浅谈电动执行器的选型应用及发展趋势

付建林

摘要： 介绍了国内电动执行器的应用现状及国际智能电动执行器的发展状况，指出电动执行器结构、原理、选型和应用，并给出相应的日常维护保养建议。

Abstract： The application status of domestic electric actuators and the development status of international intelligent electric actuators are introduced， and the structure， principle， selection and application of electric actuators are pointed out， and corresponding daily maintenance suggestions are given.

关键词： 电动执行器;原理结构;现状;应用及案例;困难;日常维护;发展趋势

Key words： electric actuator;principle structure;status quo;application and case;difficulty;daily maintenance;development trend

中图分类号：X505                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0076-03

0  引言

电动执行器是自动控制系统不可缺少的重要组成部分，是工业过程控制系统中一个十分重要的驱动装置。它是利用电力能源作为动力，接受一定的信号并将其功率放大后，将其转换成输出轴相应的转角或直线位移，来推动各种控制机构完成作业过程。其具有其动力取用方便、安装调试简单等特点，在石油、化工、煤炭等多个工业领域中得到应用。

1  电动执行器的基本介绍

1.1 电动执行器的种类很多，主要有以下两种分类方式。

①按照执行器运动形式不同可以分为3类见表1。

②根据阀门的作用不同又可将分为开关型和调节型两大类。主要区别：开关型一般是实现对球阀的开或关控制，对介质流量不需要精确控制。而调节型既具有开关型的结构，还要能够精确调节介质流量。

1.2 电动执行器结构和工作原理

電动执行器主要结构如图1。主要由伺服电机、机械减速和位置发送器三部分组成。①减速箱包括底座、齿轮、手轮、涡轮蜗杆、出轴、联轴器等。②电机包括直流电机、单相电机、三相电机、变频电机等。③位置发送器，主要是接收和输出位置电流信号。

工作原理如图2。

1.3 电动执行器的优点和缺点

优点主要有：动力源取用方便;信号灵敏度和精度高，且传输距离远，便于控制;安装方便、接线简单;还具有抗偏离能力强的特点。

缺点主要有：结构较复杂，容易发生故障，对维护人员的技术水平要求高;调节太频繁，容易造成电机和电气元件过热烧坏，也会加大对减速齿轮的磨损;还有运行较慢的缺点。

2  国际、国内发展和使用状况及目前面临困境

2.1 国际发展和使用状况

自1929年 LIMITORQUE公司制造出了世界上第一台电动执行机构以来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。由于互联网等高新技术的迅猛发展，目前国外新型智能化电动执行器已经具备了智能化、信息化、自动化等高精尖技术，还有防水防爆等新功能。

2.2 国内发展和使用状况

我国电动执行器的研制起步较晚，开始是从苏联有触点的执行机构进行仿制的。后来逐步开发了DDZ-II型和DDZ-III型两种产品。80年代以来，又开发了无触点的 DKJ型角行程和DKZ型直行程两款。随着现代工控计算机管理的应用发展，我国多数产品也实现了智能化，但与国际先进的智能化电动执行器相比，仍存在控制方式落后，可靠性不高，不能连接网络、不能远程控制等问题。

2.3 国内电动执行器发展面临的困境

①生产企业规模小、产品技术含量低，更新换代慢。

目前，我国电动执行器生产企业约有几千家，年销售收入超过一个亿元的仅有几家。这种小规模的企业经济基础差，竞争能力弱，与同行业国际知名企业的竞争就更加困难。产品大都属于一般技术含量或劳动密集型产品，引入的工业新技术少，产品更新换代慢。

②企业管理水平低下，技术人员欠缺新知识。

企业技术管理人才短缺且管理水平低，研发和管理上投入少，缺少专项培训，技术人员对国际新技术掌握欠缺，导致电动执行器的发展很难跟上国际步伐。

3  电动执行器的未来发展方向

电子、计算机及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器快速更新换代。控制精度将越来越高，使用环境越来越广，功能越来越强，可靠性越来越高的新技术将被应用在各行各业中，以适应不断的社会发展需要。未来先进的电动执行器具备以下新技术：

①数字化、智能化;②微型化、一体化;③网络化、信息化。数字化、智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，因此数字化和智能化电动执行器将应用现代控制理论的先进算法来提高控制性能。微型化和一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化，减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。电动执行器的发展也应以工业局域网技术为基础，具备与其它控制设备间的互联连接能力，提高信息传播的速率和范围，扩大其应用领域。

4  电动执行器选型步骤

第一步：电动执行器的类型选择：①首先根据需要的阀门种类来选择电动执行器的类型：阀门的种类很多，工作原理也不一样，有些以转动阀板角度实现开关控制、有的以升降阀板来实现启闭开关控制。所以选用电动执行器配套时要先应看阀门的类型，看需要哪种控制方式。②再根据生产工艺要求来确定电动执行器的控制模式：是选择开关型（开环控制），还是选择调节型（闭环控制）。第二步：根据阀门开、关所需的扭力确定电动执行器的输出扭力：需要先了解阀门启闭所需的最大扭力，再依据扭力选择输出扭力适合的电动执行器。阀门正常启闭所需的扭力由阀门口径大小、工作压力等因素决定。第三步：根据所选电动执行器确定电气参数：因不同执行器厂家的电气参数有所差别，所以设计选型时需要电气方面人员确定其电气参数（主要有电机功率、额定电流、二次控制回路电压等），往往在这方面的疏忽，结果控制系统与电动执行器参数不匹配造成工作时空开跳闸、保险丝熔断、热过载继电器保护起跳等故障现像。第四步：根据使用场合选择外壳防护等级、防爆等级。第五步：选择合适的减速箱或推力转换装置。

在相同功率情况下，使用减速箱放大力矩同时，转速就会减少，会使阀门行程时间变长，所以选择减速箱的减速比时，应在保证阀门正常开关和满足行程时间两者之间，选取中间最佳值。厂家输出装置的螺纹摩擦系数、螺距等都不同，要选择合适的推力转换装置。

5  电动执行机构参数计算

电动执行机构输出力矩大小和特性是选型最主要的参数。

5.1 确定阀门最大操作力矩

阀门操作力矩是指阀门开启或关闭时所需的力矩，与阀门的结构形式、口径大小、工作压力和摩擦系数等相关。力矩数值可以通过查阅相关资料和询问阀门生产厂家等方式获取。

5.2 确定电动执行机构输出力矩

输出力矩是电动执行机构的重要参数，具体数值可以通过功率和转速的计算公式得出。值得注意是，在实际应用中，操作压力、温度、介质密度和黏度这些影响因素往往是波动的，导致实际阀门开启、关闭力力矩有很大变化。为了满足稳定工作要求，输出力矩一般预留至少1.2～1.5倍的安全系数。

参数的计算可以按照如下公式计算：

执行机构力矩=阀门推力*安全系数（1.2～1.5）

执行机构全行程圈数=阀门行程高度×圈数行程系数

执行机构全行程圈数=阀门行程高度×圈数行程系数

力矩推力系数——直行程输出装置的输入力矩和输出推力的比例系数，N·m/kN;

圈数行程系数——直行程输出装置的圈数和行程的比例系数r/mm。

6  电动执行器在我公司应用情况

使用案例一：用于105型节流阀试验中。

⑤复核阀杆强度。

根据阀门供货商提供的阀杆强度为429N·m，大于执行机构的整机输出力矩。

⑥根据现场条件选用额定频率50Hz、额定电压380V、额定电流2.3A，外壳防护等级IP67的电动执行器，电气参数指标符合我们的项目设计要求。

选型结论：选择SMC03型可以满足使用要求。

使用案例二：用于泥浆泵实验台节流管汇上。

我们的产品泥浆泵要在试验台上进行出厂试验，试验最高压力为101MPa。原来都是由操作人员旋转节流阀阀门来调控压力。试验台空间狭窄，管汇压力大，容易泄露，对人身安全存在很大的风险。通过计算节流阀的最大扭矩和转换装置的选用，选取适合的电动执行器，设计连接装置完成连接安装后，又设计并安装了操控平台和移动操控车，实现远程操控。既提高了生产效率，又增强了安全性能。

7  电动执行器的日常检查和维护保养

为了安全、可靠、有效地使用电动执行器，避免出现因电动执行机构失灵导致管汇压力剧增引发事故，我们为使用单位编制了《电动执行机构使用维保规范》，规范重主要包括以下几方面内容：①日常检查要点：电动执行机构使用前需要检查：1）检查执行机构是否能正常运行，关到位和开到位是否正常;2）檢查电气线路、电源开关、安全限位是否安全可靠;3）检查齿轮箱润滑情况，是否润滑正常;

4）检查手轮手动方式是否正常;5）检查执行机构是否显示报警信息;6）检查执行机构制动动作是否正常，制动是否可靠;电动执行机构使用中需要注意：7）检查执行机构运行时电机的转动声音是否平稳正常;8）检查执行机构运行时电机的温升情况，是否正常。

②维护保养要点：1）加强润滑和清洁度的管理。电动执行器使用润滑油，其粘度随油温变化而变化。如果粘度过低，会使涡轮蜗杆及齿轮等传动部件的磨损增大，造成传动精度下降;如果粘度过高，会影响正常动作，造成零部件损坏。另外，涡轮蜗杆等传动部件磨损、老化产生的铁屑、杂质、水分的渗入，会造成内部出现涂层的脱落、锈蚀，这些因素都会影响润滑油的清洁度。2）及时解决润滑油脂泄漏问题。由于电动执行器动作频率高、速度快，容易引起振动，这些因素极易导致润滑油脂泄漏，一旦润滑油脂泄漏，需要及时加以解决，避免出现事故。3）提高使用和维护人员的专业水平。使用和维护人员专业水平高，可以提前发现隐患，及时消除故障，他们掌握知识程度直接影响执行机构维护管理质量。因此需要加强自身学习，努力提高技术水平，单位应提供需要的专业培训。4）改善电动执行机构的工作环境和使用条件。电动执行机构的可靠性和寿命长短与使用情况、所处的环境条件、人员素质等因素有着直接的关系。在管理上改善其工作环境与使用条件，使之延长寿命。

③电动执行机构的常见故障：1）电动执行器指示灯的故障：在电动执行器通电的情况下，指示灯出现不亮的情况，就是通过信号动作，也起不了作用，这个时候应当要检查保险管是否完好，如果完好，通过综合故障的分析，那么很有可能会是伺放板的电源部分出了故障，接下来再通过万用表来检测指示灯，也可以尝试更换一下指示灯，看看是不是指示灯的故障。2）阀门不能开启到位。阀门电动、手动皆不能使阀门打到全开位置，且开启力矩较大。引起故障因素有阀杆螺母螺纹有部分损坏、有异物卡涩在阀门内部、螺距不均匀等。如果是阀杆或阀杆螺母螺纹有损坏或螺距不均匀，解决方法是应及时更换损坏零部件;如有异物卡涩，解决方法是拆解阀门，检查卡涩情况，去除异物，弄清产生异物原因并从源头加以控制。3）阀门开启位置与阀门中流量不成比例。当出现以下情况时，需要对设备进行检查，如阀门开度仅达到满行程的10%，而流量已达额定流量的90%，已大大超过设计流量。发生原因主要是仪控在画面上的模拟信号与实际反馈信号不一致;阀体各连接传动件的间隙较大;或是限位开关动作不准确。专业维修人员进行处理，检查电气元件和线路，消除故障;重新调整限位开关的位置，使开关和阀门位置相一致。4）电动执行器电机转动的故障。电动执行器无论在什么信号之下都没有动作，在通电的情况下，电机也不会出现运转，就算是将抱闸拆除下来还是没有任何动作，而且电机的绕组阻值都是限时正常的，人工操作电动执行器则显示正常。检测结果显示正常，则是说明在通电的情况下电机不会转动，那么就有可能是电机的转子出现了问题，这个时候将电机拆开，你会发现转子用手都无法拧动，这是因为在转子之间可能会有一层坚固的灰尘，当将这层灰尘清楚之后，只需要加上一点润滑油，转子又可以拧动了，将电机装好，通电之后就会显示正常了。

8  管理规范执行情况

为了人员和设施的安全，加强管理规范执行效果，编制了电动执行机构检查表。表中需要填写检查日期、检查人员、检查内容、检查情况、问题解决情况，问题负责人等内容，方便员工开展工作。

9  结束语

电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、网络化方向快速发展。随着不断发展，我们公司使用的电动执行器产品种类越来越多，目前仅应用在设备设施上，未来我们还将更多地应用在产品上。

参考文献：

[1]卞正岗.世纪之交话自动化仪表工业[J].自动化博览，2000 （1）：6-9.

[2]高天云，史家林.RK-Z系列智能电动执行机构性能的特点及应用[J].自动化与仪器仪表，2004（1）：57-58.

[3]GB/T 24923—2010，普通型阀门电动装置技术条件[S].

[4]GB/T 28270—2012，智能型阀门电动装置[S].

[5]JB/T 8219—2016，工业过程控制系统用普通型及智能型电动执行机构[S].