对高温环境中电动执行机构的设计研究*

顾 萍，李 超，吴小龙，陶光海

(1.南京科远智慧科技集团股份有限公司，江苏 南京 211102； 2.南京拓耘达智慧科技有限公司，江苏 南京 211102；3.江苏省热工过程智能控制重点实验室，江苏 南京 211102)

0 引 言

电动执行机构作为阀门的一种驱动装置在高温环境中使用时普遍会发生元器件快速老化甚损坏、密封件失效、电气腔进水和零件松动、脱落等异常，进而导致电动执行机构很快就无法使用的问题。为了从设计上解决这一问题，笔者设计并生产了耐高温系列电动执行机构，经过应用验证，满足了最高环境温度105 ℃下长期使用性能和寿命要求。

1 总体设计方案

高温型电动执行机构的总体设计包含两大部分，一是终端控制单元的分体化设计，二是机械驱动单元的高温化设计。

1.1 分体化设计

分体化设计就是将机械驱动单元与终端控制单元分离[1,4]，中间用电缆连接传递电源和信号，如图1所示。机械驱动单元直接与阀门连接，包含机械壳体、电机、蜗轮蜗杆传动件、手自动切换系统、阀位采集部件、外部接线端子、内部转接端子。终端控制单元在远离机械驱动单元的地方，与机械单元支架用两根电缆连接，一根电缆传递电源、另一根传递信号，终端控制单元安装在一个人机环境比较好的地方，便于人员操作和维护。控制单元包括电气壳体、电气结构件、电源板、主控板、电机正反转控制模块、操作面板等其他电子器件。

图1 电动执行机构分体化控制系统

1.2 高温化设计

机械驱动单元以及连接电缆的一部分完全处理高温环境中，为了让其能在高温环境中满足执行机构功能和性能，对电机、编码器、外部接线端子、内部转接端子、密封件、塑料件、电线、电缆、电缆固定头进行了耐高温设计，并分别进行了长达30天的单元测试和系统测试，让机械驱动单元满足长期在105 ℃下使用的要求，性能满足GB/T26155[1]、DL/T 641-2015[2]的规定。

2 高温电机设计

为了让电机能长期在105 ℃环境下使用不报警、不损坏，将电机的绝缘等级由F级升级为H级，将内部的非金属材料(例如漆包线、润滑脂等)全部更换为耐高温材料，最高长期耐温165 ℃；对铁芯做了加长设计，提高了电机运行效率从而降低温升；将内部温度报警开关设计为165 ℃，即电机在105 ℃环境下保证在60 ℃温升以内不报警。

分别在环境温度为25 ℃和105 ℃中，分别对4个型号的三相电动执行机构按照标准[2-3]进行了S2和S4工作制的温升测试，结果如表1所列，105 ℃环境温度下的电机温升相对25 ℃环境温度下的温升均下降超过30%；按照105 ℃环境温度下最大温升为25.6 ℃可得电机最高温度为130.6 ℃，而电机设计及温度报警开关为165 ℃，设计安全余量为34.4 ℃。

表1 25℃和105℃环境温度下的电机温升对比

在环境温度为105 ℃的试验箱中对执行机构带载能力进行了测试，在降压10%的条件下均能满足额定带载启动；用DCS对高温箱里带载运行的执行机构进行远程控制和运行监控，高温电机按S4工作制运行，从DCS上输出的运行曲线和输入的信号曲线完全吻合，且无任何异常波动，如图2所示。

图2 电机驱动信号与反馈信号时序图

3 对外接线端子的耐高温设计

为了让机械驱动单元的接线腔独立，即在接线时因开盖而不会导致水汽进入电机或内部转接电控腔，将机械驱动单元的接线端子盘设计成密封的整体，即所有金属端子钳件与绝缘体之间满足IP67密封。本文设计了两种耐高温密封接线端子，一种是注塑径向密封端子盘、另一种是组合式端面密封端子盘，注塑径向密封端子盘适合大批量产品采用，组合式端面密封端子盘适合小批量产品采用。

3.1 注塑径向密封端子盘

注塑径向密封端子盘由若干铜钳件、O型圈和塑料组成，如图3。钳件上有3道V型沟槽，如图4所示，在头尾两个V型沟槽上均套上O型圈，O型圈凸起比例为50%，O型圈材质为氟橡胶，钳件中间的V型槽用于注塑填充，使钳件与塑料结合后轴向方向的限位更好；注塑材质为PC，钳件材质为H62铜。对该端子盘进行多样本长期性测试，在经过30天的高低温交变测试后，测试仍然满足IP68防护等级。

图3 注塑径向密封端子盘结构示意图

图4 注塑径向密封端子盘铜钳件

3.2 组合式端面密封端子盘

组合式端面密封端子盘由绝缘盘体、铜螺柱、环氧树脂、O型圈、组合螺钉和螺母组成，如图5所示。铜螺柱采用H62铜材质，组装时将O型圈套到铜螺柱上，铜螺柱外螺纹拧入到绝缘盘体的内螺纹上，O型圈被压缩，压缩率为30%，O型圈材质为氟橡胶，绝缘盘体的材质为聚四氟乙烯；当绝缘盘体上的铜螺柱全部安装好后，向绝缘盘体和铜螺柱之间的空间内灌注环氧树脂胶，待12 h后胶干燥，铜螺柱和绝缘盘体即形成了一个牢固的整体，铜螺柱作为接线端子两端接线分别采用组合螺钉和螺母，如图6所示。

图6 组合式端面密封端子盘实物图

图5 组合式端面密封端子盘结构示意图

该组合式端面密封端子盘所有材料设计均为耐温不小于150 ℃，对该端子盘进行了多样本长期性测试，在经过30天的高低温交变测试后，测试仍然满足IP68防护等级。

4 关键零部件耐高温设计

为了让机械驱动单元能在高温环境中精确地采集阀位信息，开发了耐高温12位多圈绝对值编码器，在可程式恒温恒湿试验箱内进行了多样本长期性测试，如图7所示。温度循环范围为-25～+105℃，循环程式如图8所示。

图7 绝对值编码器耐高温测试

图8 高低温交变试验环境温度循环程式

高温型电动执行机构机械驱动单元包括3个相互密封隔离的内腔：机械腔、电气腔和接线腔。机械腔与外部用骨架和O型圈密封、机械驱动单元中用于防止漏油及外部水汽进入的密封件包括O型密封圈、骨架油封和电缆固定头，O型密封圈和骨架油封均采用氟橡胶材质，电缆固定头采用外壳为不锈钢材质、内部密封圈为硅橡胶材质，并在整机上进行多样本测试，在经过30天长期S4工作制运行后再进行防护等级测试，仍然满足IP68防护等级。

连接机械驱动单元和终端控制单元的动力线电缆与信号线电缆均选择了耐高温阻燃电缆，电缆的最高环境温度均为130℃，信号线电缆在阻燃层和线芯之间还增加了电磁屏蔽层，如图9所示，使得信号在最远50m的范围内传输不受干扰，最大效果的保证了远距离传输的可靠性和稳定性。

图9 耐高温信号线电缆结构示意图

显示窗、出线口堵头以及内部转接端子均采用耐高温塑料，显示窗采用透明PC材质、出线口堵头采用PA66材质，内部转接端子绝缘塑料采用PC材质；并进行了多样本长期性测试，在经过30天的高低温交变测试后仍然无任何异常。

5 终端控制单元分体式安装设计

终端控制单元将被安装在一个人机环境较好、人员观察和操作均比较方便的地方[5-7]，距离机械驱动单元最远可达50 m。终端控制单元包含防护外壳、安装支架、显示面板、操作面板以及内部电气部件。其中，外壳防护等级可达IP68；安装支架的设计兼顾了现场安装环境的所有可能，例如墙面安装方式、水平管道安装方式和竖直管道安装方式，如图10所示,显示面板和操作面板简洁大方。

图10 终端控制单元分体式安装示意图

6 结 语

高温型电动执行机构解决了高温环境下阀门的驱动问题，具有耐高温、远距离稳定传输、控制精度高的优点，其在105℃下使用的功能、性能及寿命均满足标准规定；并且，在解决了耐高温问题的同时，同时也解决了人员观察、操作和维护难的问题，人机环境优于一体式电动执行机构。