多回轉(zhuǎn)閥門電動執(zhí)行器的機構(gòu)設(shè)計

蘇州博睿測控設(shè)備有限公司 王 煒

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的需求，設(shè)計了一種新型的多回轉(zhuǎn)閥門電動執(zhí)行器的傳動機構(gòu)。首先，確定了新型的多回轉(zhuǎn)閥門電動執(zhí)行器傳動機構(gòu)的總體布置；然后，基于虛擬樣機技術(shù)對該多回轉(zhuǎn)閥門電動執(zhí)行器的各種齒輪進行了三維建模。上述工作能夠為之后的仿真及系統(tǒng)優(yōu)化提供必要的幫助。

多回轉(zhuǎn)閥門智能電動執(zhí)行器具有優(yōu)秀的防爆防水性能，配備智能控制方案能夠大幅提高工人操作過程中的安全系數(shù)。因此，多回轉(zhuǎn)閥門電動執(zhí)行器被廣泛使用在一些高濕度和高污染集中的工業(yè)環(huán)境中，用于快速操作很多大尺寸業(yè)閥門。目前，市面上執(zhí)行器的減速機構(gòu)主要采用蝸輪蝸桿，工作效率較低。因此，對多回轉(zhuǎn)閥門執(zhí)行器的傳動機構(gòu)進行設(shè)計就具有十分重要的意義。

1 電動執(zhí)行器總體設(shè)計

多回轉(zhuǎn)電動閥門執(zhí)行器根據(jù)減速機構(gòu)的不同可以進行分為SR、SMC、ZA三個系列。本文在對上述三個系列執(zhí)行器的優(yōu)缺點進行對比后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)執(zhí)行器采用蝸輪蝸桿作為主傳動裝置，因而普遍存在傳遞效率低且傳動扭矩不足的問題。綜上所述，本文選擇使用行星輪作為輸出軸上的主傳動齒輪，人工和電機輸入均可進行控制；蝸輪蝸桿作為手動輸入的設(shè)備，主要用來實現(xiàn)自鎖功能。執(zhí)行器實際運行過程中存在需要改變動力傳輸方向的情況，本文采用在電機減速機構(gòu)后方使用錐形齒輪進行動力傳遞的設(shè)計方案。上述傳動機構(gòu)設(shè)計有效提高了系統(tǒng)的工作效率。綜上，本文給出了如圖1所示的多回轉(zhuǎn)閥口電動執(zhí)行器傳動機構(gòu)方案。

圖1 閥門電動執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)圖

2 詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電機的選擇

本文選擇的驅(qū)動電機為稀土永磁無刷直流電機BLDC-7.5，其標準參數(shù)如表1所示。

表1 永磁無刷直流電動機BLDC-7.5型的標準參數(shù)

在電機正常工作場景下，輸出的動力會經(jīng)過三級減速傳動機構(gòu)進行減速操作。第一級減速為電機減速機構(gòu)，由兩級圓柱直齒輪減速機構(gòu)組成，傳動效率η1=0.97；第二級減速為錐齒輪減速機構(gòu)，可以實現(xiàn)兩相交軸的動力傳遞，傳動效率為η2=0.94；第三級是行星輪系減速機構(gòu)，傳動效率η3=0.9；整個傳動機構(gòu)共用3對滾動軸承，每對軸承的傳動效率為η4=0.98。齒輪的加工精度選為8級，加工過程中采用油潤滑?？汕蟮脠?zhí)行機構(gòu)整體認的總傳動效率為：

2.2 傳動機構(gòu)相關(guān)參數(shù)確定

根據(jù)上述內(nèi)容可知，本文設(shè)計的執(zhí)行機構(gòu)是三個輪系結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合輪系。在本章節(jié)中對各級減速機構(gòu)中的齒輪相關(guān)參數(shù)進行確定。

電機減速設(shè)計：4個直齒輪選定模數(shù)：2.5。小直齒輪1和3的齒數(shù)：17，分度圓直徑：42.5mm；大直齒輪2和4的齒數(shù)：24，25，分度圓的直徑：60mm，62.5mm。兩隊直齒輪中心距：51.25mm，52.5mm。

錐齒輪減速設(shè)計：選定兩錐齒輪軸交角：90°，模數(shù)：3。小錐齒輪的齒數(shù)：17，分度圓直徑：51mm；大椎齒輪的齒數(shù)：66，分度圓直徑：198mm。大小錐齒輪的節(jié)錐角：14.4°，75.56°，兩者間的錐距：177.5mm。

行星輪減速設(shè)計：選定NGW型行星齒輪，模數(shù)：2.5。太陽輪的齒數(shù)：37，分度圓直徑：92.5mm；行星輪的齒數(shù)：17，分度圓的直徑：42.5mm；內(nèi)齒圈的齒數(shù)：712，其分度圓直徑：177.5mm。

3 執(zhí)行機構(gòu)三維建模

為了方便對多回轉(zhuǎn)閥門智能電動執(zhí)行機構(gòu)展開后續(xù)的分析優(yōu)化，本文在CATIA中建立三維模型。本節(jié)以生成錐齒輪模型為例進行介紹。

為了完美構(gòu)造齒輪的齒形曲面，首先需要創(chuàng)建輪齒的漸開線曲線，在CATIA中主要通過fog(x) 法則實現(xiàn)。法則函數(shù)為：

其中，r1為基圓半徑，t為展角（弧度）。

錐齒輪三維模型如圖2所示：

圖2 錐齒輪的參數(shù)化三維模型

圖3 大錐齒輪的參數(shù)化三維模型

圖4 內(nèi)齒圈的參數(shù)化三維模型

按照上述錐齒輪的參數(shù)化建模的步驟，對大椎齒輪、大小直齒齒輪、行星輪、行星架，內(nèi)齒圈等零部件進行三維建模。其中大錐齒輪，內(nèi)齒圈，直齒輪如圖3～圖5所示。其他零部件如軸承、墊圈等均可從CATIA軟件自帶的模型庫中進行參數(shù)設(shè)定并進行調(diào)用操作?？紤]到系統(tǒng)外殼等零部件建模的復(fù)雜程度較高，不在本文中進行贅述。

圖5 直齒輪的參數(shù)化三維模型

在各部分零部件完成模型建立之后，需要對整個執(zhí)行器進行裝配。本文分別按照固定的裝備順序，對建立的零件進行裝配處理。然后對整個執(zhí)行器系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求進行分析，并在裝配殼體之前還需要進0行最后的干涉檢查。圖6和圖7所示分別為無殼體的執(zhí)行機構(gòu)模型和執(zhí)行機構(gòu)整體裝配模型。

圖6 無殼體模型

圖7 執(zhí)行機構(gòu)整體模型

結(jié)論：本文提出了新型的多回轉(zhuǎn)閥門智能電動執(zhí)行器的設(shè)計思路。經(jīng)過合理的安排布置，將整個機構(gòu)劃分為三個部分電機減速機構(gòu)，錐齒輪減速機構(gòu)和行星齒輪減速機構(gòu)?；谔摂M樣機技術(shù)對該型多回轉(zhuǎn)閥門電動執(zhí)行器傳動機構(gòu)中相關(guān)齒輪構(gòu)建三維模型并進行干涉檢查，最終在CATIA中進行裝配。