具有紧急关断功能的开关型电液执行器的研制

蔡 婧 王丽然

（西安航天远征流体控制股份有限公司）

具有紧急关断（ESD）功能的开关型电液执行器是一种以电液驱动装置为动力， 执行ESD信号实现紧急快速关断的执行机构。 其与各种截断阀配套使用， 用于在紧急状态下切断管路系统，避免安全事故发生或扩大，是大型工艺装置和压力管道系统的重要安全设备［1］。 2016年6月，国家安监总局62号文件规定，一级、二级重大危险源场所必须采用具有ESD功能的执行机构。

中石化、中石油和中航油的油库罐根和管路系统大量使用开关型紧急切断阀门。 目前，国内市场大量使用美国Rexa、 英国Rotork及德国法奥克等厂家的产品，这些产品价格昂贵，供货周期较长，售后服务不及时，维护备件也需进口，不能满足国家重点工程建设进度和能源输送保障需要，还可能给国家和企业造成巨大的损失，甚至危及国家能源安全。

笔者根据国内某新建机场2座2 000 m3的储油罐罐根闸阀实际需求，按“用、研、产”倒逼路径，研制开发出一种典型规格（65 kN，400 mm）的具有ESD功能的直行程开关型电液执行器， 突破开关型电液执行器的集成技术，掌握液压驱动控制技术、蓄能控制技术和性能测试技术，具有完全自主知识产权。

1 国内外现状及发展趋势

执行器是工业过程控制领域中不可缺少的关键部件，其工作的可靠性、可控性和功能的优劣，直接影响调节性能、控制成败和设备安全，并制约着自动化总体水平。 目前，工业过程控制领域中广泛采用的执行器主要实现开关动作和调节功能，从而控制过程工艺参数。 虽然大多工业执行器已实现国产，但对于含有关键技术的工位仍大量采用进口产品，国产执行器现况存在着可靠性、可控性差等缺陷。

国外多家电液执行器生产商都开发了具有ESD功能的开关型电液执行器， 如德国法奥克SHE系列紧急关断执行机构、 英国Rotork公司的EH系列电液执行器和美国Koso公司的Rexa电液执行器。 国外厂商产品具备驱动力大、动作快速等优点，但仍存在价格昂贵、体积较大、抗油污染能力差及后期维护成本较高等缺点。 目前，国内有部分厂家进行开关型电液执行器的研制生产，但产品整体性能和技术指标与国外先进技术相比存在一定的差距。

2 技术指标及方案

2.1 技术指标

应用于国内某机场油库的轻型电液联动闸阀的开关型电液执行器技术指标如下：

驱动方式 直行程

行程 400 mm

输出推力 65 kN

工作温度 -20～60 ℃

供电 380 V（AC），50 Hz

功率 1 kW

失效模式 ESD紧急切断

运行时间 可调

ESD运行时间 不大于10 s，可调

蓄能设备完成动作次数 2次

外壳防护性能 IP65

防爆等级 Exd II BT4 Gb

2.2 工作原理

开关型电液执行器系统原理如图1所示，主要包含5个模块，分别是动力模块、蓄能模块、液压控制模块、执行模块和控制箱。 在使用中，所有模块集成化设计，安装在被驱动装置上。

图1 开关型电液执行器系统原理框图

控制箱包括处理器、电源等电气部件，具有远程、 就地和设置3种操作模式。 远程模式由SCADA系统给定控制信号进行开阀、 关阀以及ESD操作； 就地模式由控制箱给定控制信号进行操作； 设置模式下使用者可以利用键盘和显示板，通过一些简单的操作步骤对行程、ESD模式等各种参数进行设定［2］。

动力模块由交流电机、齿轮泵、手动泵、压力开关和过滤器组成。 压力开关设定高低限位，蓄能器压力低于压力开关设定的最低压力时，交流电机驱动齿轮泵转动，齿轮泵输出流量以容积方式为蓄能器充压，蓄能器压力达到压力开关设定的最高压力时，电机停止转动。

液压控制模块由电磁阀、液控换向阀、减压阀、调速阀、液控单向阀、平衡阀及溢流阀等组成。 分为主回路液压控制模块和ESD回路液压控制模块，当接收到开阀信号时，高压油进入液压油缸有杆腔，无杆腔低压油回流至油箱，推动活塞杆上行实现开阀动作； 当接收到关阀信号时，高压油进入液压油缸无杆腔，有杆腔低压油回流至油箱，推动活塞杆下行实现关阀动作；ESD电磁阀常态时得电关闭， 当接收到ESD信号时失电打开，高压油流入液压油缸无杆腔，有杆腔低压油回流至油箱， 推动活塞杆下行实现紧急关阀动作。

执行模块由单出轴双作用油缸、位移传感器和限位开关组成，功能是将液压油内能转化为机械能，位移传感器将负载驱动轴实际位置实时反馈给控制系统，进而确定电磁阀的工作状态。 限位开关实现限幅保护作用，输出开关量信号。

蓄能模块由蓄能器、手动截止阀、压力表及溢流阀等组成，蓄能器将压力系统的液压能转换为势能储存起来［3］，功能是作为执行机构打开或关闭时的动力源。 执行机构非运动状态时，动力模块为蓄能器充压， 使蓄能器保持在高压状态；当电磁阀接收到控制箱信号时实现打开或关闭油路连通， 蓄压油箱中高压液压油进入液压油缸，推动活塞杆直线运动，液压油缸低压腔液压油流入油箱。

2.3 功能分析

应用于国内某机场油库用轻型电液联动闸阀的开关型电液执行器应具有如下功能：

a. 运行速度可调， 具有降速接近的功能，防止高速接触造成阀座损伤；

b. ESD回路并联设计， 实现ESD关阀速度可独立调节，具备更高的安全性；

c. 支持根据应用要求设定推力限制，当阀板阻力增大时可调高系统压力提高推力；

d. 具有力（力矩）保护和位置保护双重保护功能；

e. 蓄能装置压力输出平稳，支持多次动作；

f. 具有手动充压、手动开关阀门的功能；

g. 系统油箱采用全封闭式， 与空气无接触，避免液压油的污染、氧化等，延长维护周期；

h. 具有远程、就地、设置3种操作模式；

i. 可在线进行部分行程测试；

j. 实现产品十多种故障自诊断功能。

2.4 与进口产品的对比

通过对进口产品性能指标、功能特点的深入分析，本方案研制的开关型电液执行器与主流的进口产品相比具有以下优势：

a. ESD回路独立于主回路液压系统， 具备ESD关阀速度单独调节的功能， 可实现ESD回路快速关阀，具备更高的安全性；

b. 系统油箱采用全封闭式， 与空气无接触，避免液压油的污染、氧化等，延长维护周期；

c. 具有降速接近的功能，保护阀座，提高定位精度；

d. 可采用力（力矩）和位置限位两种限位方式；

e. 十余种故障检测及报警设计。

2.5 部分设计计算

根据执行器技术指标和系列化需求，选取液压油缸参数如下：

缸径 100 mm

活塞杆径 45 mm

行程 450 mm

结构形式 单出轴双作用

蓄能器参数如下：

最低工作压力p112 MPa

最高工作压力p220 MPa

最低温度tmin-20 ℃

最高温度tmax60 ℃

有效容积ΔV 5.5 L

2.5.1 蓄能器容积计算

根据蓄能器技术参数， 在tmax时的预充压力为：

在tmin时的预充压力为：

20 ℃（t0）时的预充压力为：

理想的气体容量为：

式中 K——绝热状态多变指数，取1.4。

因此，根据蓄能器规格系列选取容积25 L。

2.5.2 齿轮泵参数计算

齿轮泵为蓄能器充压， 蓄能器有效容积ΔV=5.5 L，蓄能器充压时间t≯240 s，则齿轮泵流量Qb为：

结合齿轮泵选型，选取Qb=1.6 L/min，转速1 500 r/min。

计算齿轮泵最大输出功率PWb：

齿轮泵液压损失很小，可忽略不计，取容积效率为0.8，机械效率为0.9，则总效率η为0.72。

电机输出功率PWd为：

3 关键技术及解决措施

3.1 液压控制技术

系统液压控制包含由蓄能器驱动的主控制回路、ESD控制回路和手动操作下的控制回路，通过信号和液压元件的切换实现不同模式下的回路控制。 蓄能器要实现主控制回路完成两个运动行程的正常工作，会造成开、关阀门时的输出压力不同，为了避免关阀作用力过大造成的阀座损坏，必须控制蓄能器输出压力。ESD控制回路要满足更快的关断速度。 失电时还要切换到手操控制回路采用手摇泵进行蓄能器充压补压和阀门的打开关闭操作。 因此，液压控制技术是实现系统各项功能的关键技术之一。

为轻量化、小型化设计，计算出满足系统输出压力时液压缸的最小排量，应尽可能减小蓄能器的容积，为了减小蓄能器的容积，采用扩大蓄能器工作压差的办法，如此便使蓄能器完成充压后连续两次动作的工作压力存在较大差异。 而且液压缸采用的是单出轴双作用油缸， 第1次关阀的向下推力与第2次开阀的向上拉力比值为1.62，会造成阀门结构的损坏。 因此在蓄能器出口处设置使出口压力恒定的减压阀，控制蓄能器内的高压液压油的输出压力，使蓄能器在两个动作行程中的压力保持恒定，实现系统工作压力可控。

ESD控制回路采用一个常开的两位三通电磁换向阀作为先导控制， 并且给电磁阀常通电，使其处于关闭状态；若系统故障失电，则电磁阀失电切换至打开状态，控制两个液控单向阀，实现关阀动作， 电磁阀作为先导阀的设计方法使ESD回路的最大流量不受电磁阀流量影响，选用功率很小的电磁阀即可实现ESD回路的液压控制。 同时通过液压回路即可实现失电启动ESD， 提高了紧急关断的可靠性。

3.2 系统性能参数匹配

液压系统包含齿轮泵为蓄能器充压和蓄能器作为动力装置带动液压油缸运动两个过程，开关阀动作又包含了主回路控制动作和ESD回路控制动作两部分，动作过程均要实现速度和压力的可控可调，是通过一系列液压元件实现的，因此系统性能参数的匹配是本项目的关键技术之一。

开关型电液执行器的执行动作由蓄能器完成，当蓄能器压力低于设定值时，压力开关控制电机转动，从而驱动齿轮泵转动对蓄能器进行充压，达到预设高压时停止充压。 蓄能器压力保证执行器完成两个动作行程（即阀门一开一关）。 动作时，通过控制电磁阀换向使蓄能器内高压油进入液压油缸一侧腔体控制阀门打开或者关闭。 蓄能器容积设计与液压缸排量进行匹配计算，确保完成两个行程动作后蓄能器压力降至压力下限，继续进行充压。

系统设置了两级调速，在蓄能器出口设置一级调速阀，用于ESD回路关阀速度的调节，在主回路中液压油缸的进出口分别设置单向节流阀，用于主回路开关阀动作时回油速度的调节。

系统中在液压缸两腔、蓄能器出口等多处设计测压口，性能试验过程可实时监测系统压力变化，采集数据可用于系统性能分析、调整匹配参数。

4 试验验证

产品样机进行一系列试验对性能指标进行验证， 结合产品研制提出的性能指标和应用工况，策划试验项目见表1。

表1 试验项目策划

（续表1）

2020年10月，2020-01～2020-06号电液联动阀在国内某机场供油工程完成了现场装配；2020年11月完成产品调试并通过机场供油工程竣工验收；2021年1月16日开始带油试运转至今，所有产品在线上加电运行，可工作正常，各项性能都满足技术要求、使用要求，现场观测产品工况良好、动作标准、ESD关断时间最快可达7 s、 无渗漏等异常现象。

5 结束语

通过理论分析、 设计计算以及试验验证，笔者介绍的民用机场油库轻型电液联动闸阀所采用的具有紧急关断功能的开关型电液执行器，所使用的设计方案合理可行，能够满足设计指标和现场工况的使用要求，性能指标达到并超过进口产品水平，具有完全自主知识产权，可替代进口产品，实现了国产化。