多回轉閥門電動執行器的機構設計

蘇州博睿測控設備有限公司 王 煒

為了滿足現代工業生產過程自動化的需求，設計了一種新型的多回轉閥門電動執行器的傳動機構。首先，確定了新型的多回轉閥門電動執行器傳動機構的總體布置；然后，基于虛擬樣機技術對該多回轉閥門電動執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優化提供必要的幫助。

多回轉閥門智能電動執行器具有優秀的防爆防水性能，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。因此，多回轉閥門電動執行器被廣泛使用在一些高濕度和高污染集中的工業環境中，用于快速操作很多大尺寸業閥門。目前，市面上執行器的減速機構主要采用蝸輪蝸桿，工作效率較低。因此，對多回轉閥門執行器的傳動機構進行設計就具有十分重要的意義。

1 電動執行器總體設計

多回轉電動閥門執行器根據減速機構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行器的優缺點進行對比后發現，傳統執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備，主要用來實現自鎖功能。執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后方使用錐形齒輪進行動力傳遞的設計方案。上述傳動機構設計有效提高了系統的工作效率。綜上，本文給出了如圖1所示的多回轉閥口電動執行器傳動機構方案。

圖1 閥門電動執行器總體結構圖

2 詳細結構設計

2.1 電機的選擇

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

表1 永磁無刷直流電動機BLDC-7.5型的標準參數

在電機正常工作場景下，輸出的動力會經過三級減速傳動機構進行減速操作。第一級減速為電機減速機構，由兩級圓柱直齒輪減速機構組成，傳動效率η1=0.97；第二級減速為錐齒輪減速機構，可以實現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，傳動效率η3=0.9；整個傳動機構共用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。可求得執行機構整體認的總傳動效率為：

2.2 傳動機構相關參數確定

根據上述內容可知，本文設計的執行機構是三個輪系結構組成的復合輪系。在本章節中對各級減速機構中的齒輪相關參數進行確定。

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

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

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

3 執行機構三維建模

為了方便對多回轉閥門智能電動執行機構展開后續的分析優化，本文在CATIA中建立三維模型。本節以生成錐齒輪模型為例進行介紹。

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

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 錐齒輪的參數化三維模型

圖3 大錐齒輪的參數化三維模型

圖4 內齒圈的參數化三維模型

按照上述錐齒輪的參數化建模的步驟，對大椎齒輪、大小直齒齒輪、行星輪、行星架，內齒圈等零部件進行三維建模。其中大錐齒輪，內齒圈，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設定并進行調用操作。考慮到系統外殼等零部件建模的復雜程度較高，不在本文中進行贅述。

圖5 直齒輪的參數化三維模型

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。然后對整個執行器系統是否滿足設計要求進行分析，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行機構模型和執行機構整體裝配模型。

圖6 無殼體模型

圖7 執行機構整體模型

結論：本文提出了新型的多回轉閥門智能電動執行器的設計思路。經過合理的安排布置，將整個機構劃分為三個部分電機減速機構，錐齒輪減速機構和行星齒輪減速機構。基于虛擬樣機技術對該型多回轉閥門電動執行器傳動機構中相關齒輪構建三維模型并進行干涉檢查，最終在CATIA中進行裝配。