電動執行機構手切換的設計與研究

范 勇，蔡 軍，鄭源源

（揚州電力設備修造廠有限公司，江蘇揚州 225003）

0 引言

電動執行機構是一種對開環/閉環控制系統中各類電動閥門的驅動裝置，用以對閥門的開啟、關閉以及自動控制。電動執行機構一般由電機、機械傳動部件、手動部件、手切換部件、電控組件等組成，其工作原理為電控組件接收外部控制信號，使電機輸出動力，通過蝸輪蝸桿及離合器將動力傳至輸出軸，從而達到控制閥門的目的，同時，當需要手動時，通過手切換部件中的切換手柄進行手-電動切換，再利用手動部件對閥門進行開關等控制；當電動時，電機轉動，手切換自動復位。綜上所述，手切換部件是電動執行機構重要的組成部分，其功能的可靠性、穩定性，操作簡單、省力等對電動執行機構整機性能有著至關重要的作用。本文設計了一種手切換結構，其性能穩定、操作簡單、省力。

1 總體結構設計及工作原理

1.1 總體設計

由于手切換功能的特殊性，其必須具有手柄結構、復位功能、鎖定功能（電動或手動狀態）、手動轉電動時自動實現等特性。

本文設計的框架手切換結構使用的電動執行機構參數為：

額定轉矩：1200 N·m；

輸出轉速：40 r/min；

運動方式：多回轉。

本文設計手切換結構包括框架結構、切換塊結構、手柄結構，如圖1所示。

圖1 框架式手切換結構

1.2 工作原理

正常情況下，電動執行機構為電動狀態，手切換處于復位狀態。當調試、發生事故或斷電等情況需要手動時，給手柄施加轉矩，切換塊發生旋轉運動，將框架一端向上運動，框架將離合器向上抬升，最終與手輪部件連接，從而使離合器和蝸輪的連接脫離，達到手動操作電動執行機構的目的；當恢復電力時，電機旋轉運動，帶動蝸輪，導致直立桿倒下，使切換塊、框架、離合器迅速復位，離合器與手動部件分離，同時與蝸輪嚙合，從而帶動輸出軸轉動，轉換為電動狀態，并鎖定電動狀態。

2 三維建模和受力分析

為了校核切換相關零件的強度，必須先對切換整體結構進行受力分析。受力圖如圖2所示。

其中，蝸輪圓周力

蝸輪與離合器齒間摩擦力Ff=f·Ft1

圖2 切換結構受力分析圖

2.1 框架受力分析

對框架單獨進行受力分析（見圖3、圖4），經過計算得出壓簧的擠壓力為0.2 kN，另有：

圖3 框架受力分析正視圖

圖4 框架受力分析正視圖

使用上述理論受力分析所得F1、F21、F22的結果，利用仿真模擬軟件進行有限元分析。為保證較高的計算精度，設定較小的單元尺寸，所得模型節點數為289255，單元數為170144，根據理論受力分析，施加線載荷F1、F21、F22，并在銷軸孔處施加固定約束，計算所得應力云圖及變形云圖5（a）和（b）所示。

圖5

由應力云圖可見，應力最大值為214 MPa，出現在離合器與切換框架接觸擠壓處，切換塊與切換框架接觸位置出現應力集中。

圖6 切換塊受力分析圖

2.2 切換塊受力分析

對切換塊單獨進行受力分析，有F1'=F1。受力分析圖如圖6所示。

將切換塊三維模型導入仿真軟件，劃分網格，所得節點數為74200，單元數為43164，施加線載荷F1，并在切換塊內側與切換軸配合處施加固定約束，計算所得應力云圖及變形云圖如圖7（a）和（b）所示。

由切換塊應力云圖及變形云圖可見，應力及變形的最大值均出現在切換塊頂部與切換框架接觸位置，且應力最大值為185 MPa。

綜上所述，通過以上有限元分析結果可以找出應力較大區域，相應的根據情況進行加固，對結構設計及材料選擇具有輔助作用。

圖7

3 結果與驗證

3.1 樣機試制

根據設計結果，對相關零件進行生產制造，其部件實物圖如圖8所示。

圖8 框架式手切換結構實物圖

3.2 試驗驗證

為了驗證設計的合理性及該框架結構的穩定型和可靠型，對該切換結構進行試驗驗證。

根據DL/T641的要求，對本文設計的框架式手切換結構進行手-電動切換可靠性試驗和切換力試驗，應具備空載試驗和加載試驗兩種：空載切換，將電動執行機構從電動狀態切換至手動狀態，轉動手輪正反方向不少于一圈，電動執行機構使輸出軸正反方向轉動不少于一圈，各重復三次；加載切換，將電動執行機構安裝在試驗臺上，分別調整開關方向的控制轉矩為最小控制轉矩，啟動電動執行機構逐漸加載直至轉矩機構動作，停止后不卸載，重復上述空載切換的試驗步驟。試驗的過程中在切換手柄上安裝力矩扳手，測試并記錄每次的切換力矩值，試驗結果如圖9所示。

圖9 切換力結果

試驗過程中切換平穩靈活可靠，手-電動狀態完全分離，同時切換力較小，符合設計要求。

4 結論

手切換結構的設計是整個電動執行機構設計過程非常重要的一個環節，其性能直接影響整個電動執行機構的性能。為了提高電動執行機構手切換的穩定性、可靠性和省力的目的，本文設計一種手切換結構，設計過程中，通過利用三維模型和有限元分析軟件對相關零件進行優化設計，最后通過試驗驗證，證明該手切換結構性能穩定可靠并省力，符合整個電動執行機構的設計要求。

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