摘 要：论述了电动阀门在电动操作和手动操作模式下，其过力矩的产生机理。分析了手动操作时，由于人或工具等的不同，对电动执行机构输入力矩亦不相同，从而造成电动执行机构或阀门损坏的可能性增加，甚至造成阀门永久性损坏。探讨了力矩扳手对手动输入的力矩进行限制，从而避免手动操作过力矩的发生，又能保证阀门关闭到位。介绍了使用力矩扳手进行电动阀门力矩校验的具体方法，使得现场无阀门诊断装置力矩校验成为可能。

关键字：进口电动球阀

1 概述

电动执行机构又称电动阀门驱动装置、电动装置、电动执行器或电动头等。在标准DL/T641－2005及JB/T8528－1997等中规定，电动执行机构应有手动操作机构。手动操作机构的主要功能是当电动执行机构无法电动操作时，用来打开或关闭阀门，以满足试验或设备正常运行的要求。电动执行机构执行电动操作时，由于有过载保护，不会造成电动执行机构和阀门本体的严重损坏。电动执行机构手动操作时，无任何保护，若操作中出现过力矩，严重的会导致电动执行机构或阀门本体永久性损坏。本文对电动执行机构手动操作模式下容易过力矩的原因进行了深入分析，并引入力矩扳手避免手动操作过程中的过力矩，介绍了使用力矩扳手校验电动执行机构力矩设定值方法。

2 电动执行机构

2.1 传动原理

电动执行机构按输出运动形式可以分为多回转、直行程或角行程等几类。电动操作时电机的动力由中间轴、蜗杆、电动齿轮传递到输出轴传动齿轮，将动力传递到输出轴，完成对阀门的电动开、关。手动操作时，通过手柄的操作或自动将手轮与输出轴传动齿轮啮合，输出轴传动齿轮与电机齿轮脱开。转动手轮，则操作力通过手轮传递到输出轴传动齿轮，从而带动输出轴转动实现阀门的手动开、关。

2.2 手动操作

根据现场使用的不同，手动操作机构的基本传动形式分为低速挡和高速挡两种。

（1）用手轮直接驱动输出轴完成阀门的开、关，称为低速挡手动操作机构，多用于输出转矩300N·m以下的产品，低速挡手动操作机构的输出转速与手动输入转速的关系是1∶1。

（2）通过减速机构驱动阀门开、关，称为高速挡手动操作机构，多用于输出转矩500N·m以上的产品。高速挡手动操作机构的输出转速与手动输入转速的关系是1∶N，N取决于高速挡手动操作机构的手动减速比或二级减速器的减速比，其中N＞1。高速挡手动操作机构的典型结构主要有两种。①电动执行机构内部自带手动操作减速齿轮，只是在手轮与输出轴传动齿轮增加了二级减速齿轮。②电动执行机构输出轴连接二级减速器，然后传递至阀门本体（图1）。

图1 电动执行机构输出轴连接二级减速器

3 过力矩分析

3.1 电动操作

阀门电动执行机构电动操作时，输出力矩M_valve为

    （1）

式中  M_valve———阀门输出力矩

T_motor———电机输出力矩

i———传动比

η———传动效率

根据阀门的使用地点、介质类型、压力、温度和材料等，可以得出阀门的计算关闭力矩和计算开启力矩，然后据此选择合适的电动执行机构。

当与阀门配套的电动执行机构选择完成后，则电动执行机构的最小控制转矩、额定转矩和最大控制转矩均标注在设备铭牌上面，是已知的。在电动操作时，若行程控制机构或力矩控制机构未及时动作，导致电动执行机构堵转时，由于电动执行机构的供电回路中带有过载保护，且电动执行机构内部有热保护元件，能及时切断电路，保护电动执行机构。

电动执行机构堵转时，电动执行机构的输出力矩约为最大控制转矩的1.3～1.8倍。因此，电动执行机构电动操作时的过力矩是可知的，且力矩变化不大，对阀门本体的损害较小。在某电厂调试过程中，曾先后有十几台阀门由于相序错误、力矩开关拒动、接线错误等造成电动执行机构堵转，现场阀门检查均无损伤。

3.2 手动操作

手动操作电动执行机构时，电动装置的输出力矩T_o为

    （2）

式中  T_o———手动操作输出力矩

T_h———人力施加在手轮上的力矩

i_h———手动速比

η_h———手动操作时的传动效率

F_h———手动施加在手轮上的力

r———手轮半径

由于不同操作者、不同时间或不同工具施加在手轮上的力不同，T_o随时在变化。

（1）低速挡

低速挡手动操作机构的手动速比为1∶1，其传递效率较高，假设η_h=0.85，以ST6电动执行机构为例（表1），则需要人为施加在电动执行机构手轮上的力由式（2）得到

60N·m=T_h×1×0.85=_Fh×0.15×1×0.85

从而得出F_h=470N。

由于470N相当于人提起47kg的重物，正常人操作时，需要很用力。

表1 ST6电动执行机构参数

（2）高速挡

高速挡手动操作机构的手动速比为N∶1，因其为多级传动，效率较低，假设η_h=0.2，以2HQ3031－1/2型电动执行机构为例（表2），则需要人为施加在电动执行机构手轮上的力由式（2）得到

6000N·m=T_h×3000×0.2=F_h×0.1×3000×0.2

从而得出F_h=100N。

表2 2HQ3031－1/2型电动执行机构参数

通常条件下，人的臂力约为250N，相当于提起25kg的重物，因此100N仅需要用一半的臂力即可达到。若是在现场按正常臂力操作阀门，即使仅仅为250N，也会造成阀门受到的力矩超过15kN·m，是力矩要求值的2.5倍。若用力操作，假设为600N，会造成阀门受到的力矩超过36kN·m，是力矩要求值的6倍，很容易造成阀门损坏。

（3）分析

力矩需求较小的电动执行机构，其手动速比也较小，一般为1。若是力矩需求较大，在不改变手动速比的情况下，需要增加手轮半径，以对阀门输出足够力矩。若力矩需求大于500N·m，则需要使用高速挡手动操作机构（表3）。

表3 电动执行机构输出力矩与手轮、手动速比的关系

低速挡手动操作机构输出力矩较小，但由于无二级传动，需要人为施加的力较大。高速挡手动操作机构输出力矩较大，但由于手动速比较大，需要人为施加的力较小。因此，对高速挡手动操作机构进行操作时，即使人为施加的力增大很小，则传递至阀门的力矩会变为几倍甚至十几倍的额定力矩，在如此大的力矩下，极易造成电动执行机构或阀门本体的严重损坏。即，随着手动速比的增大，手动操作过力矩的可能性也越大，而且过力矩的变化范围也较大。

3.3 实例

某核电厂1号机组调试过程中，曾经发生过电动执行机构手动操作过力矩的情况。将电动执行机构参数（表4）代入式（2）计算得出

表4 ST14电动执行机构参数

300N·m=T_h×2×0.85=F_h×0.255×2×0.85

从而得出F_h=692N。

由于需要的力比较大，现场由两人使用F扳手进行操作。操作一次后，电动执行机构无法再进行电动和手动操作。解体电动执行机构检查，发现电动执行机构与阀门连接部分已断裂变形，无法继续使用，只能更换。经分析，由于输入力矩远大于额定力矩，造成电动执行机构零部件无法承受如此大的力矩而损坏。

4 力矩扳手

根据《0426G4001核岛阀门通用技术条件》要求，在行程的起、止点时的总操作力不大于600N，不论是否采用减速齿轮装置，在手动操作装置的切向操作力等于900N时，阀门不应产生永久变形，截止阀的密封面不应有损伤。JB/T8531－2013要求，手动装置最大手轮力一般应小于300N。手动装置最大手轮直径一般不能超过阀门结构长度。手动装置瞬时承受2倍额定转矩或推力时，所有承载零件不应有损坏现象。

阀门在设计时已考虑了操作过力矩的可能性，因此都留有裕量，但要求操作的过力矩不能超过2倍额定转矩。一般的阀门在正常成年人用力操作仍无法关紧时，则需立即使用力矩扳手进行校验，而不能随意增加力矩。

4.1 力矩计算

对于力矩控制阀门关闭的闸阀或截止阀等，在到达阀门全关位置，电机输出转矩达到阀门的设定力矩时，力矩开关动作而断开电源。但由于电机本身的惯性，无法立即停止转动，在电机完全停转时，其阀门实际关闭力矩＞阀门设定力矩。使用力矩扳手（已根据阀门关闭力矩需求设定好力矩值）手动操作时，由于达到力矩扳手的设定值会停止手动操作，因此，通过力矩扳手施加的力矩≤阀门设定力矩。在最终阀门关闭到位时，通过力矩扳手施加的力矩=阀门设定力矩。手动操作惯性可以忽略，因此，使用力矩扳手手动关闭阀门时，阀门的关闭力矩是静态的、固定的、可计算的。

4.2 力矩扳手设定值

阀门出厂设定力矩在阀门出厂文件中都有明确标注，且阀门出厂设定力矩已根据阀门的设计计算值留出了足够的裕度，以确保阀门可以关闭到位。国内厂家设定力矩一般为1.5～2.0倍的设计计算值，国外厂家设定力矩一般为1.2～1.5倍的设计计算值。若不满足该裕度时，则需确认出厂设定力矩是否正确。因此，根据阀门的出厂设定力矩可以推算力矩扳手的设定值Tw。

    （3）

式中  T_v———阀门出厂设定力矩

Tw———力矩扳手计算设定力矩

考虑到力矩扳手精度及操作误差，根据现场实际，考虑到手动操作与电动操作的不同，将力矩扳手计算值增加一定的系数，以保证阀门关闭到位，即

    （4）

式中  λ———考虑力矩扳手精度及操作误差的修订系数（λ=1.2）

Ts———力矩扳手实际设定力矩

JB/T8531－2013要求，手动装置瞬时承受2倍额定转矩或推力时，所有承载零件不应有损坏现象。因此，使用力矩扳手操作时，由于手轮的最大输入力矩仅为额定转矩的1.2倍，因此不会对阀门零部件造成损坏，还可以保证阀门关闭到位。

4.3 校验电动执行机构设定力矩

（1）方法

如果电动执行机构各部件均正常，但仍无法将阀门关紧时，可以使用力矩扳手对电动执行机构的设定力矩进行校验。将力矩扳手定值设为计算设定力矩Tw，即不考虑修订系数。然后使用力矩扳手手动关闭阀门（额定工况下），将力矩扳手动作位置与电动关闭停止位置进行对比。

①若力矩扳手动作位置在电动关闭停止位置之后，即手动关得更多，则说明电动执行机构力矩设定值偏小，需对力矩设定值进行调整。

②若力矩扳手动作位置在电动关闭停止位置之前，即电动关得更多，则此时，将力矩扳手定值设为1.2Tw。若力矩扳手动作位置在电动关闭停止位置之前，即电动关得更多，则说明电动执行机构力矩设定值足够，无问题，阀门无法关紧是由于阀门的问题或设计计算值错误造成。若力矩扳手动作位置在电动关闭停止位置之后，即手动关得更多，则应使用专业电动阀门诊断装置对电动执行机构进行分析，以确认电动执行机构力矩设定是否正确。

（2）转接件

使用力矩扳手无法直接操作手轮，需根据现场实际加工力矩扳手与电动执行机构手轮输出轴的转接件，从而实现力矩扳手手动操作阀门（图2、图3）。

图2 手轮与转接件

图3 使用力矩扳手操作

（3）校验

制造商提供的电动执行机构出厂力矩设定值为170N·m，手轮速比i=4.38，传递效率η=0.90，则

现场力矩扳手设定值在40N·m，关闭阀门，阀门停止位在电动关闭位之后，即在40N·m作用力下，阀门可以顺利通过电动关闭停止位，并且可以关的更多一点（图4，图5）。

图4 不同操作模式下，阀门关闭停止位置

手轮在40N·m作用力下，电动执行机构的输出力矩为

Tw=4.38×0.9×40=157.68N·m

因此，可以确认电动执行机构定值在157.68N·m以下，并非厂家提供的170N·m。经制造商确认，电动执行机构的出厂设定值为137N·m，而该阀门电动执行机构的设计计算关闭力矩为135.29N·m，未留出足够的裕度，因此导致阀门无法电动全关。由制造商对电动执行机构的力矩设定值进行了调整。为防止后期仍出现此类问题，决定增大裕度，将力矩设定值调整为191.7N·m。调整后，阀门可以电动全关到位。

图5 力矩调整后关闭停止位置与力矩扳手操作停止位置

现场使用力矩扳手，设定值为1.2Tw=52N·m，手动关闭阀门，阀门可以全关，无泄漏。

5 结语

电动阀门在使用过程中，不可避免地会出现阀门无法关闭到位的情况。盲目的采用增加力矩的方式关闭阀门极有可能造成电动执行机构损坏和阀门零部件损坏。力矩扳手的使用，给现场解决此类问题提供了方法。在某电厂调试过程中，该方法帮助现场解决了多台阀门无法关紧的问题，避免了阀门的损坏，并成功判断出4台阀门力矩值偏小，为现场解决阀门故障提供了支持。