一种带自保功能的气动执行机构设计.pdf

液 压 气 动 与 密 - ／20 1 6年 第 0 6期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ．0 6 ． 0 0 9 一 种带自保功能的气动执行机构设计 路登 明 1 ．渤海装备兰州石油化工机械， 甘肃 兰州7 3 0 0 6 0 ； 2 ． 甘肃省炼化特种装备工程技术研究中心， 甘肃 兰州 7 3 0 0 6 0 摘要 气动执行机构作为一种自控设备被广泛应用于催化裂化装置， 但在运行过程中可能会遇到断电、 失气等突发状况。在突发事 故状态下， 气动执行机构本质安全、 不引起其他连锁设备运行失控 、 不造成二次灾害、 常满优高效运行对装置安全和生产保障都十分 重要。基于安全生产考虑 ， 结合催化裂化装置中气动执行机构的使用状况， “ 一种带 自保功能的气动执行机构” 通过创新原理设计 ， 提升了装置安全可靠性， 完全能满足石化行业对自控设备安全可靠的要求。 关键词 自保； 气动； 执行机构 ； 设计 中图分类号 T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 6 0 0 3 0 0 4 De s i g n o f a Pn e u ma t i c Ac t u a t o r wi t h Se l f _ p r 0 t e c t i 0 n Fu n c t i o n LU De n g- mi n g 1 1 ． Bo h a i E q u i p me n t L a n z h o u P e t r o c h e mi c a l Ma c h i n e r y Wo r k s ， L a n z h o u 7 3 0 0 6 0， C h i n a 2 ． E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t r e f o r R e fi n e ry S p e c i a l t y E q u i p me n t o f G a n s u ， L a n z h o u 7 3 0 0 6 0 ， C h i n a Ab s t r a c t As a n a u t o ma t i c c o n t r o l d e v i c e ， p n e u m a t i c a c t u a t o r s a r e wi d e l y u s e d i n c a t a l y t i c c r a c k i n g u n i t ， b u t i t ma y e n c o u n t e r p o we r o u t a g e s a n d l o s s o f a i r p r e s s u r e d u r i n g o p e r a t i o n ． I n t h i s s t a t e ， t h e e s s e n c e o f p ne u ma t i c a c t u a t o r s a r e s a f e ， a n d d o n o t c a u s e o t h e r e q u i p me n t o u t o f c o n t r o l ， d o n o t c a u s e s e c o n d a r y d i s a s t e r s and e ffic i e n t o p e r a t i o n a r e v e ry i mp o r t a n t f o r d e v i c e ． Ba s e d o n s e c u r i t y c o n s i d e r a t i o n s ， c o mb i n e d wi t h u s a g e o f p n e u ma t i c a c tua t o r i n c a t a l y t i c c r a c k i n g u n i t ， t h r o u g h t h e i n n o v a t i o n p r i n c i p l e ， t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e d e v i c e i s i m p r o v e d ， a p n e u ma t i c a c t u a t o r wi t h s e l f - p r o t e c t i o n f u n c t i o n c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f p e t r o c h e mi c a l i n d u s t r y Ke y wo r d s s e l f - p r o t e c t i o n； p n e u ma t i c ；a c t u a t o r ；d e s i g n O 引言 “ 自 保” 是指装置发生故障时， 执行机构快速运行 至阀门或其他受控设备的安全位置， 从而保证装置能 够在紧急状态下保持安全运行模式 ， 不出现装置无法 受控的现象。对阀门而言， 自保位置一般是阀门的极 限位置 全开或全关 ， 具体位置取决于当前阀门的1 艺要求。通常， 工艺要求的自保位置可通过气动执行 来设定 ， 自 保过程不受设定位置和装置正常与否的影 响 ， 只与自保指令有无相关。带 自保功能的气动执行 机构既能保障设备和装置安全， 也能保障操作人员人 身安全 ， 在很 大程度 上提 高了装置运行 的安全性 。设 计出符合装置工艺要求、 保障功能齐全的气动执行机 构对催化裂化装置意义重大。 1 原理设计 根据 自保的定义和催化裂化装置对气动阀门的工 艺要求 ， 结合两位式气动执行机构的控制理念 ， 带 自 保 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 1 5 基金项目 甘肃省科技计划 1 2 0 6 G T G A 0 1 4 作者简介 路登明 1 9 7 7 一 ， 男， 甘肃会宁人， 工程师， 学士， 主要从事电 液执行机构、 气动执行机构和特殊阀门的设计制造工作。 3 O 。 } } ．I II 。 一 0 i I州 - -I t I t 一 州 ． ．，． f 1l【． A - - I 1 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 6 ．2 0 1 6 别给气控阀 1 和气控阀2 的气控E l 提供压力信号， 另一 路直 接进入换 向电磁阀。此时 ， 由于接收到来 自自保 电磁阀的同步压力信号， 气控阀 1 和气控阀2 同时换 向。换向后， 气控阀1 的左位开启 ， 气控阀2 的右位开 启 。因为换 向电磁阀也处于得 电状态 ， 换 向后右位开 启 ， 经 自保 电磁 阀的一路气源通过换 向电磁 阀右位进 人气控阀1 的左位 ， 最后到达双作用气缸的无杆腔， 进 入气缸无杆腔的气源推动气缸活塞杆带动阀门动作 ， 活塞左侧气流从气缸有杆腔排人气控阀2 的右位 ， 再经 自保电磁阀的右位排空。这样， 气缸无杆腔进气， 有杆 腔排气即实现一次关阀动作。关阀过程中， 由于气控 阀2 的右位开启 ， 储气罐的出口被截止， 储气罐处于充 气蓄能状态。正常情况下， 其动作原理如图2 所示。 稍噼僻 ～ J 1 1僻 I J l - J } L 、- L 图 2 正常情况下气动执行机构 动作原理图 2 ． 2 断电自保状态 如上所述 ， 正常情况下 阀门由全开变为全关 ， 即 全 关位为阀门的正常工作位。换句话说 ， 处于全开位置 时阀门等同于管道， 处于非工作状态， 此时阀门是安全 的 ， 装 置也处 于安全状态 ， 即 全 开位 置为装置工艺要 求的安全位置。当装置紧急断电后， 换向电磁阀失电 换向左位开启 ， 而 自保电磁阀通过U P S 电源提供 自保 指令 ， 依然处于得电状态。此时由于自保电磁阀得电， 电磁铁位开启 ， 分别为换向电磁阀提供了主气源 ， 为气 控阀1 和气控阀2 的气控口提供了同步压力信号。进 入换向电磁阀左位的主气源流经气控阀2 的右位进入 气缸有杆腔， 有杆腔内气流推动气缸活塞杆带动阀门 动作 ， 活塞右侧气 流从 气缸无杆腔排人 气控阀 1 的左 位， 再经换向电磁阀的弹簧位排空。这样 ， 气缸有杆腔 进气 ， 无杆腔排气 即完成一次开 阀动作 ， 达到装置工艺 要求的 自保位置。断电自保过程中， 由于储气罐的出 口同样被截止， 储气罐依然处于充气蓄能状态。断电 自 保状态下 ， 执行机构的动作原理如图3 所示。 2 ． 3 失气 自保状态 当装置供气管线故障或因气体泄漏气源压力不足 时 ， 供给气动执行机构的主气源被切断。此时 ， 自保电 磁阀和换向电磁阀均处于得电开启的正常状态。但由 于进入 自 保电磁阀的主气源被切断， 气控阀1 和气控阀 2 的气控口接收不到压力信号， 两个气控阀同时换向至 正常工作状态的相反位置， 气控阀1 的右位开启， 气控 阀2 的左位开启。此时 ， 一直处于充气蓄能状态的储气 罐出口与气控阀2 的左位接通， 储气罐内储存的气体经 气控阀2 的左位进人气缸有杆腔， 有杆腔内气流推动气 缸活塞杆带动阀门动作 ， 活塞右侧气流从气缸无杆腔 排入气控阀1 的右位后直接排空。这样， 在装置失气状 态下， 依靠储气罐内储存的气体也可完成一次开阀动 作， 达到装置工艺要求的自保位置。不难看出， 失电自 保和失气 自保 的原理基本相 同 ， 只不过控制气源进入 气缸和排空的方式不同。失气状态下， 只要储气罐内 有足够气体， 气动执行机构完全可到达工艺要求的自 保位置 ， 确保装置安全。失气 自 保时， 执行机构的动作 原理如图4 所示 。 ‘ 图3 断电自保时气动执行机构动作原理图图 气 姐 图 4 失气 自保 时气动执行机构动作原理 图 2 。 4 断电、 失气 自保状态 如果装置同时发生断电和失气故障时， 进入气动 执行机构的主气源被切断， 换向电磁阀失电换向， 自 保 电磁阀依靠 U P S 电源依然得电。此时， 尽管进入换向 电磁阀左位和气控阀气控 口的压力通道开启 ， 但由于 3 1 液 压 气 动 与 罐 - 1h f ／20 1 6年 第 0 6期 没有主气源通过 ， 气动执行机构依然凭借储气罐内储 存的气体将阀门打开 ， 开阀过程重复了2 _3 的动作 ， 仅 仅气缸无杆腔排气方式与2 ．3 的动作不同， 其动作原理 如 图5 所示 。 气 』 } 图5 断电、 失气 自保 时气 动执行 机构 动作原理图 2 ． 5 断电 含 UP S 、 失气 自保状态 在装置事故 比较严重 的情况下 ， 断 电时难以确保 U P S 供电正常， 尽管这种情况发生的几率微乎其微 ， 但 作为可靠性设计 ， 也 应考虑到此种 因素 的可能 。在这 种恶劣情况下， 主气源被切断， 自保电磁阀和换向电磁 阀同时失 电换 向。此时 ， 虽然 自保 电磁 阀失 电换 向将 进入其内部的气 流切断 ， 但从本质上来说 ， 由于进入气 动执行机构的主气源被切断， 所以， 自保电磁阀换向已 毫无意义。这种恶劣状况下， 气动执行机构的动作过 程与2 ．4 所述完全一致 ， 它完全依靠储气罐内储存的气 体完成开阀自保动作。与2 ．4 唯一的区别在于 自保电 磁阀阀芯位置不同， 但 自保电磁阀阀芯位置不对气动 执行机构的动作产生影响， 其动作原理如图6 所示。 图6 断电 含UP S 、 失气自保时气动执行机构动作原理图 3 设计要点 3 。 1原理设计注意事项 带 自保功能的气动执行机构原理设计应充分考虑 可触发 自保的各种条件， 确保在各种事故状态下 自保 3 2 均有效 。同时还要考虑 自保位置的设定 ， 对于两位 式 气动执行机构， 当工作状态确定后， 阀门的自保位与正 常工作为相反， 气路配管过程中应注意气缸接口与工 作气源的对应顺序； 对于调节式气动执行机构， 可通过 设定定位器的正反作用形式、 调节气缸接 口与工作气 源的对应顺序来设定 自保位置 。 3 _ 2 元器件的选择 1 气控阀的选择 由以上原理不难看出， 自保回路中气控阀 1 、 气控 阀2 、 不但起换向作用 ， 同时兼进气和排气作用。特别 是当气控阀的气控 口同时接收到压力信号后 ， 总有一 个气控阀作为气缸的进气 ， 而另一个作为气缸的排 气。为了保证所选控气控阀具有上述功能， 从机理而 言 ， 气控阀应为通用性， 即压力 口和排气口可任意接。 同时， 从进排气量需要来计算接 口大小 ， 保证阀门需要 自保动作时， 气动执行机构的反应足够迅速。另外， 由 于气控 阀的气控 口压力与系统工作压力一致 ， 所 以选 择气控阀时， 应确保气控口启动压力足够小， 从而保证 气控阀换向不受进气 口压力影响。 通过以上分析 ， 结合 自保时气缸在规定自保时间 一般≤3 s 内需求的进气量 ， 气控阀的主要选型参数如 表 1 所示 。 表 1气控阀选型参数表 2 自保电磁阀的选择 由自保回路的动作原理不难看出， 自保电磁阀一 方面用来切断或接通两个气控阀气控 口的压力信号， 另一方 面用来切断或接通进入换 向电磁 阀的主气源 。 从气控阀气控口控制需求而言， 对通流量要求很低 ， 只 要通流压力满足气控阀先导压力范围即可保证气控阀 正常换向。同时， 自 保电磁阀要给气缸提供压力气源 ， 此压力气源进人气缸之前依次通过换向电磁阀和其中 一 个气控 阀。所 以 ， 自保 电磁 阀的流量特性必须跟气 控阀相匹配， 再结合整个回路中气源的连接接 口， 自保 电磁阀的主要选型参数如表2 所示。 表2 自保电磁阀选型参数表 下转第3 7 页 一 _ _ ． 砧 lH Il J ． 吉 一 Hvd r a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ NO． 0 6． 2 01 6 动情况为3 9 ～ 4 4 L ／ ra in ， 与现有柱塞泵相同， 随着转速的 提高 ， 脉动逐渐增大 。 时问 ／ s 时间 ／ s 图 1 3 柱塞泵 1 5 0 0 r ／ mi n与 3 0 0 0 r ／ mi n时 C口流量 4结 论 1 由于柱塞泵 配流盘结构完全对称布置 ， 可使用 变转速控制方案 ， 采用双 向转动 电动机进行液压泵吸 排油 口的转换 。 2 仿真论证 了与普通柱塞泵相 同 ， 并联型双 吸 、 排油口轴向柱塞泵流量脉动随转速增加而增大。但转 速尽量避免进行瞬时正反转转换 ， 压力冲击会影响液 压泵的使用及其寿命 。 3 并联型双吸 、 排油 口轴 向柱塞泵可 以独立控制 两条不同的液压 回路 系统 ， 也可以驱动差动缸 回路 ， 可 以在排油 口面积上进行改进 ， 通过改变其流量匹配差 动缸面积比， 减少控制回路和补油回路的使用， 需要今 后进一步的研究 和讨论 。 参考文献 【 1 ] R A HMF E L D R ． D e v e l o p me n t a n d C o n t r o l o f E n e r g y S a v i n g H y d r a u l i c S e r v o D r i v e n f o r Mo b i l e Ma c h i n e【 D ] ． Ha mb u r g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y o f Ha mb u r g ， 2 0 0 2 ． 【 2 ] 沙南生， 李军． 功率电传机载一体化作动系统的研究I J ] ． 北 京航空航天大学学报， 2 0 0 4， 3 0 9 9 0 9 9 1 2 ． 【 3 】 权龙， 廉 自生． 变量泵、 比例阀和蓄能器复合控制差动缸回 路原理及应用研究 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 5 1 1 5 1 1 9 ． 【 4 】 J O R G G ， I V A N T Y S Y N O V S M． Mo d e l A d a p t a t i o n fo r R o b u s t D e s i g n o f H y d r a u l i c J o i n t S e r v o A c t u a t o r s [ C ] ／ ／ Wu h a n T h e 4 t h I n t e r n a t i o n a l F l u i d P o we r Co n f e r e n c e ， 2 0 0 3 1 6 - 2 4 ． 『 5 】 张晓刚 ， 权龙， 杨阳， 等． 并联型三配流窗口轴向柱塞泵特性 理论分析及试验研究f J 1 ． 机械工程学报， 2 0 1 1 ， 4 7 1 4 1 5 1 1 5 7 ． [ 6 】 权龙． 泵控缸电液技术的研究现状 、 存在问题及创新解决 方案[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 8 ， 4 4 1 1 8 7 9 2 ． [ 7 】 冀鹏飞． 双排油口轴向柱塞泵配流特性建模及数字仿真研 究l D 】 ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 2 ． [ 8 】 杨阳， 权龙 ， 杨敬． 轴向柱塞泵非止点配流窗口过渡区压力 脉动特性分析【 J J _ 机械工程学报， 2 0 1 1 , 4 7 2 4 1 2 8 1 3 4 ． [ 9 】 黎文勇， 王书翰， C O b e n a u s ． 基于S i mu l a t i o n X的斜盘柱塞泵 的模拟仿真I J J ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 3 0 8 3 2 3 6 ． 泅壬 罂 嚣 鬟 萋 耋 一C H 种／ I带 tH自 保 功 能 的 气 动 执 行 机 构 设 计 涵 盖 了 原 理 皇 鬟 设计 、葚 轰 羞 E二 t 2 a t 毒 ． 三 r C W -J 行 机 构 璺 芋 和 流 量 系 数 与 自 保 电 磁 阀 相 匹 依靠其 蔷 ， 7 要 要 述 。 量 三 主 ， 3 。 、目 目、。曾 世白亿 ． 台 三 茎 伏 ’ 肚 微 供 储 气 罐 选 择 的 核 心 是 容 量 计 算 。一 种带 自保功能 一 一 垫 行 是 作 ，望 窖 ． ⋯吴 振 厩 气 压 传 动 与 毒 M ．哈 尔 滨 哈 尔 滨 工 业 容 积应按双作用气缸及正常工作状态下的压力计算。 一 出 版 ， 1 一 一⋯。’。‘ 璧 专 置 昙 阀 的 核 级 气 动 执 行 机 构 研 液 压 时 被 触 碰 ，从 而 避 免 误 操 作 。 由 于 储 气 罐 是 根 据 设 计 三 一2 ⋯2 5⋯- 2 6 ⋯ ⋯一 ～ ～ ⋯ ⋯ 一 ,5 2 ．