一種單齒輪雙齒條傳動結構設計分析及應用

周衛華，曹家明，胡朝勇，譚秀瓊

(重慶科特工業閥門有限公司，重慶 400037)

0 引 言

隨著我國石油、天然氣工業的發展，油氣輸送管道口徑越來越大、壓力越來越高。在油氣輸送工藝過程中，軸流式調節閥是關鍵的壓力和流量控制設備，它在管道運行中調節輸送壓力和流量，對管道的安全、平穩運行發揮重要作用。在2019年之前，大口徑高壓力軸流式調節閥基本上以國外產品為主，國家管網成立后提出了研發該類設備的國產化項目。

軸流式調節閥工作時，需通過傳動結構將執行器作用在垂直方向的輸入力轉變為水平方向的調節工作力。傳動結構直接影響閥門的運行精度和性能，因此對軸流式調節閥傳動結構的設計就很關鍵。目前軸流式調節閥普遍采用單齒條齒輪、斜齒條等方式實現工作傳動功能。針對大口徑軸流式調節閥傳動，單齒條齒輪結構存在偏心力矩較大、斜齒條結構存在摩擦力較大等不足問題，筆者重點通過對實際工況和傳動結構的分析研究設計出單齒輪雙齒條傳動結構。采用有限元分析法和理論驗算相結合，得出單齒輪雙齒條傳動結構滿足大口徑軸流式調節閥的工作要求，解決了目前軸流式調節閥傳動過程存在的偏心力矩較大、摩擦力較大等問題。

1 傳動結構對比

對軸流式調節閥普遍采用的兩種傳動方式工作原理進行分析，得出該兩種傳動方式在閥門使用過程中存在的不足；對單齒輪雙齒條傳動方式工作原理進行分析，明確了該傳動結構在閥門使用上的特點。

1.1 單齒條齒輪傳動原理及技術要求

工作時閥桿(齒輪)轉動帶動閥芯軸(齒條)做水平直線往返運動(見圖1)，運動過程中齒與齒是線接觸滾動摩擦，摩擦力小。但在傳動過程中存在偏心L(見圖2)，故閥桿輸入力矩被放大L倍才能滿足閥芯軸額定工作力要求，同時結構上存在偏心距L很難做到對稱設計，從而影響流道設計。

1.2 斜齒條傳動原理及技術要求

工作時閥桿(齒條1)做上下運動，因斜角a產生水平分力(見圖4)，從而帶動閥芯軸(齒條2)做水平往返運動(見圖3)，運動過程中齒與齒是面接觸形成滑動摩擦(見圖5),摩擦力大。且閥桿(齒條1)輸入力需要利用斜角a換向，故閥桿(齒條1)輸入力只有部分轉換為閥芯軸(齒條2)工作力，該傳動結構傳動損耗大，傳動效率低。

圖1 傳動示意圖 圖2 結構示意圖

圖3 傳動示意圖 圖4 斜齒角度

1.3 單齒輪雙齒條設計原理

在分析上述兩種傳動結構基礎上，設計了單齒輪雙齒條結構作為軸流式調節閥的傳動部分。工作時閥桿(齒條1)做上下運動，閥桿(齒條1)與齒輪嚙合帶動齒輪做旋轉運動，同時齒輪與閥芯軸(齒條2)嚙合帶動閥芯軸(齒條2)做水平往返直線運動(見圖6)。在運動過程中嚙合都是線接觸滾動摩擦，摩擦力小，同時采用齒輪換向閥桿(齒條1)輸入力傳動損失小，整個過程傳動效率高。且整個結構為對稱結構，有利于軸流式調節閥流道設計。

圖5 工作時接觸狀態 圖6 傳動結構示意圖

2 單齒輪雙齒條傳動結構設計應用分析

2.1 任務及要求

經過上述分析比較，在國產化32″CL600大口徑軸流式調節閥研制中采用了單齒輪雙齒條傳動結構，采用有限元法分析齒輪齒條在運行中的承載能力，目的是得出大口徑軸流式調節閥傳動部分設計和強度理論計算依據。

根據國產化32″CL600大口徑軸流式調節閥任務要求，參照閥門設計手冊計算可得閥門工作最大推力為58 000 N。32″CL600大口徑軸流式調節閥整體設計結構見圖7。

圖7 32″CL600大口徑軸流式調節閥結構圖示

2.2 結構分析

2.2.1 結構有限元分析

2.2.1.1 單齒輪雙齒條傳動結構模型建立

漸開線齒輪齒條傳動模型的齒廓和接觸狀態復雜，利用SolidWorks平臺對齒輪齒條進行參數化建模，將模型簡化后進行仿真計算。建模過程如下。

(1) 確定齒輪齒條嚙合基本參數。

單齒輪雙齒條傳動副模型基本參數見表1。

表1 齒輪齒條基本參數

(2) 建立齒廓方程生成齒輪漸開線。

利用幾何參數和漸開線曲線的參數方程建立精確的漸開線齒輪齒廓曲線。標準漸開線曲線的參數方程可以表示為：

式中：θ為發生線轉過的角度；t為自變量，t∈(0，1)；r為基圓半徑；s為發生轉過線的弧長；x、y、z為漸開線在坐標系中各點的坐標值。

(3) 單齒輪雙齒條傳動模型建立

根據齒輪齒條的模數、齒數、齒寬等幾何參數，建立漸開線齒輪齒條模型。此次主要研究齒輪齒條在軸流式調節閥最大載荷下的嚙合接觸強度，故簡化了分析模型，僅保留嚙合承載狀態下的齒輪齒條。見圖8。

圖8 單齒輪雙齒條傳動模型

2.2.1.2 單齒輪雙齒條傳動模型有限元分析

在傳動過程中形成兩對齒輪齒條嚙合副，即閥桿(齒條1)與齒輪嚙合，閥芯軸(齒條2)與齒輪嚙合。兩對齒輪齒條嚙合副載荷相同、設計參數相同、材料相同、工況相同。本次對兩對齒輪齒條嚙合副基于Ansys Workbench進行有限元分析。

齒輪材料為20CrMnTi，齒條材料為17-4PH，表面處理后硬度HRC≥60。根據分析類型，定義齒輪材料的彈性模量為211 GPa，泊松比0.28，齒條材料的彈性模量為212 GPa，泊松比0.27。

(1) 網格劃分

齒輪齒條線接觸模型設置為一般參數和標準網格，網格大小12 mm，共劃分實體單元24 329個，節點41 487個，如圖9所示。

該有限元模型的節點和單元數目適中，保證了齒輪齒條接觸應力計算的準確性。經網格質量檢查，單元尺寸比較均勻，滿足工程計算需求。

(2) 載荷及約束設置

最大載荷發生在軸流式調節閥全壓差關閉狀態下的工作推力，根據閥門設計手冊計算其最大工作推力為58 000 N，分析在該工況下齒輪齒條接觸強度是否滿足使用要求，此時齒輪扭矩為2 958 N·m。

對齒輪施加鉸約束使齒輪繞中心軸線轉動、齒條全約束，同時施加2 958 N·m的扭矩。見圖10。

(3) 有限元靜力學分析結果

對有限元軟件生產的結果文件進行后處理，齒輪齒條嚙合傳動模型的等效應力云圖(見圖11)所示。

可以看出，齒輪與齒條整體應力小于材料許用應力，局部應力集中在齒輪與齒條接觸面上，與實際情況相符。齒輪齒條嚙合位移云圖(見圖12)最大位移很小約0.016 4 mm，滿足大口徑軸流式調節閥使用要求。

圖9 齒輪齒條嚙合傳動 圖10 載荷與約束示意圖模型網格劃分

圖11 齒輪齒條嚙合Von Mises應力云圖 圖12 齒輪齒條嚙合位移云圖

3 齒輪強度理論計算

根據《實用齒輪設計計算手冊》，需要計算實際工況下齒輪的齒面接觸強度應力和齒根彎曲強度應力，如果小于該材料許用應力， 判斷設計的單齒輪雙齒條傳動結構是滿足大口徑軸流式調節閥的傳動要求的。

3.1 齒面接觸疲勞強度計算

齒面接觸強度受力分析見圖13。

圖13 齒面的接觸應力

計算公式：

硬齒面許用接觸應力[σH]=1 500 MPa，則：

=1 389(MPa)

σH≤[σH],齒面接觸疲勞強度合格。滿足大口徑軸流式調節閥的傳動要求。

3.2 齒根彎曲疲勞強度計算

齒根彎曲疲勞強度受力分析見圖14。

圖14 齒根彎曲應力

計算公式：

式中：齒輪模數mn=6，齒形系數YF=2.23；應力修正系數Ys=1.3,螺旋角系數Yβ=1；齒面許用彎曲應力[σF]=860(MPa)。

σF≤[σF],齒根彎曲疲勞強度合格。滿足大口徑軸流式調節閥的傳動要求。

4 結 語

綜上所述，在國家管網的32″CL600 大口徑軸流式調節閥研制過程中，采用按對稱原理設計的單齒輪雙齒條傳動機構，具有摩擦力小、閥桿和閥瓣傳動軸受力平衡、傳動效率較高、內部流場壓力更均勻等優點。可以更好地保證閥門的調節精度、運行平穩和使用壽命。

同時，由于傳動效率的提高，可以選擇較小功率的執行機構，在保證設備的整體性能的前提下，有效地降低了配套執行機構的采購成本，同時可減少能源消耗，降低運行成本，使得整機具有更好的性能價格比和推廣應用前景。