電動執行機構是自動控制領域常用的機電一體化設備，廣泛應用于火電、石化、冶金、市政等領域。電動執行機構接受標準控制信號，輸出對應的轉角或者直線位移，從而對閥門進行控制和調節，達到對被調參數進行調節的目的，如：溫度、壓力、流量、液位等，使生產過程按預定要求進行，是過程自動控制系統中的重要執行設備。

電動執行機構一般都安裝在環境相對比較惡劣的位置，有時與閥門一起安裝在半空，損壞時維修非常困難。電動執行機構一旦出現故障，輕則導致管路無法調節，影響生產的正常進行，重則引起閥門損壞甚至生產事故。因此電動執行機構的可靠性顯得尤為重要，而產品開發階段的可靠性設計是產品穩定可靠的重要前提，量產前的大量測試更是對產品可靠性的驗證和重要保證。

下面以科遠S系列多回轉電動執行機構為例，以其關鍵組成部分及技術為出發點，對其可靠性設計及驗證進行論述。

智能型電動執行機構的關鍵零部件及技術

電動執行機構主要由電機及其正反轉控制系統、減速傳動系統、手/電動切換系統、閥位檢測反饋系統、電氣控制系統等部分組成。電動執行機構的電機輸出運動與動力，通過減速傳動系統將動力傳至輸出軸，輸出轉矩或者直線位移，帶動閥門動作。閥位檢測反饋系統實時檢測閥位，并將數據傳送至電氣控制系統。電氣控制系統根據接收的控制信號通過正反轉模塊控制電機的正反轉，使執行機構運行到指定位置。當執行機構在控制系統出現故障或者斷電的緊急情況下，可以通過手動系統將執行機構運行到所需位置，避免造成進一步的危害。

其中，減速傳動系統涉及到蝸輪蝸桿傳動技術，其可靠性及壽命直接決定了執行機構在機械方面的壽命。閥位檢測反饋系統中大小錐的有效嚙合和絕對光電編碼器的正常運行是技術難點。手電動切換系統除了保證電動狀態正常切換到手動狀態外，保證手動操作者的安全也非常重要。當執行機構頻繁調節時，電機正反轉模塊需要良好的散熱性。在執行機構的故障點中，由上述技術點出問題而造成的故障占80%左右。因此，從這些技術點出發，進行可靠性設計及驗證是確保執行機構性能穩定可靠的關鍵。

執行機構的可靠性設計及驗證

l  減速傳動系統

S系列多回轉電動執行機構的減速傳動系統由一級蝸輪蝸桿嚙合實現，蝸輪蝸桿傳動結構緊湊，傳動平穩，噪音低，是力矩傳動關鍵零件。蝸輪蝸桿傳動的另外一個重要特性是當導程角達到一定角度時，可以自鎖，即當執行機構停止運轉時，閥門在管道壓力的作用下也不能帶動蝸輪倒轉，從而使執行機構穩穩的停在預定位置。蝸輪蝸桿性能及壽命的影響因素非常多，比如材料選擇、熱處理工藝、模數的設計等，同樣的箱體結構及中心距，若三者不同，則其可靠性和壽命會相差很多。

在S系列多回轉電動執行機構的設計過程中，對蝸輪蝸桿傳動的溫升、振動、疲勞斷裂等方面進行了研究（核心期刊《機械傳動》發表論文3篇^【1-3】，申請專利1項^【1】）。所有規格的蝸輪均采用了耐磨性能良好的鋁青銅，蝸桿也進行了調質及淬火處理。在測試驗證過程中發現，SY018-B（110N.m）、SY025-B（450N.m）、SY040-B（1200N.m）規格產品的蝸輪蝸桿壽命均超過了國家電力行業標準《電站閥門電動執行機構》規定壽命的5倍以上（調節次數大于100萬次），達到了國內領先的水平。但SY035-B（610N.m）規格產品的壽命是20多萬次，雖然達到了國標要求，但是與其他規格產品相比，還有不少差距。

分析發現，由于蝸桿剛度不足，傳動中振動較大等原因造成了SY035-B（610N.m）的壽命相對較短。于是根據現有其他規格產品的測試數據，在不調整現有箱體及中心距的情況下，對蝸輪蝸桿參數重新進行了設計計算，其蝸桿橫向受力及剛度的計算過程如下：

由蝸桿受力計算公式可以得到：

根據剛度條件：

蝸桿危險界面的慣性矩：

其中：

則蝸桿最大撓度與許用最大撓度的比值為：；

雖然i＞1，但是目前文獻中關于蝸桿剛度計算的公式中均未引入壽命參數，而且電動執行機構中蝸輪蝸桿的使用工況與常規產品不同，為了確保改進設計后蝸桿壽命合格，對其余規格產品的蝸桿參數進行了統計比較，發現i均大于1.624；同時也發現改進前的蝸桿i=7.845，與其余規格相比大得多。

蝸輪的齒根彎曲強度和齒面接觸疲勞強度經校核后，均符合要求。根據計算結果，將蝸輪蝸桿的模數由原來的2.2mm調整至2.1mm，其余參數及其他零件未變，經壽命測試驗證，改進后的蝸輪蝸桿壽命提高到5倍，使執行機構的調節次數達到110萬次，超過了國家標準規定的5倍以上，從而使執行機構的可靠性及壽命大大提高。

l  閥位檢測反饋系統

閥位檢測反饋系統主要包含了大小錐齒輪傳動和絕對光電編碼器，是通過二者結合將執行機構輸出軸的轉動圈數（即閥門位置）反饋至電氣控制系統。

ü  錐齒輪傳動的可靠性設計

大小錐傳動的兩個齒輪呈90?交錯安裝，滿足了改變傳動方向的需求。但是由于結構限制，大小錐又不能完全固定，如果大小錐嚙合太多，則會導致卡死，無法正常傳動；如果嚙合太少，會導致跳齒或者脫齒，閥位無法檢測，執行機構停止運行或者閥位過沖，嚴重時會損壞閥門，因此大小錐齒輪安裝距的可靠性設計尤為重要。其中SY018-B（110N.m）規格產品由于大小錐結構尺寸小，理論嚙合高度只有1.52mm，對裝配設計的誤差要求高，在產品研發測試階段出現了個別傳動脫開現象。針對此隱患，設計分析后發現由于深溝球軸承存在一定的軸向游隙（一般設計中是不考慮的），開閥時，由于蝸輪軸受到向上的力，會帶動大錐一起向上移動，導致大小錐嚙合高度變小而脫開，因此在大小錐的嚙合尺寸鏈計算中需要考慮軸承軸向游隙的影響。其嚙合尺寸鏈的計算過程如下，將大錐的安裝距作為封閉環（軸承考慮軸向游隙后，軸向寬度為:）：

A=138-11.3-12-108+83.6+9.5-1.5-79=19.3,

上偏差:ES=0.1-(-0.1)-(-0.25)-(-0.15)+0.2+0.2-(-0.15)-(-0.05)=1.2,

下偏差:ES=0-(-0.05)-(-0.1)-(-0.05)+0.1+0.1-0.05-0.05=0.4,

則=，

即大錐齒輪裝配后的實際安裝距是19.7～20.5mm,此時大小錐齒輪的兩個極限嚙合齒高為0.42mm～1.26mm，如果沖擊過大或者制造誤差較大，則有脫開隱患。根據計算結果，綜合考慮既不能卡死、也不能脫開，將大錐齒的實際安裝距向小錐齒輪方向調整了0.3mm，經過近500臺的實際測試驗證，沒有出現大小錐卡死或者脫開的情況，保證了產品的可靠性。

ü  絕對光電編碼器的可靠性設計及驗證

絕對光電編碼器是集機、光、電、材料等技術于一體的復雜零部件，采用16位光電格雷碼。相比其它編碼器或者閥位采集方式，不但精度高，而且在執行機構掉電情況下運行，依舊可以正確記錄碼值，閥位不丟失。絕對光電編碼器的箱體及計數齒輪由于結構復雜，一般都采用注塑件，在高溫環境中難免會產生熱脹冷縮，引起計數齒輪卡死或者計數通光孔偏離位置，導致編碼器無法正常采集碼值。此外由于發光二極管的光強會隨著時間衰減，如果物料選型不合格或者電氣參數選擇不合理，將會導致絕對光電編碼器碼值采集出錯。正是因為絕對光電編碼器技術復雜、高溫環境中使用的易出錯、成本高等特點，很多執行機構廠家不得退而求其次，采用不能在掉電情況下記錄閥位的增量式編碼器。而一些使用了絕對光電編碼器的執行機構，也常常由于此零部件的原因導致執行機構出現故障。

科遠股份的絕對光電編碼器在研發階段也曾受此類故障困擾，后從產品可靠性和本著對客戶負責的態度出發，下決心對注塑件的抗變形技術及采集電路進行研究（申請發明專利1項^【2】、軟件著作權2項^【3-4】），從設計的源頭上保證科遠絕對光電編碼器的性能穩定可靠，注塑件采用特殊材料并對零件進行抗變形處理，并選用高品質發光二極管，解決了此難題。

為了驗證改進后產品的可靠性，制作了最高溫度可達130℃的高溫老化箱及絕對光電編碼器老化工裝，見下圖。考慮到執行機構在使用現場任意位置安裝，絕對光電編碼器老化工裝設計為可以滿足絕對光電編碼器側裝（輸入齒輪在上）、側裝（輸入齒輪在上）、正裝、倒裝四種測試工位，高溫電機通過變頻調速后帶動絕對光電編碼器依照設置速度運行，在控制界面可以實時監控每臺被測絕對光電編碼器的碼值跳變情況，并帶有停轉報警及碼值跳變報警功能。測試驗證時，將200臺絕對光電編碼器安裝在老化工裝的四種工位上，置于高溫老化箱中，分別在20℃常溫、85℃高溫下，模擬絕對光電編碼器在執行機構上的實際壽命進行長期性能測試。驗證結果表明：在高低溫環境中，每個安裝工位上的絕對編碼器在均能在設計壽命期內正常運行，無機械卡死或者碼值跳變，驗證了產品的可靠性。

高溫老化箱            絕對光電編碼器老化工裝

l  手電動切換系統可靠性設計

手電動切換功能是電動執行機構的一項重要功能，可以實現手動和電動力矩的雙輸入。許多電動執行機構，在手動和電動切換過程中，多是純機械切換方式，經常出現不能切到手動或者手動后無法進入電動的現象。由于切換原理決定了蝸輪軸及手輪的浮動支撐，還經常造成漏油及手輪卡死情況，導致生產中出現緊急情況時無法實現手動操作，出現生產事故。為了實現手電動切換功能，且避免上述情況的出現，在設計階段對手電動切換技術進行了研究（申請專利2項^【5-6】）。S系列多回轉電動執行機構最終采用其中的一種手電動切換技術，采用機電結合的方式：即當手輪推進時，通過電磁感應先自動切斷執行機構內部對電機的供電，然后手輪與蝸桿通過花鍵嚙合，進入手動狀態；當松開手輪時，手輪自動彈回，電機電源接通，延時2秒進入電動狀態，保護操作者安全。為了確保手電動切換的靈敏有效，還對感應零件的感應距離做了上千次的配對驗證測試，并預留了安全操作距離。這種手電動切換系統有效解決了手輪卡死、切換不暢及漏油問題，手電動切換及時，保證手動操作安全，提高了切換的安全性及可靠性。

l  電機及其正反轉控制系統

電機是電動執行機構正常工作時的動力源，閥門的開關也需要通過其正反轉來實現，而正反轉模塊是控制電機正反轉的重要零部件。當執行機構頻繁調節時，需要正反轉模塊控制著電機不停的正反轉運行，模塊會產生大量的熱，導致模塊的溫度由于無法及時散熱而急劇升高，嚴重時甚至會爆炸，尤其是電動執行機構在高溫環境中運行時，隱患更大。科遠股份的研發人員針對散熱問題，通過多次變更工藝及測試，最終找到合適的散熱板材及處理工藝，使得調節型電動執行機構每小時啟動1200次，最高溫度不超過70℃。為了驗證正反轉模塊在高溫環境中的可靠性，將該模塊安裝在電流最大的SY040-B規格產品上，放置于高溫老化箱中，在85℃溫度下，每小時運行1200次，模擬執行機構的使用環境及使用條件，進行長期性測試，結果表明在超過其設計壽命后，依舊可以正常運行。

l  密封設計及IP68測試驗證

電動執行機構工作環境惡劣，粉塵較多，有時候直接在室外露天安裝，一旦粉塵或者雨水進入內部，對于既有弱電控制、又有強電驅動的執行機構來說將是致命的。因此執行機構不但需要防止潤滑油從內部漏出來，而且還要防止雨水進入執行機構內部，一般密封性能需要達到IP67或者IP68。S系列多回轉執行機構為了防止減速箱潤滑油滲漏，除了采用密封性能較好的骨架油封和O型圈外，還在密封面處涂抹一種特殊的潤滑脂，當骨架油封或者O型圈密封失效時，潤滑脂可以阻斷滲漏通道，起到二次密封作用。為了防止雨水進入電氣腔，接線腔與電氣腔之間采用二級密封，直接將電氣腔與外部完全隔絕，即便接線腔在現場接線后密封不到位，也不會造成電氣腔進水。

為了進一步驗證產品可靠性，設計制作了兩臺IP68測試平臺：一臺深度1m、普通壓力測試水箱，用于測試普通水深情況下電動執行機構長期運行的防水及漏油情況；一臺深度1m、2MPa壓力（即加壓情況下相當于20m水深的壓強）測試水箱，用于測試20m水深情況下電動執行機構長期運行的防水及漏油情況。經過測試，B系列電動執行機構滿足IP68要求，沒有出現進水和漏油現象，驗證了產品密封性能的可靠性。

l  整機長期穩定性測試驗證

上述關鍵零部件的可靠性設計是整機穩定可靠的前提，但作為機電一體化產品，電動執行機構融合了各個零部件后，其整機運行的穩定性是否達到設計要求仍需要測試驗證。為了測試整機的長期穩定性，設計制作了5臺長期老化測試工裝；每臺工裝均可以同時滿足電動執行機構正裝、倒裝、側裝三種位置，模擬了執行機構的實際使用現場的安裝工位。每款產品量產前，均進行了批量的驗證，保證其在2倍以上設計壽命期內不出現任何異常才發布生產。在量產過程中，所有規格產品會依照每100臺里面隨機抽取4臺的頻次，進行長期穩定性測試，若有異常，則會及時發現問題并進行批量解決，確保出廠產品性能穩定可靠。

結語

由于電動執行機構在火電、化工等領域應用場合的特殊性及產生故障時的危害性，其性能穩定及質量可靠顯得尤為重要。S系列電動執行機構無論是在設計階段的理論分析，還是測試階段的大量測試驗證，都是為了確保設計產品的可靠性，保證每臺出廠產品性能的穩定性。

科學求實，精誠致遠，是科遠股份的企業精神，而這種精神在科遠股份電動執行機構產品的研發、測試和生產中得到了很好的體現。質量是產品最好的廣告，產品的可靠性將成為我們持續的追求。

相關文獻

[1] 《電動執行機構的高效率傳動設計》作者：賀赟暉，王成，王威，禹建勇——《機械傳動》2012.36（11）P70-73.

[2] 《S2工作制下的ZI型蝸桿減速器熱計算》作者：王成，賀赟暉，禹建勇——《機械傳動》2013.37（3）P74-75.

[3] 《電動執行機構蝸桿傳動支承設計及轉速對強度的影響》作者：賀赟暉，禹建勇，王成——《機械傳動》2014.38（11）P72-75

相關專利

[1] 專利名稱：一種扭矩測試裝置 發明人：王成，賀赟暉 申請號：CN201210443506.0.

[2] 專利名稱：一種用于精密光電傳感器的塑料齒輪的抗變形熱處理方法  發明人：劉國耀，禹建勇，王成等 申請號：CN201410787562.5.

[3] 專利名稱：一種傳感器采集處理方法  發明人：胡歙眉，徐艷超，王成 申請號：CN201410785788.1.

[4] 專利名稱：一種傳感器采集處理電路 發明人：劉國耀，褚裕海，王成等 申請號：CN201520026470.5.

[5] 專利名稱：一種電動執行機構的手輪切換裝置發明人：王成，賀赟暉，王威等 申請號：CN201220585814.2.

[6] 專利名稱：一種手電動切換裝置及電動執行機構》發明人：王成，禹建勇，徐航等  申請號：CN201420008373.9.