一种应用于油气管道的紧急切断电液执行机构的研究设计

一种应用于油气管道的紧急切断电液执行机构的研究设计

蒋仁华

扬州恒春电子有限公司  江苏扬州  225129

摘要：在分析现有阀门执行机构外形结构和工作原理的基础上，提出了一种直驱式并具有紧急切断电液执行机构的结构设计和液压系统组成方案，详细阐述了整个液压系统的工作原理并对关键部件进行了选型和设计计算。结论表明本系统在油气管道的紧急切断等领域具有重要的应用价值。

关键词：直驱式；电液执行机构； 液压阀

1前言

电液执行机构是运用电子技术与智能技术将液压能转化为机械能的一种装置，主要用于控制阀门的开闭。产品广泛应用于废水处理、电厂、化工、冶金等领域，适用于各种阀门:，如蝶阀、球阀、旋塞阀、截止阀、闸门等。目前，工程中常用到的执行机构还有气动和电动两种，比起气动和电动执行机构，电液执行机构具有速度响应快、控制精度高、输出扭矩大等突出优点。本文将介绍的是一种直驱式电液伺服系统(DDVC)，也叫无阀伺服控制系统。管道正常开关时通过控制伺服电机的转速、转向来控制液压缸的速度和运动方向，在应急情况下通过蓄能器实现快速关断。这种系统虽然精度不如阀控式，但是它的整体结构简单、效率高、可靠性高、成本低的特点，因此比阀控式电液执行机构具有更广泛的应用性。本文将着重分析这种电液执行机构的结构特点，并详细阐述电液系统的工作原理以及关键液压件的选型和设计计算。

2液压系统设计及主要元件选型计算

本系统由伺服调速电机、液压泵、液压单向控制阀、电磁换向阀、油缸、蓄能器单元、液压油箱以及多重传感器作为执行机构。其中控制阀包含了单向阀、溢流阀、电磁转向阀、液控单向阀、人工截止阀、流量可调节阀以及双向液压锁等，以实现不同的执行控制效果。在结构方面，油缸的A口与B口通过双向液压锁与油缸进行连接，伺服电机由控制单元控制驱动液压泵进行工作。液压油箱与液压泵通过吸油口实现连接，为了能够实现邮箱出油的控制，控制阀的的单向阀通过以下管线进行实时控制，首先是通过节流阀实现对蓄能器出油口的控制，其次是进行电磁换向阀的控制，最后就是人工截止阀进行油箱的控制。在系统中液控单向阀的b1口与油缸A口连接、液控单向阀的a口与油箱连接、液控单向阀的a1口与油缸的B口连接。

图1油蓄能器结构图

系统的正常工作模式有蓄能器充液、伺服电机控制阀门以及蓄能器应急关断等工作状态。以下进行不同工作状态的叙述，首先就是蓄能器充液，在系统启动的时候，电磁换向阀初始化处于截止状态，同时电磁截止阀也处于截止的工作状态，伺服电机开启，驱动液压泵通过阀门对蓄能器进行充液，压力传感器实施进行液压检测，当蓄能器中的压力达到系统上限值的时候，伺服电机停止工作，系统进入保压状态；保压状态过程中。系统实现闭环实时控制，当传感器检测的压力小于系统下限值的时候，伺服电机再次启动进行充液，到压力上限值的时候再次再次停止工作。

伺服电机调节工作状态过程中，伺服电机可以通过精确的控制实现对阀门开启幅度的精细调节。控制过程中伺服电机通过对油泵的驱动实现对电磁阀的控制，对A口或B口进行控制进而实现对阀门的开启与关闭的幅度调整。

同时蓄能器还具有应急关断的功能，当系统突然掉电或者受到外部应急操作信息的时候，执行机构可以进行快速的关断操作。在此状态下，伺服电机立即停止工作，电磁换向阀处于导通状态，蓄能器中的压力油经过换向阀进入油缸，并推动单向阀做活塞运动，完成对阀门的关闭。同时油缸的有杆腔的回油，先后经过液控单向阀的a1口、a口流回油箱。

2.1系统压力p和负载最大扭矩T的确定

根据液压手册，参考已有产品的工作压力，结合实际的工况，初选液压缸工作压力位：

 p = 16 MPa，取最大输出扭矩T = 5000 Nm。

2.2齿轮齿条液压缸的参数确定

油缸的力平衡方程为:

p1A－p2A = 2T /D0 （1）

式中: p1 ———进油腔压力

p2 ———回油腔压力  A ———活塞缸直径

D0 ———齿轮分度圆直径 活塞缸面积为: A = πD2 /4 （2）

式中: D ———液压缸缸筒内径 取齿轮模数m = 6，齿数 Z = 24分度圆直径D0 = 144 mm，回油腔压力p2 = 0，由式（1）、（2）得活塞缸直径D = 74.3 mm，元整取D = 80 mm。由于油缸齿轮输出最大角度为90°，活塞行程为：S = π·D0 /4 = 113 mm活塞满行程需要的油量为: V = π·D2 ·S /4 = 568 mL。

2.3液压泵的确定

齿轮泵直接与电机输出轴连接，本系统中要求齿轮泵能够双向排油，因此选用双向齿轮泵，液压缸活塞 运行满行程最短时间为8 s，因此，液压泵的最大流量Q＞4200 mL /min，根据现有产品的资料，最后确定液压泵的参数见表1。

表1泵的参数

2.4电机的确定

电作为机电能量的转换装置，其应用范围已遍及 现代社会各个领域。其中，无刷直流电机由于其具有结构简单、效率高、寿命长、噪声低以及较好的转矩-转速特点等优点，在汽车、航空、家用电器等行业得到了较好的发展。 本系统选用无刷直流电机作为动力装置。实际工况要求: 阀门完成一次开闭( 即油缸活塞完成一次全 行程) 需要最短时间为8 s，最长时间不大于20 s。当 电机低速运行时，负载扭矩即为泵的最大扭矩( 2. 46 Nm) ; 当电机高速运行时，负载扭矩不超过1 Nm。 由以上工况确定电机的额定转速为n = 2000 r/ min，最高转速nmax =4500 r/min 故电机的额定功率为:

p = n·T /( 9550·ηm )      （3）

式中: n为电机额定转速; T为电机扭矩; ηm为电机机械效率( ηm = 0.92) 。 由式（3）可得电机功率为p = 569 W，取电机功率为p = 600 W。当电机以额定低速( n = 2000 r/min) 运行时，阀门完成一次开闭所需时间t = 17 s＜20 s，满足要求; 当电机以最高速( n = 4500 r/min) 运行时，阀门完成一次开闭所需时间t = 7. 6 s＜8 s，此时电机的扭矩T = 1. 17 Nm＞1 Nm，满足条件。所以最后确定电机的功率为600 W。

3结构设计

本产品采用封闭式油源、内部油道设计，避免了长管供油造成的压力损失大、体积大等缺点。本产品的整体结构简单、集成化高、外形美观。

3.1液压阀块的设计

液压系统采用集成模块化设计，将各种阀集中在阀块上，包括主油路阀块和手泵阀块。主油路阀块的 液压原理图如图2所示，整个阀块单元主要包括2个液控单向阀和2个溢流阀。手泵阀块的液压原理图如图3所示，整个阀块单元主要包括两个液控单向阀、1个三位四通手动换向阀、1个插装手泵。

图2 液压阀块原理图

图3 手泵阀块原理图

为使系统压力损失尽量小，需合理设计油道的孔 径尺寸、形状。应尽量缩短油道长度，减少拐弯，合理 确定油道孔的通流截面积。这就需要对油道孔径以及 壁厚进行精确的计算。根据液压管道的计算公式：

d ≥ 4．61 Q /v           （4）

式中: d ———油道孔径( mm) Q ———流经油道口的流量( L /min) v ———油道口流速( m /s) ，按照推荐值选取。

管道内的流速根据不同的环境有着不同的推荐值。对于吸油管道，可取v≤1～2 m /s (一般取1 m /s以下) ; 对压油管道，可取v≤2. 5～5 m /s; ( 压力高时取大值，压力低时取小值; 管道较长时取小值，管道较短时取大值; 油液黏度大时取小值) ; 对管道及局部收敛处，可取v≤5 ～7 m /s; 对回油管道，可取v≤1. 5～2. 5 m /s。 本系统中液压泵的最大排量4．5 L /min，由于工作压力较高，油道不长，取v = 4 m /s，由公式（4）可得: 管道直径d = 4.89 mm，设计中取d = 5 mm。

本系统中，工作压力p = 15 MPa，安全系数n = 6; 阀块材料采用45钢，σb = 600 MPa。由式（5） 、（6）可得管道壁厚δ ≥ 0.75 mm。同理可得: 泵阀块的管道直径d = 5 mm; 管道壁厚 δ ≥ 0.75 mm。为了安装方便，减小体积，该系统中液压阀均采用螺纹插装阀。

3.2补油装置的设计

本系统采用全封闭闭式循环工作，在工作过程中当闭式液压管路中油液不足时，可以通过补油装置进行补油，本系统在齿轮泵和手泵工作时均设有补油装置。齿轮泵补油装置是将齿轮泵与1个梭阀集成在一起。

3.3外形结构设计

整个电液执行机构主要包括四部分: 控制箱体、手泵、齿轮齿条液压缸、位置监测器。电机、齿轮泵和控制单元均由金属端盖密封在箱体中，内置小油箱，整个体统采用内部油道，使得外形尺寸美观小巧。由于金属外壳的密封保护，整个执行机构可以做到防尘、防水、防爆。

4结束语

本文中介绍的直驱式电液执行机构，目前正由我方与国内一家公司联合开发中，不久即将投放市场。该产品既克服了电动执行机构的结构复杂、可靠性低，又克服了气动执行机构的扭矩小、精度低等问题。同时，与伺服阀控制系统电液执行机构相比效率高、成本低。由于其实用性强、可靠性高，因此将会有更广阔的市场空间。

参考文献：

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