多回转智能型阀门电动执行机构的技术研究

摘要：阀门电动执行机构广泛应用于水系统、化工、石油、天然气等管道输送领域。本文针对闸阀进行多回转智能型电动执行机构的技术研究，包括技术原理、理论计算分析、机械结构、控制功能等，旨在提高机械结构的可靠性、电气控制系统的控制精度，能够依据用户的不同定制化需求提供针对性的解决方案。

关键词：闸阀；多回转；电动执行机构

1 背景

目前广泛应用于水处理、化工、石油天然气、能源电力等管道输送领域的电动阀门市场容量很大，附加值高，其中电动闸阀的控制原理也是将电机的旋转运动转化为直线运动，符合电缸技术研究领域。电动闸阀的主要组成部分是电动执行机构，是高度集成的机电一体化产品，技术难度大，目前进口产品占了大部分市场份额，国产化替代正在逐步进行。该项研究对公司高质量持续发展具有重要支撑意义。

2 研究内容

研究多回转智能型阀门电动执行机构，包括机电一体化集成结构，包括机械传动部分、控制部分、液晶显示部分、无贯通的磁感应“就地/远程/停止”结构、接线端子密封结构、手动/自动切换结构等。

3方案设计

3.1系统框架

图1 系统框架示意图

3.2电动执行机构方案

3.2.1理论计算及设计选型

针对DN200，输出扭矩300N.m的闸阀用多回转智能型电动执行机构进行理论计算和设计选型。

（1）电机选型

基于表1对比，选用直流无刷电机，因其在寿命、效率和控制精度上综合优势最强，完美契合阀门驱动对长效稳定与精准调节的核心需求。

表1四类电机优缺点对比表

根据执行器减速机构的设计，设计需要输入转矩为3.97N.m。针对该设计需求，选用110BL14031型号直流无刷电机。该电机属于高压直流无刷电机，工作电压310VDC，额定转数3000rpm，额定转矩4.8N.m，满足设计的需求。电机的性能参数如表所示。

表2 110BL14031型号直流无刷电机参数

（2）减速器选型

先通过平行轴一级减速器减速，再通过涡轮蜗杆传动副进行减速。

涡轮蜗杆减速器理论计算：

考虑蜗杆传递的功率不大，速度只是较低，但蜗杆尺寸较小，需要较大的承载能力，以及产品的经济成本等相关因素，故蜗轮采用锡青铜，蜗杆材料选用45#调质钢，表面淬火后渗氮处理，蜗轮蜗杆寿命按照每天工作8小时，工作寿命10年进行强度校核计算。

初拟蜗轮蜗杆副的蜗杆头数Z₃=2，涡轮齿数Z₄=64，模数m2取2，则涡轮蜗杆减速比64/2=32。

按齿面接触疲劳强度进行设计:

根据闭式蜗杆传动设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由式：

已知作用在涡轮上的转矩T2=15.1×2.38×85%=30547N.mm。

确定载荷系数K:

因工作载荷较稳定，故载荷分部不均系数K_β=1；使用系数K_A取1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数K_V=1.05。则：K=K_AK_βK_V=1.21。

确定许用接触应力:

根据涡轮材料为铸锡青铜ZCuSn10P1，金属膜铸造，蜗杆螺旋齿面硬度＞45HRC，查表得知涡轮的基本许用应力=268MPa。

应用循环次数N=60jn2Lh=60×1×18×29200=3.2×107。其中涡轮转速n2=18r/min，寿命按照29200h。

因此齿面接触疲劳强度满足要求。

计算

通过调研，选择经济标准的蜗轮蜗杆产品，由产品数据得模数m₂=2的蜗杆分度圆d₃=28mm，蜗轮分度圆直径d₄=m2Z3=2×64=128mm，理论中心距a=(d₃+d₄)/2=(28+128)/2=78mm，蜗轮蜗杆的制造精度为7级。

蜗杆参数：

蜗杆齿顶高ha3=ha*m2=0.8×2=1.6，齿顶高系数ha*取0.8（短齿制）

蜗杆齿顶圆直径da3=28mm+2ha3=28+2×1.6=31.2mm。

头数为2时，蜗杆齿宽b3≥（12+0.1Z3）m2=(12+0.1×64)×2=36.8，当磨削时，m2＜10时，b3再加25mm，共计36.8+25=61.8，因此b3≥61.8。蜗杆轴向齿厚Sa=πm/2=3.14mm。蜗杆轴向齿距Pa=πm=6.28mm。

分度圆导程角

涡轮参数：

涡轮分度圆直径d₄=m₂Z₃=2×64=128mm。

不变位，涡轮齿顶高ha4=1.6mm

涡轮喉圆直径da4=d4+2ha4=128+2×1.6=131.2mm。

蜗杆头数为2时，涡轮顶圆直径de₄≤da₄+1.5m₂=131.2+1.5×2=134.2mm。

涡轮宽度B≤0.75da₃=0.75×31.2=23.4mm

电动执行机构总减速比为2.38×32=76.3。

校核齿根弯曲疲劳强度:

当量齿数： zv2=z4/cos3γ=64/(cos8.13°)3=65.97

根据zv2=65.97，查表得齿形系数YFa2=2.29

螺旋角系数Yβ=1-γ/140°=0.942

许用弯曲应力

查表得ZCuSn10p1制造的涡轮的基本许用应力=56MPa

寿命系数：

因此弯曲强度满足要求。

最大输出转矩核算:

已知电机堵转转矩15.1N.m，减速比76.3，平行轴齿轮副效率取85%，涡轮蜗杆效率取40%，电动执行机构输出转矩=15.1×76.3×0.85×0.4=392N.m＞300N.m，安全系数1.3，满足设计要求。

3.2.2机械部分

阀门电动执行机构属于智能一体化集成结构，包括电机、减速器、转矩控制机构、编码器、手-电动切换机构、电气控制部分。

图3 电动执行机构传动原理图

电机通过一级直齿轮副带动蜗杆转动，蜗杆驱动与之啮合的铜涡轮旋转，涡轮带动中间离合器旋转，中间离合器带动输出轴旋转输出扭矩，输出轴带动中间支架上的T型丝杆副动作，将旋转运动转化为直线运动，丝杆上下动作，带动闸阀阀板上下开闭，从而控制闸阀的开闭。

图4 电动执行机构三维示意图

转矩控制机构由曲柺、档块、凸轮分度盘、支板和微动开关组成。当输出轴受到一定阻转矩后，两端装有蝶形弹簧组蜗杆除旋转外，还承受轴承推力，蝶形弹簧被压缩，蜗杆产生与输出转矩成正比的轴向位移，带动曲拐旋转，同时使挡块也产生一个角位移，从而迫近凸轮，使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到预定值时，则支板上抬直至微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动执行机构输出转矩的控制。当转矩为零时，蜗杆在蝶形弹簧组弹力作用下回位。

图5 转矩控制机构示意图

    阀位检测采用绝对值编码器，不低于1024转输出，阀位控制精度可控制在1%以内。

图6 编码器结构示意图

手动/自动切换为半自动切换，电动转变为手动操作需扳动切换手柄，由手动变为自动时自行进行（不需要扳动切换手柄）。由电动变为手动时，即用人工扳动切换手柄，使输出轴上的中间离合器向上移动，压迫弹簧。当手柄推到一定位置时之间离合器脱离蜗轮与手动轴爪啮合，则可使手轮上的作用力通过中间离合器传到输出轴上，即成为手动状态。手动变为电动时自动切换，当电机旋转带动蜗轮转动时直立杆立即倒下，在压簧作用下中间离合器迅速向蜗轮方向移动，与手动轴脱开，与蜗轮啮合，则成为电动状态。可在电源故障时提供可靠的紧急手动操作。

图7 手动/自动切换结构示意图

电气控制部分主要由电气箱、主控板、显示屏、现场/远程/停止旋钮、开/关旋钮等组成。采用非侵入式设计，通过现场/远程/停止旋钮进行现场/远程转换，通过开/关旋钮进行现场状态下的阀门开启、关闭控制。这些开关旋钮均采用霍尔效应元器件，通过磁感应实现信号传输，无贯通轴，开关与控制板不存在物理连接，保证密封性和可靠性。远程状态下，可通过开关量、模拟量、现场总线通讯等方式进行控制。

图8 电气控制系统结构示意图

控制面板人机界面液晶屏显示，提供当前执行器的实时状态信息显示和阀位信息。设置和诊断采用旋钮和红外遥控器，通过密封的指示窗口进行，而不用取下端盖，暴露内部控制组件。

图9 接线端子盒密封结构示意图

使用防水接线端子把控制组件腔与外部接线腔隔离，即使是在现场接线期间取下端盖，控制组件也不会暴露在外面，确保内部元件受到保护。

输出端接口尺寸满足JB2920 阀门电动装置型式、基本参数和连接尺寸。

3.3电气功能介绍

根据设计需求，电动执行器具有以下功能及特点：

（1）现场控制：通过旋钮进行模式切换，切换到“现场”，再利用操作旋钮进行开关操作，进行“电动”或者“保持”控制操作。

（2）远方控制：在一般情况下，利用远程终端，链接电动执行器，进行远程在线控制。远方控制包括模拟量和数字量信号输入，模拟量使用4-20mA信号输入，数字量信号采用Modbus RTU和Modbus TCP协议。同时，Modbus RTU支持现场总线控制。

（3）限位保护：该系统可实时监测阀门的开度大小，并根据阀门的开度自动控制电机转速在阀门即将关闭时，实现电机的预减速，完成电动执行器柔性启停功能。执行机构运行到开关位置自动停止。

（4）电流、力矩过载保护：该系统可实时监测电流、力矩值，防止卡死。

（5）故障保护：在系统出现故障时，可以针对故障显示故障信息并发出报警提示，具有阀门开、关、故障指示。

（6）状态显示：电动执行器可通过液晶显示屏显示阀门的开度，电机的转速等运行时的工作数据及状态。采用0—100.0％示数指示阀门开度。

（7）状态保持：电动执行器在失去动力电源时，能保持在失电前的原位保持不动，在失去控制信号时，可根据用户设定选择开、关、停在原位不同的应急措施。

（8）稳定性能：电动执行器工作环境恶劣，该系统抗干扰能力强，可以抵抗湿度，温度，电磁干扰等恶劣条件。

图10 功能框图

3.4硬件总体方案设计

根据上述功能分析，本次设计的控制系统硬件结构框图如图所示。

图11 硬件结构框图

系统以AC220V为输入电源，经电源管理模块转换为12V/5V/3.3V多路直流输出，为主控制器及外围模块供电。主控核心通过PWM信号驱动执行机构（如电机），并接收速度编码器反馈实现闭环控制；同时集成RS485、4-20mA工业总线及TCP/IP网络接口，支持设备互联、传感器通信与远程监控，人机交互模块提供本地操作界面。整体设计适用于工业自动化场景，兼顾强电适配、实时控制与多协议外部通信能力。

3.5系统软件主程序设计

3.5.1系统初始化

控制软件基于（ST）意法半导体的STM32系列微控制器进行嵌入式软件开发时，开发主要采用C/C++语言作为编程基础，并依托Keil MDK、IAR Embedded Workbench或ST官方提供的STM32CubeIDE等专业集成开发环境进行代码编写、构建与调试。开发过程高度依赖于ST推出的硬件抽象层（HAL）库或底层（LL）库来高效、可靠地实现对外设（如GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、定时器等）的驱动与控制。对于需要处理复杂任务或实时性要求高的应用，可进一步集成如FreeRTOS这样的实时操作系统（RTOS）来构建多任务调度框架，有效管理资源并提升系统响应能力。最终，通过分层设计与严谨实现，目标是在STM32硬件平台上构建出满足功能需求、运行稳定且执行高效的高性能嵌入式应用系统。

系统上电工作时，需要对系统和各个模块初始化，有事件管理初始化，I/O口初始化，中断管理初始化，阀门位置初始化，无刷直流电机转子位置初始化，异常向量表（中断向量表）初始化等。初始化完成后进入程序主循环，同时为了系统安全运行，主程序每循环一次都要对系统进行故障检测，当检测出系统有故障时，及时报警并做出相应处理措施。当未检测出故障时，主程序继续往下循环。进入操作模式选择，操作模式有两种，一种是按键式操作模式，一种是遥控式远程操作模式。若选择按键操作模式，则程序往按键模式下运行。若选择遥控操作模式，则程序往遥控模式下运行，运行完成之后主程序进行下一次循环。

图12 系统主程序流程图

3.5.2中断程序设计

电动执行器工作时的主要功能包括电流调节，转速调节，故障保护等基本依靠中断服务程序实现。中断程序主要包含转子位置捕获中断，电流A/D 采样中断，系统保护中断等。位置捕获中断是为了检测转子位置而实现电机换相，A/D采样中断是为了保证电压电流的稳定输出实现闭环控制，系统保护中断主要是针对系统发生故障通过硬件中断保护系统。图1-19为中断程序流程图。

图13 中断程序流程图

3.5.3控制算法

控制算法采用PID控制。PID控制算法中P是比例(proportion)的缩写，I是积分（Integral）的缩写，D是微分（Differential coefficient）的缩写，分别代表三种不同的算法，通过将这3种不同的算法组合可以更好的调节系统的输出偏差，保证系统的稳定输出。

图14 PID控制框图

4 结论

本文介绍了多回转智能型电动执行机构的原理、结构、功能，进行了详细的理论计算和设计选型，提出的设计方案结构合理，功能齐全，能够满足用户的定制化使用需求。

参考文献

1 朱泽万，阀门电动执行机器关键技术研究，物联网技术，2023.06.021

2 王炜.多回转阀门电动执行器的机构设计，电子世界，2021.05.070