摘要：智能型電動執行機構作為(wei) 過程控製中的終端執行單元，除了其智能化功能外，可靠性更是客戶的重要需求。S係列電動執行機構在設計開發階段，對關(guan) 鍵零部件和技術的可靠性進行了充分的分析論證，並在產(chan) 品量產(chan) 前進行了大量的測試驗證，確保交付給客戶的產(chan) 品性能可靠、質量穩定。

電動執行機構是自動控製領域常用的機電一體(ti) 化設備，廣泛應用於(yu) 火電、石化、冶金、市政等領域。電動執行機構接受標準控製信號，輸出對應的轉角或者直線位移，從(cong) 而對閥門進行控製和調節，達到對被調參數進行調節的目的，如：溫度、壓力、流量、液位等，使生產(chan) 過程按預定要求進行，是過程自動控製係統中的重要執行設備。

電動執行機構一般都安裝在環境相對比較惡劣的位置，有時與(yu) 閥門一起安裝在半空，損壞時維修非常困難。電動執行機構一旦出現故障，輕則導致管路無法調節，影響生產(chan) 的正常進行，重則引起閥門損壞甚至生產(chan) 事故。因此電動執行機構的可靠性顯得尤為(wei) 重要，而產(chan) 品開發階段的可靠性設計是產(chan) 品穩定可靠的重要前提，量產(chan) 前的大量測試更是對產(chan) 品可靠性的驗證和重要保證。

下麵以G22恒峰S係列多回轉電動執行機構為(wei) 例，以其關(guan) 鍵組成部分及技術為(wei) 出發點，對其可靠性設計及驗證進行論述。

智能型電動執行機構的關鍵零部件及技術

電動執行機構主要由電機及其正反轉控製係統、減速傳(chuan) 動係統、手/電動切換係統、閥位檢測反饋係統、電氣控製係統等部分組成。電動執行機構的電機輸出運動與(yu) 動力，通過減速傳(chuan) 動係統將動力傳(chuan) 至輸出軸，輸出轉矩或者直線位移，帶動閥門動作。閥位檢測反饋係統實時檢測閥位，並將數據傳(chuan) 送至電氣控製係統。電氣控製係統根據接收的控製信號通過正反轉模塊控製電機的正反轉，使執行機構運行到指定位置。當執行機構在控製係統出現故障或者斷電的緊急情況下，可以通過手動係統將執行機構運行到所需位置，避免造成進一步的危害。

其中，減速傳(chuan) 動係統涉及到蝸輪蝸杆傳(chuan) 動技術，其可靠性及壽命直接決(jue) 定了執行機構在機械方麵的壽命。閥位檢測反饋係統中大小錐的有效齧合和絕對光電編碼器的正常運行是技術難點。手電動切換係統除了保證電動狀態正常切換到手動狀態外，保證手動操作者的安全也非常重要。當執行機構頻繁調節時，電機正反轉模塊需要良好的散熱性。在執行機構的故障點中，由上述技術點出問題而造成的故障占80%左右。因此，從(cong) 這些技術點出發，進行可靠性設計及驗證是確保執行機構性能穩定可靠的關(guan) 鍵。

執行機構的可靠性設計及驗證

l  減速傳(chuan) 動係統

S係列多回轉電動執行機構的減速傳(chuan) 動係統由一級蝸輪蝸杆齧合實現，蝸輪蝸杆傳(chuan) 動結構緊湊，傳(chuan) 動平穩，噪音低，是力矩傳(chuan) 動關(guan) 鍵零件。蝸輪蝸杆傳(chuan) 動的另外一個(ge) 重要特性是當導程角達到一定角度時，可以自鎖，即當執行機構停止運轉時，閥門在管道壓力的作用下也不能帶動蝸輪倒轉，從(cong) 而使執行機構穩穩的停在預定位置。蝸輪蝸杆性能及壽命的影響因素非常多，比如材料選擇、熱處理工藝、模數的設計等，同樣的箱體(ti) 結構及中心距，若三者不同，則其可靠性和壽命會(hui) 相差很多。

在S係列多回轉電動執行機構的設計過程中，對蝸輪蝸杆傳(chuan) 動的溫升、振動、疲勞斷裂等方麵進行了研究（核心期刊《機械傳(chuan) 動》發表論文3篇^【1-3】，申請專(zhuan) 利1項^【1】）。所有規格的蝸輪均采用了耐磨性能良好的鋁青銅，蝸杆也進行了調質及淬火處理。在測試驗證過程中發現，SY018-B（110N.m）、SY025-B（450N.m）、SY040-B（1200N.m）規格產(chan) 品的蝸輪蝸杆壽命均超過了國家電力行業(ye) 標準《電站閥門電動執行機構》規定壽命的5倍以上（調節次數大於(yu) 100萬(wan) 次），達到了國內(nei) 領先的水平。但SY035-B（610N.m）規格產(chan) 品的壽命是20多萬(wan) 次，雖然達到了國標要求，但是與(yu) 其他規格產(chan) 品相比，還有不少差距。

分析發現，由於(yu) 蝸杆剛度不足，傳(chuan) 動中振動較大等原因造成了SY035-B（610N.m）的壽命相對較短。於(yu) 是根據現有其他規格產(chan) 品的測試數據，在不調整現有箱體(ti) 及中心距的情況下，對蝸輪蝸杆參數重新進行了設計計算，其蝸杆橫向受力及剛度的計算過程如下：

由蝸杆受力計算公式可以得到：

根據剛度條件：

`

蝸杆危險界麵的慣性矩：

其中：

則蝸杆最大撓度與(yu) 許用最大撓度的比值為(wei) ：；

雖然i＞1，但是目前文獻中關(guan) 於(yu) 蝸杆剛度計算的公式中均未引入壽命參數，而且電動執行機構中蝸輪蝸杆的使用工況與(yu) 常規產(chan) 品不同，為(wei) 了確保改進設計後蝸杆壽命合格，對其餘(yu) 規格產(chan) 品的蝸杆參數進行了統計比較，發現i均大於(yu) 1.624；同時也發現改進前的蝸杆i=7.845，與(yu) 其餘(yu) 規格相比大得多。

蝸輪的齒根彎曲強度和齒麵接觸疲勞強度經校核後，均符合要求。根據計算結果，將蝸輪蝸杆的模數由原來的2.2mm調整至2.1mm，其餘(yu) 參數及其他零件未變，經壽命測試驗證，改進後的蝸輪蝸杆壽命提高到5倍，使執行機構的調節次數達到110萬(wan) 次，超過了國家標準規定的5倍以上，從(cong) 而使執行機構的可靠性及壽命大大提高。

l  閥位檢測反饋係統

閥位檢測反饋係統主要包含了大小錐齒輪傳(chuan) 動和絕對光電編碼器，是通過二者結合將執行機構輸出軸的轉動圈數（即閥門位置）反饋至電氣控製係統。

ü  錐齒輪傳(chuan) 動的可靠性設計

大小錐傳(chuan) 動的兩(liang) 個(ge) 齒輪呈90°交錯安裝，滿足了改變傳(chuan) 動方向的需求。但是由於(yu) 結構限製，大小錐又不能完全固定，如果大小錐齧合太多，則會(hui) 導致卡死，無法正常傳(chuan) 動；如果齧合太少，會(hui) 導致跳齒或者脫齒，閥位無法檢測，執行機構停止運行或者閥位過衝(chong) ，嚴(yan) 重時會(hui) 損壞閥門，因此大小錐齒輪安裝距的可靠性設計尤為(wei) 重要。其中SY018-B（110N.m）規格產(chan) 品由於(yu) 大小錐結構尺寸小，理論齧合高度隻有1.52mm，對裝配設計的誤差要求高，在產(chan) 品研發測試階段出現了個(ge) 別傳(chuan) 動脫開現象。針對此隱患，設計分析後發現由於(yu) 深溝球軸承存在一定的軸向遊隙（一般設計中是不考慮的），開閥時，由於(yu) 蝸輪軸受到向上的力，會(hui) 帶動大錐一起向上移動，導致大小錐齧合高度變小而脫開，因此在大小錐的齧合尺寸鏈計算中需要考慮軸承軸向遊隙的影響。其齧合尺寸鏈的計算過程如下，將大錐的安裝距作為(wei) 封閉環（軸承考慮軸向遊隙後，軸向寬度為(wei) :）：

A=138-11.3-12-108+83.6+9.5-1.5-79=19.3,

上偏差:ES=0.1-(-0.1)-(-0.25)-(-0.15)+0.2+0.2-(-0.15)-(-0.05)=1.2,

下偏差:ES=0-(-0.05)-(-0.1)-(-0.05)+0.1+0.1-0.05-0.05=0.4,

則，

即大錐齒輪裝配後的實際安裝距是19.7～20.5mm,此時大小錐齒輪的兩(liang) 個(ge) 極限齧合齒高為(wei) 0.42mm～1.26mm，如果衝(chong) 擊過大或者製造誤差較大，則有脫開隱患。根據計算結果，綜合考慮既不能卡死、也不能脫開，將大錐齒的實際安裝距向小錐齒輪方向調整了0.3mm，經過近500台的實際測試驗證，沒有出現大小錐卡死或者脫開的情況，保證了產(chan) 品的可靠性。

ü  絕對光電編碼器的可靠性設計及驗證

絕對光電編碼器是集機、光、電、材料等技術於(yu) 一體(ti) 的複雜零部件，采用16位光電格雷碼。相比其它編碼器或者閥位采集方式，不但精度高，而且在執行機構掉電情況下運行，依舊可以正確記錄碼值，閥位不丟(diu) 失。絕對光電編碼器的箱體(ti) 及計數齒輪由於(yu) 結構複雜，一般都采用注塑件，在高溫環境中難免會(hui) 產(chan) 生熱脹冷縮，引起計數齒輪卡死或者計數通光孔偏離位置，導致編碼器無法正常采集碼值。此外由於(yu) 發光二極管的光強會(hui) 隨著時間衰減，如果物料選型不合格或者電氣參數選擇不合理，將會(hui) 導致絕對光電編碼器碼值采集出錯。正是因為(wei) 絕對光電編碼器技術複雜、高溫環境中使用的易出錯、成本高等特點，很多執行機構廠家不得退而求其次，采用不能在掉電情況下記錄閥位的增量式編碼器。而一些使用了絕對光電編碼器的執行機構，也常常由於(yu) 此零部件的原因導致執行機構出現故障。

G22恒峰股份的絕對光電編碼器在研發階段也曾受此類故障困擾，後從(cong) 產(chan) 品可靠性和本著對客戶負責的態度出發，下決(jue) 心對注塑件的抗變形技術及采集電路進行研究（申請發明專(zhuan) 利1項^【2】、軟件著作權2項^【3-4】），從(cong) 設計的源頭上保證G22恒峰絕對光電編碼器的性能穩定可靠，注塑件采用特殊材料並對零件進行抗變形處理，並選用高品質發光二極管，解決(jue) 了此難題。

為(wei) 了驗證改進後產(chan) 品的可靠性，製作了最高溫度可達130℃的高溫老化箱及絕對光電編碼器老化工裝，見下圖。考慮到執行機構在使用現場任意位置安裝，絕對光電編碼器老化工裝設計為(wei) 可以滿足絕對光電編碼器側(ce) 裝（輸入齒輪在上）、側(ce) 裝（輸入齒輪在上）、正裝、倒裝四種測試工位，高溫電機通過變頻調速後帶動絕對光電編碼器依照設置速度運行，在控製界麵可以實時監控每台被測絕對光電編碼器的碼值跳變情況，並帶有停轉報警及碼值跳變報警功能。測試驗證時，將200台絕對光電編碼器安裝在老化工裝的四種工位上，置於(yu) 高溫老化箱中，分別在20℃常溫、85℃高溫下，模擬絕對光電編碼器在執行機構上的實際壽命進行長期性能測試。驗證結果表明：在高低溫環境中，每個(ge) 安裝工位上的絕對編碼器在均能在設計壽命期內(nei) 正常運行，無機械卡死或者碼值跳變，驗證了產(chan) 品的可靠性。

       高溫老化箱       絕對光電編碼器老化工裝

l  手電動切換係統可靠性設計