门 电 动装置 的典 型结 构 ，主要 包括 专用 电动机 、减 速器 、行程控制 机构 、转 矩控制机 构 、开度 指 示和手 电动 切换 机构 等。 为满足 阀门开 启时较 大 的开启力矩，该 电 动装置选甩 了阀 门专用三相异 步电动机。 时间 定额是 以 短 时工 作 制 为 基准 ． 时限 为 1 0 rai n ， 满压直接启 动。 由于电机工作时 间短， 因而 可 短 时满 负荷运行 。设计 时除考虑 最 大转 矩所 需 功率 外 ，其他 功率损耗 不应作 为增 大 电机功 率 的主要 因素 。这样，可 从减小体积 入手 ．优 化 整 机结构，无论 从机械 加工成本 ，还是 从 材料 作者简升张建 中 1 9 6 0 一 ，男，山东焦作．副教授．从 事机械 C A D ／ C A b 1 方面的研究。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 6期 阀 门 使用方面 ．都 是合理 和经 济的 。 1 ． 开 度 指示2 、5 减速 器3 ．罔 门专 用电机 4 ． 手动机构6 ． 手电动切换机构7 转矩控制机构 图 1 L i n fi t o r q u e公 司 L1 2 0系 列 阀 门电动 装 置 阀 门电动 装置 的减速 部分 是优化 设计的关 键。传统 的传 递 扭矩 减速 结构 第 一级 采 用 齿 轮 传动 ，第二级 为蜗杆传动 。通过 蜗轮 将扭 矩 传递到阀 门矩形 螺纹螺 杆上，驱动 阀门实现开 关 或调整。此结 构仅适 用于小 通径的 阀门．对 于 中等通径 以上 的阀 门，该传动结构 显得 电动 装置庞大而笨拙 。 为满足较 大通径 阀 门关 闭 和开 启的需 要， 长 期 以来选 用 大功率 电机满足大力矩要 求。这 样虽然机械传 动部分路 线较短 ，但给整机 加工 制 作的精度保证 及检 修都 带来不便 。如 减速 部 分 庞大 的体积 ，高精度 的机 械加工制 作难度 很 大，成本很高。加之以机械部分的行程控制机 构 ，转矩控制机 构 、开度 指示 和手 电动 切换机 构 的一体 化设计 ，给 保证 其准 确 的机 械位置 关 系带来不便。因此对不同通径的阀门．采用了 不 同的优化设计方 法。 ①小通径 阀 门以 满足最大扭 矩为 主要 目 标 ，考虑在 满 足强 度 的情况 下 缩 小传 动 空 间， 尽可能减小体积和整机质量。由于其最大力矩 要求较小 ． 电机可沿 用传统的选 用方法 。为缩 小 传动部 件的体 积．蜗 杆传动 反程 不得 自锁 的 要 求选 用加大蜗杆 模数 以增 大导 程角的设计方 法 。这 一设计思路 可在 国际 Au ma 公 司 、I i m i t o r q u e公司和 Ro o r k公 司 的产 品中得 到 印证 。 采 用单 头 蜗 杆 传 动 设 计 的产 品．外 形 小 巧 美 观 ．简 单实用 。在精 度协调方 面 ，由于体积较 小．精 度高低部分 在设计 中予 以严 格区分 以利 于 降低 加工成本 的意义不大 。因而 ，设计 精度 趋 于 一 致 。 ②中通径 以上的 阀门。机械部分 在满足 力矩 的条件 时 ，可采 用 2种设 计方 法 。一种是 选 用大 功率 电机 ，同时采用 传统 的机 械传动方 式 。特点是 阀 门 关 闭 速 度 快 ， 电 机 运 行 时 间 短 。但体 积庞大 ，高 精度零 件与低精度 零件 体 积均较 大，加工 费用高 ，不利 于提高控 制精度 和 降低 生产 成本 ，同时也不利 于设备 的结构 优 化。另外 一种 是 采 用 机 械 精 度 分 档 优 化 设 计 法 。对 于精度较高 且故障率较 高零部 件单独 设 计 ，并 尽可能地简 化结 构和缩 小体积 ，以利 于 高 精度 加工 、降低成 本和检修 难度。动 力部分 使用小 功率 电机驱 动 ．减速 器 采 用大 传 动 比。 特 点是 电机运行 时间长 ，但这 样 的设计不仅 减 小了转 矩控制机构 、手动机构 及相关机 械结 构 的设计及 加工难度 ，而且 降低 了电器 自动控 制 的生产 难度和检 修难 度 ，有利 于 自动控制 实现 数字化 。 图 2是 德 国奥 马 AUMA公 司 生 产 的 大通径 阀 门电动装置 齿轮减速 部件。在 该装 置 中，设计 者将精度要 求较 低 的齿轮 减速 传动部 件独立 设计 为一个部 件 ，同时 使用了大 传动 比 减速 ，减小 了故 障率较 高 的零 部件尺寸 。使 检 修工作变得简单易行。另外， 由于使用了大传 动 比减速 装置，选用 的 电机功 率减小 。手 动操 作简单 易行 。图 3为 与减速部 件配 套使用的部 件 。该部分 减速 器制 作精 度 中等 ，加工条 件较 为成熟 ，机械 加工难度 小，适 合于一般 机械 加 工生产 厂家 ，有利于企业 之 间的合作生产和 降 低 生产成本 。 ③为简化结构，降低加工难度。同时有 利于标准化 、系列化和通 用化 ．将 电动装置 中 除齿轮 传动 以外 的部件通 用化和 系列化．在 某 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 一 1 6 阀 门 2 0 0 1 年第 6期 阀门通径 范围 内可通用 同一 种型号部 件，而使 用不 同传动 比的减速 器改变力 矩， 以满足不 同 通径 的要 求。这样 电动 装置 的不 同参 数的设计 重点转 移到减速器 的设 计 ，而减速器 的系列 化 设计难度要 小的 多。 图 2奥 马 A UMA公 司大通 径 阀 门 电动装 置 齿轮 减 速部 件 图 3与大 通径 阀 门 电动 装 置 中减速 部 件 相配 套 的 电动 装置 前部 3 电 器部分 的优化设 计 实现了 阀 门电 动 装 置 的 机 械 部 分 优 化 组 合，再 将用 于控 制 阀门 自动 开关的 电器控制 元 件及接 口元 件优 化配置 ，达 到技术完善 ， 自动 控 制稳 定可 靠的 目的。 阀门 电动装 置 的 电器控 制 包括 行 程控 制 、 开度指示 及力矩控制 3部分 。其中采用 程序 逻 辑控 制 P L C控 制 是 发 展 方 向。 行 程 控制 和力矩指 示是 电器控 制的关 键 所在 。传统的行 程控制是 采用计数器形 式。通过计 数的方法将 阀 门螺杆 的 回转 圈数记 录下来 ，作 为控制 电机 开闭的一 种依据。然而 ， 由于开关 阀 门的特殊 性 ，单纯 的行 程控 制并 不能 完全保证 阀 门是否 关 闭到 位。因而 ，力 矩控 制成 为阀 门关闭是否 成功的重要 依 据 。开度 指示 使 操 作 直观 方 便。 尤其调 整中的执行机 构，开度 指示是操作 者的 参 考依据 。 在使用 程序控 制方 面，西 门子 s i e me l l s 公司已将一种现代的控制技术应用到了阀门电 动装置上 。用变频 技 术成 功满 足了 阀门在 启闭 过 程中的力矩 变化 。行 程控制也摆 脱 了传统 的 机械计数模 式，而采 用了稳定 可靠 脉 冲计数 方 法，使得 电动 控制装置 电路 高度集 成 。图 4为 西 门子程序逻 辑集成控制 系统 。 图 4 西门子 s i e n me n s 公 司 电动 装置 程 序 逻 辑 集成 控 制 系统 由于 开度 指 示 作 为 开 启 和 关 闭 阀 门 的参 考 ，与行 程控制和 力矩控制相 比，其控 制精度 也可 以略 低。 因而 ，用衰减较 小的 电流信号作 为数码显示 或液 晶显 示的信号 反馈而显 现的设 计 并不难 。 如有可 能加装红 外线智能遥 控装置 ，使整 套 电动 装 置 不 仅可 以实 现 集 中 控制 和智 能控 制 ，还可 以实现高危 环境远程遥 控。 4结论 对我国的阀 门电动 装置进行 优化 设计 是必 要的。面对高质 量的 国外产 品，摆在 我 们面前 的 只有努力 完 善 自己，不 断汲取 同类 产 品的长 处 ，提 高产 品的科技含 量，才能 够面对 加 入世 贸组织带来的机遇 和挑 战。 参考文献 1 国外有关产 品样本[ z 收 稿 日期 2 0 0 1 ． 0 5 i S 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载