电动执行机构的维护保养及应用

电动执行机构的维护保养及应用发布时间：2008年7月29日分析了电动机执行机构的故障特征以及在其维护保养中应注意的问题，并介绍了一种新型智能电动执行机构。电动执行机构可分为直行程和角行程两大类，它是自动控制系统中不可缺少的重要设备，其主要任务是将调节器送来的控制信号成比例的转换成直线位移或角位移去带动阀门、挡板等调节机构，以实现自动控制，因而广泛用于电力、冶金、石油、化工等工业部门的自动控制领域。近10年来，由于广泛采用和吸收微电脑控制、微机械等新技术、新成果与成熟经验，使电动执行机构得到迅速发展，现在已经广泛使用“微机＋随动系统”结构模式的微机型电动执行机构，它由微处理器完成信号传递、调节参数切换、状态指示、控制量的输出，增强了调节系统的性能、使用及维护保养等方面的灵活性。一、电动执行机构的故障分析提高电动执行机构的可靠性，就要尽可能减少和消除故障，而事实上这种故障是多种多样的。主要是由于某一元件失灵、系统中元件/组件综合因素、电气、二次回路以及外界因素引起的。有些故障通过调整的方法就可以解决，有的故障则是由于使用时间长、精度差，需要修配、更换部件才能恢复其性能，也有些是由于原始设计不周，需要改进才能排除。1.1电动执行机构的故障特征(1)调试阶段故障新电动执行机构的故障问题比较复杂，其特征是设计、制造、安装及管理等诸多问题交织在一起。常见的故障有泄漏严重、速度难以调整稳定，脏物或油污使传动机构卡涩或动作失灵。某些组件漏装或装错弹簧、密封件，有些属于设计欠妥，元件选择不当，动作不平稳、定位精度差等，对待这类故障，应耐心细致、慎重处理，逐一排除。(2)运行初期和中期故障调试后进入正常生产阶段的故障特征是，少数密封件由于装配质量和材料质量问题短期内损坏而漏油，同时粘附在管壁、孔壁上的毛刺、粘沙、杂质和赃物脱落导致某些元件工作不稳定。通常在运行中期，系统元件/组件处于最佳运行工作状态，故障率较低。(3)运行后期故障电动执行机构运行一段时间后，各类元件/组件因工作频率和负载条件的差异，各易损件先后磨损超标，这个阶段的故障特征是位置反馈接触不良、定位精度差、稳定性下降、效率显著降低、故障率逐渐增加。这时应全面检查，更换失效部件，全面修复故障。否则将给运行人员带来很多不便，甚至严重影响机组的正常调节和控制。1.2偶发性、突发性故障这类故障在时间上表现为偶然突变，故障区域及产生原因较为明显，由非人为和人为因素造成，如位置反馈器件接触不良、刹车片磨损及“抱死”、零部件损坏、线圈烧坏、密封件失效等。二、电动执行机构的维护保养电动执行机构主要由电机、轴承、齿轮传动系统和电子部分组成。根据美国军标MIL-HDBK-338发表的可靠性数据表明，执行器故障主要集中在电机和轴承方面。在电机故障中：绕组失效占20％，轴承失效占45％，滑环、电刷、整流子损坏占5％，其它占30％；在轴承故障中：润滑剂变质、消失占45％，污染占30％，剥蚀占5％，误调占5％，腐蚀占5％，其它占10％。可见，良好的维护管理能提高电动执行机构的可靠性和有效性。(1)加强润滑油的清洁度管理电动执行机构的最大特点是需要使用润滑油，其粘度随油温变化。粘度过低，涡轮蜗杆及齿轮等传动部件的磨损会增大，使传动精度下降；粘度过高，动作不良。而润滑油脂的清洁度管理更为困难，涡轮蜗杆及齿轮等传动部件磨损、老化产生的杂质与水分的渗入，内部涂层的脱落、锈蚀等都会影响润滑油的清洁度。(2)及时消除润滑油脂泄漏由于电动执行机构动作频率高、速度快，难以避免受冲击，这是导致润滑油脂泄漏的一个重要原因，一旦润滑油脂泄漏，需要及时加以解决。(3)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与它的使用情况、所处的环境、人员知识等因素有着直接的关系。只有在维护管理上改善其工作环境与使用条件，以人为本，才可能延长使用寿命。(4)故障初期特别要加强维护在电动执行机构的所有故障中，初期故障的比例一般都比较高。初期故障大多是由于设计、制造、安装上的初步误差而引起的，这些初期故障的发现需要花费一定的功夫，解决也需要时间。因此，初期故障期间要特别加强维护管理。(5)做好数据管理以防偶发故障电动执行机构的偶发故障一般较难预测。为了防止偶发故障，要定期检查和保养，掌握某阶段维护资料和历史档案数据，这对于准确实施故障判断和日常维护是十分重要的。(6)提高运行维护人员的专业知识运行维护人员专业知识的掌握程度直接影响维护管理。近年来，由于运行维护人员结构的变化，使他们对电动执行机构的知识、技术的掌握有了较大提高，然而，仍有不少运行维护人员缺乏应有的专业知识和技术。现场运行维护人员大多对电动执行机构处于“似懂非懂”的状况，这也是维护管理薄弱的环节所在。为使运行维护人员方便进行现场维护管理，在进行电动执行机构系统设计时要有超前意识，充分考虑到便于维护管理的实施，努力做到：系统要简化，简单的系统故障率低，维护管理容易；标准化程度高、互换性好、容易修复；集成化、组合化，调整、检查方便；引入故障诊断和定位、容错/纠错等新技术。三、RK-Z系列智能电动执行机构3.1装置概况从国产电动执行机构使用情况分析，虽然在某些技术指标上可以同国外同类产品相媲美，但可靠性和稳定性问题却长期得不到根本性解决，其主要原因有：①长期忽视基础技术的研究和开发；②国产通用件和基础件质量不过关；③企业对产品质量控制和管理不力。针对上述问题，上海锐凯仪表有限公司开发了新一代RK-Z系列智能电动执行机构，较好地解决了这些缺陷和不足。RK-Z系列智能电动执行机构系统构成如图1所示，来自现场的4～20mA信号(或其它类型信号)经A/D转换送至CPU进行运算处理，同时CPU与来自电动执行机构的开度信号及上、下限设定值进行比较后驱动电动机转动，经减速后推动输出轴作上、下位移或角位移，最终实现输入信号通过电动执行机构实现对阀门等设备的位移控制。另外，电动执行机构输出当前的实际位置经CPU处理及D/A转换后，以4～20mA标准信号输出。RK-Z系列智能电动执行机构采用全封闭、一体化结构。配以单相永磁式交流同步电动机，具有体积小、重量轻、结构简单、传动惯量小、转矩大等特点。传动系统采用螺杆螺母式，具有传动平稳、承载能力强、传动精度高、有自锁能力等优点。机内传动部件采用精细加工技术，严格控制各零部件质量。执行机构出厂前加足进口高级油脂，无需保养、也不会向外泄漏。位置反馈采用航天工业专用的高精度、高可靠性、高分辨率(0.1％)、长寿命导电塑料电位器。借助于独特的机械设计理念，将电位器与执行机构输出轴相连，从而精确检测到调节阀的位移，确保了位置反馈信号的真实性，克服了传统执行机构反馈信号依靠齿轮传动装置传递，因齿轮磨损而使输出轴实际位置与反馈信号的误差日趋增大的难题。限位和刹车采用逐步逼近电子技术，当接近阀门极限位置时自动减速，实现了阀门的“柔性全开”和“柔性全关”，取消了限位开关和刹车片，解决了限位开关易失灵、刹车片易“抱死”以及刹车时易产生大冲击电流烧坏电机等老大难问题。充分利用微处理器的数据处理功能使其成为真正的智能化电动执行机构。通过控制面板上的5个按键和6位超高亮度LED数码管进行人机对话、参数设定和调整，显示清晰的运行状态及多种报警信息，给调试和检修维护人员带来很大的方便。为了提高整机可靠性，采用了可靠性设计、可靠性评估、失效分析和严格的筛选、老化等工艺措施，并最大限度的减少了可动部件，使整机的MTBF值达到40000万小时以上。3.2装置特点(1)可接受0～10mA、4～20mA、0～5V、1～5V等多种模拟信号，输入信号的选择，正、反行程的切换，以及上、下限的定位调整等，无需开盖，只需通过显示窗的触摸式按键，就可完成所有调试。(2)具有多种控制方式：输入模拟量控制、无源开关量远程控制(内、外置24VDC，10mA)、有源(220V，10mA交流)开关量远程控制等。(3)采用先进的智能化技术来控制过力矩保护和超限位保护，取消了需要进行复杂调整的机械式力矩开关和限位开关。(4)可根据现场系统的需求，实现阀门全行程任意设定。(5)频繁通断次数可达1200次/小时。(6)防护等级：IP66。3.3装置自诊断功能(1)当输出轴位移到行程起始点(0％)或行程终点(100％)时，电动执行机构会输出无源常开触点各一付，供控制系统选用。(2)当电网电压骤降或停电时，执行机构内部控制电路会使执行结构停留在当前位置，并自动记忆此前瞬间的有关现场数据，一旦电压恢复正常，执行机构能自动恢复有关数据而继续正常工作。(3)当机械部件发生故障卡涩，致使电机超负荷时，其输出轴会维持在原来位置上，控制电路会切断电机电源，并发出显示报警信号(但仍保持反向运动方式)，同时输出无源常开触点一付。当故障排除后，自动进入正常工作。(4)当自动控制系统故障时，可根据工艺过程要求设定阀门的全开、关闭和保持原位3种状态，省略了系统的一些联锁保护措施，使运行更放心。(5)具有多“协议”通讯功能，根据用户要求，可设置RS-485等其它通讯“协议”，通过通讯接口，挂接到数据总线上，接收来自系统的指令、数据等，并协同工作。四、结语在自动控制系统中，选择高质量的电动执行机构，对“寿命周期费用”是很重要的，如果电动执行机构选择不当或质量不过关，再完美的控制思路、高超的控制策略也难以达到预想的控制效果。为此，生产、制造和选用高可靠性的产品日益受到过程控制界的重视。RK-Z系列智能电动执行机构采用机电一体化结构，利用微机技术、电子限位等新技术及独特的机械设计理念，具有体积小、重量轻、力矩大、可靠性高、定位精度准、成本低等特点。目前已有几百套智能电动执行机构在杨树浦、崇明、南市、高桥、洛河、汇源电厂及冶金、化工等行业得到应用。其以人为本的设计思路、便利的维护调整方式，得到了现场技术人员的青睐，具有良好的应用前景。