【摘要】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部件，它的主要任务是将调节器送来的控制信号按一定比例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，因而广泛应用于电力、冶金、石油、化工等工业部门。
近10年来，由于广泛采用和吸收微机控制技术、微机械技术等成果与成熟经验，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、调节规律的综合、调节参数切换、状态指示、控制量的输出等功能，以提高调节系统的性能、设计和使用等方面的灵活性。
由于电动执行机构是现代火力发电机组运行的关键控制设备，直接关系着机组的发电过程以及机组的安全、经济运行和控制质量，因此，其可靠性一直是广大热控技术人员极为关切的问题。为此，笔者摒弃抽象的理论与公式推导过程，对电动执行机构的可靠性加以探讨，并介绍一种智能型电动执行机构的性能特点。
1 电动执行机构的可靠性
与其它设备一样，电动执行机构的可靠性是指电动执行机构在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。
“规定的条件”一般可概括为以下几个方面：
①环境条件指能影响电动执行机构性能的环境特性，如温度、湿度、气压、磁场、机械冲击、振动、粉尘等；
②动力条件指能影响电动执行机构性能的动力特性；
③负载条件指能影响电动执行机构性能的负载特征，如力矩、被控对象的类型与特性等；
④使用和维护条件电动执行机构的可靠性只有在使用中得以实现，并在维护中得到提高，对于使用和维护条件而言，首先要注意的是完善的使用和维护；其次是必须要求操作者达到相应的技术水平。
“规定的条件”是电动执行机构可靠性定义中最重要而又最容易忽略的部分。不同条件下，电动执行机构的可靠性是绝然不同的，离开具体条件谈可靠性将是毫无意义的。而“规定的功能”是表征电动执行机构完成任务的各参量，如力矩、开/关及时间、行程、不动时间、死区等。
电动执行机构在寿命期内的可靠性变化规律是研究其可靠性的基础，其可靠性取决于早期失效、随机失效及耗损失效；理论上常用可靠度（R）这一定量指标来表征设备的可靠性，它是指设备在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的概率。为简便直观起见，电动执行机构行业在实际使用时，简单地用平均无故障时间（MTBF=∫Rdt）来表征可靠性的特征量，并作为代表电动执行机构可靠性的性能指标。
电动执行机构的可靠性一般受下列主要因素的制约与影响：系统的选择与设计、元件/组件的适用性、动作参数、机械构造、制造技术、制造装配精度、运行与维护人员的能力、操作与维护程序、操作的正确性、维护结果、现场装配与施工条件、备品性能的退化、运输及使用的影响等。
为使电动执行机构具有众多的功能与优异的性能，常常不得不增加系统结构的复杂性，为了保证这些功能与性能在使用时付诸实现，使得可靠性问题更为突出。由于电动执行机构直接控制着机组的运行过程，影响着机组及发电厂的安全与经济运行，因此，研究、分析电动执行机构的可靠性是十分重要和有意义的。
2 电动执行机构故障产生特征
提高电动执行机构的可靠性就要尽可能减少和消除故障，而事实上故障是多种多样的。有的是某一元件失灵引起的，有的是系统中元件/组件综合因素而引起的，有的则是电气、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、精度超差，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进行设计改进才能排除。
2.1 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、安装及管理等质量问题交织在一起。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，也有属于当初设计欠妥，元件选择不当，动作不平稳、定位精度达不到要求等，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
调试后进人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，原先粘附在管壁、孔壁上的毛刺、粘沙、杂质脱落，杂质赃物导致某些元件工作不稳定。一般到运行中期，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差，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。这时应注意全面检查，更换有关失效部件，不应有凑合、对付的想法，应科学、严格地下决心投资，予以全面修复，否则可能给运行人员带来很多麻烦，甚至严重影响机组的正常调节和控制。
2.2 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，其中有非人为因素和人为因素，如位置反馈器件接触不良、刹车片磨损及易抱死、零部件明显损坏、线圈烧坏、密封件失效等。
3 电动执行机构的维护
电动执行机构主要由电机、轴承、齿轮传动系统和电子部分等组成。根据美国军标MIL-HDBK-338发表的可靠性的数据表明，执行器故障主要集中在电极和轴承方面。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%。因此，良好的维护管理能补充电动执行机构的可靠性不足，提高其有效性。
① 应加强润滑油的性能和清洁度的管理
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增大，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，涡轮蜗杆及齿轩等传动部件磨损、老化产生的杂质与水分的渗人，内部涂层的脱落、锈蚀等都会影响润滑油的清洁度。
② 应消除润滑油脂泄漏
由于电动执行机构要求动作频率高、速度快，因此难以避免冲击，它是导致润滑油脂泄漏的一个重要原因，也是维护人员最头疼的难题，需要认真加以解决。
③ 应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使用情况、所处的环境条件、人员知识等因素有着直接的关系。在维护管理上改善其工作环境与使用条件，使之延长寿命。
④ 初期故障期间特别要加强维护
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，要认真地定期检查、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 应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得运行维护人员对电动执行机构的知识、技术水平有了较大提高，然而，仍有不少运行维护人员缺泛应有的专业知识和技术。从电力系统实际情况看，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，这也是维护管理的薄弱环节所在。
4 电动执行机构的设计应便于维护管理
为使运行维护人员方便地进行现场维护管理，在进行电动执行机构系统设计时，要充分考虑到便于维护管理的实施，要有这方面的超前意识，努力做到：
①系统的简化，简单的系统故障率低，维护管理容易；
②标准化程度高、互换性好、容易修复；
③集成化、组合化；
④调整、检查方便；
⑤适当引人故障诊断、容错/纠错等新技术。
5 RK-Z系列智能电动执行机构
5.1 装里概况
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能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硬；
③ 企业对产品的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根据JB/T8219-1999《工业过程测量和控制系统用电动执行机构》，开发了BK-Z系列智能电动执行机构，很好地解决了这些缺陷和不足，深受用户欢迎。BK-Z系列智能电动执行机构系统构成框图如图1所示。
图1 RK-Z系列智能电动执行机构组成框图
如图1所示，来自现场的4~20mA信号（或其他类型信号）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、下限位置进行比较后驱动电机转动，经齿轮箱减速后推动输出轴作上、下位移或角位移，最终实现输入信号对电动执行机构输出位移的控制。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，以标准的4~20mA信号输出给用户作其它用途。
RK-Z系列智能电动执行机构采用全封闭、永磁式交流同步电机，机内传动部件采用精细加工技术，严格控制各零部件质量。执行机构出厂前已加足进口高级油脂，无需保养、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。限位和刹车采用了逐步逼近技术，取消了限位开关和刹车片，解决了长期以来困扰的限位开关易失灵和刹车片易抱死以及刹车时易产生大冲击电流等老大难问题。面板显示采用6位超高亮度LED数码管，可以直观、清晰地显示运行状态及多种报警信息。
5.2 装置优点
①可接受0~10mA，4~20mA，0~5V，1~5V等多种输人信号，输入信号的选择和正、反行程的切换以及上、下限的定位调整等无需打开盖子，只需通过安装在外壳上的几个简单的触摸式按键就可完成；
②具有多种控制方式：输人模拟量控制、无源开关量远程控制、有源（220V交流）开关量远程控制等；
③ 外壳防护等级符合GB 4208要求，达到IP66。
5.3 装置自诊断功能
①当输出轴位移小于行程起始点（0%）或大于行程终点（100%）时，电动执行机构会发出行程超限报警。
②当电网电压聚降甚至停电时，电动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，一旦电压回复正常，电动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，控制电路会暂停向电机驱动方向发出信号并发出显示报警信息（但仍保持反向运动方式），当故障排除后，自动进人正常工作。
④具有多“协议”通信功能：根据用户要求，可设置RS-485等其它通信“协议”，通过通信接口挂接到数据总线上，接收来自系统的指令、数据等协同工作。RK-Z系列智能电动执行机构自面世以来，迅速得到电力系统的认可和选用，目前已有杨树浦、崇明、南市、高桥、洛河、汇元、合肥等30多家电厂的近300套执行机构在运行，很受现场技术人员的青睐，具有良好的应用市场和前景。
6 结束语
在自动控制系统中，电动执行机构是实现自动控制的执行器件，如果选择不当或质量不过关，那么再完美的控制思路、高超的控制策略也难以达到预想的控制效果。因此，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。但是，由于电动执行机构的可靠性受各种复杂、未知因素的影响与制约，其表现形式也是多种多样的，因此作为电动执行机构的制造厂商应努使故障诊断、预防措施、纠错技术更完善。故障定位更准确、维修更容易、操作调整更简便，这将不仅能提高电动执行机构的可靠性，而且会深得广大用户的欢迎。但是，要做到这些仍有大量、细致的工作要做，需要制造厂商与用户的共同努力和配合。