趙 藝 紅， 彭 彥 平， 靳 永 強(qiáng)， 龐 桂 兵， 卜 繁 嶺

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.大連四方電泵有限公司， 遼寧 大連 116045 )

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閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

趙 藝 紅1， 彭 彥 平1， 靳 永 強(qiáng)2， 龐 桂 兵1， 卜 繁 嶺1

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.大連四方電泵有限公司， 遼寧 大連 116045 )

為了解決特殊液體輸送過(guò)程中閥門自動(dòng)開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)過(guò)程無(wú)泄漏的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于三相交流異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)和行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)的屏蔽式電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。利用力學(xué)分析方法對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的薄弱環(huán)節(jié)軸承進(jìn)行了受力分析。通過(guò)更改軸承型號(hào)，解決軸承承載能力差的問(wèn)題。利用效率分析法對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的反向自鎖問(wèn)題進(jìn)行了研究，同時(shí)給出了保證反向自鎖應(yīng)采取的措施。設(shè)計(jì)了基于PLC和變頻器的控制系統(tǒng)，能夠保證閥門開(kāi)關(guān)的可靠性。實(shí)際應(yīng)用證明所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置能夠滿足生產(chǎn)實(shí)際自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門的需要。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置；屏蔽式；行星輪系；反向自鎖

0 引 言

原子能、航天、石油、化工、輕工、食品等自動(dòng)化設(shè)備，有些需要輸送具有毒性、腐蝕性、高溫、高壓等特殊液體，由于這些液體的危險(xiǎn)性，在運(yùn)行時(shí)，往往需要自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的控制。這就需要一種驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門自動(dòng)開(kāi)關(guān)[1-3]。特別是應(yīng)用于球閥開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)裝置，要能夠完成閥芯正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)90°，同時(shí)還要保證輸送的液體無(wú)泄露。

目前有企業(yè)研究開(kāi)發(fā)了相關(guān)的驅(qū)動(dòng)裝置，但都是采用非標(biāo)準(zhǔn)伺服、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)效率低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，還有的驅(qū)動(dòng)裝置存在開(kāi)關(guān)閥門定位不準(zhǔn)、到位沖擊卡死和反向自鎖性能差等問(wèn)題，不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。作者開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于屏蔽式三相交流異步電動(dòng)機(jī)和行星輪系傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：電機(jī)的輸出軸是行星輪系的輸入軸，行星輪系的輸出軸直接驅(qū)動(dòng)閥芯軸，電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間采用一個(gè)非磁性薄壁套進(jìn)行隔離。安裝時(shí)，此驅(qū)動(dòng)裝置與閥門殼體之間采用靜密封結(jié)構(gòu)直接連接，整體結(jié)構(gòu)中無(wú)須動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，因此不存在泄露的問(wèn)題。同時(shí)閥門在開(kāi)或關(guān)之后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)行星輪系具有的反向傳動(dòng)自鎖性，可以保證開(kāi)關(guān)狀態(tài)的可靠性，能夠滿足特種液體輸送裝置中的閥門開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制的需求。

1 驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)能力為200 N·m，開(kāi)關(guān)時(shí)間(閥芯轉(zhuǎn)90°所需時(shí)間)在10 s 之內(nèi)。因?yàn)閼?yīng)用在特殊環(huán)境，還要求驅(qū)動(dòng)裝置能夠承受125g的沖擊加速度。閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)上沒(méi)有動(dòng)密封，只有在閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置的外殼處有靜密封，因此可以做到完全無(wú)泄漏，特別適合輸送易燃、易爆、貴重液體和有毒、腐蝕性及放射性液體[4]。

(2)定子屏蔽套，采用非磁性、耐腐蝕、高電阻的材料制成，這樣使電機(jī)的有效非導(dǎo)磁間隙增大。屏蔽套既要薄，又要有足夠厚度以便有足夠機(jī)械強(qiáng)度和耐介質(zhì)腐蝕，因此定子套厚度為0.4～0.5 mm[5]。

(3)轉(zhuǎn)子軸與減速器輸入軸共用一個(gè)軸，提高了轉(zhuǎn)子與減速器的同心度，傳動(dòng)更平穩(wěn)，有利于減震降噪。

(4)采用行星輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由固定齒輪、輸出齒輪、雙聯(lián)齒輪和滾動(dòng)軸承組成，固定齒輪為內(nèi)齒輪與機(jī)座筒連接不旋轉(zhuǎn)，輸出齒輪為內(nèi)齒輪與閥門閥桿連接輸出扭矩，雙聯(lián)齒輪為外齒輪通過(guò)滾動(dòng)軸承固定在轉(zhuǎn)子軸上隨軸旋轉(zhuǎn)。

由于行星齒輪傳動(dòng)中有效地利用了功率分流和輸入、輸出的同軸性以及合理地采用了內(nèi)嚙合，行星輪系傳動(dòng)與普通定軸齒輪傳動(dòng)相比較，具有質(zhì)量小、體積小、傳動(dòng)比大等特性，可以提高閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)承載能力和傳動(dòng)效率并使傳動(dòng)更加平穩(wěn)[6]。

2 驅(qū)動(dòng)裝置軸承強(qiáng)度的校核

傳動(dòng)裝置中軸承是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)要求軸承能夠承受125g沖擊加速度，軸承所承受的額定動(dòng)載荷是影響閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置能否正?？煽窟\(yùn)行的關(guān)鍵[7-8]，因此對(duì)本裝置的軸承做以下校核。

各軸承編號(hào)如圖1所示，各軸承均不受軸向力，所用軸承均選深溝球軸承，各軸承型號(hào)如下：軸承1-61904，軸承2-61907，軸承3-61804，軸承4-61902，軸承5及軸承6-61908。

2.1 裝置中軸的質(zhì)量和重心計(jì)算

2.1.1 裝置中軸的質(zhì)量

根據(jù)CAD圖紙中的尺寸及軸的密度ρ=7.85 t/m3，軸的總質(zhì)量為2.18 kg。

2.1.2 軸的重心計(jì)算

在校核軸上61904、61907深溝球軸承的動(dòng)靜載荷時(shí)，應(yīng)先計(jì)算軸的重心，此時(shí)應(yīng)將軸承3(m3)、軸承4(m4)以及雙聯(lián)齒輪(md)的質(zhì)量加在軸上。

總質(zhì)量

mt=m(軸)+m3+m4+md=2.414 kg

根據(jù)力矩公式

M=FL

(1)

力矩平衡原理

∑M=0

(2)

可得，雙聯(lián)齒輪的重心在距雙聯(lián)齒輪大端15.97 mm 處，軸的重心在距軸最上端61.96 mm。

2.2 校核軸承的額定動(dòng)載荷

2.2.1 雙聯(lián)齒輪徑向力的計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，驅(qū)動(dòng)裝置的行星輪系，可簡(jiǎn)化為如圖2所示簡(jiǎn)圖。

已知：電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 500 r/min(行星輪架)，輸出轉(zhuǎn)矩為200 N·m(齒輪a軸的扭矩)。

圖2 行星輪系

根據(jù)齒輪受力公式

Ft=2T/d

(3)

Fr=tanβFt

(4)

式中：T為轉(zhuǎn)矩，N·m；β為壓力角20°；Ft為切向力，N；Fr為徑向力，N。

計(jì)算得Fcr=3.42 kN(齒輪c受到的徑向力)，F(xiàn)dr=2.60 kN(齒輪d受到的徑向力)。

2.2.2 校核軸承的額定動(dòng)載荷

當(dāng)受到高頻段(160 Hz以上)沖擊載荷時(shí)，a=125g；軸上軸承1、2所受的力分別為R1、R2，受力分析如圖3所示。

圖3 軸承1、2受力分析

加速度方向向左時(shí)，根據(jù)公式(2)力矩平衡原理，軸承1、2受力情況如圖3(a)所示。

R1+R2=mza+Tdr+Tcr

7.55R1+96.9R2=61.96mza+114Tdr+133Tcr

可得R1=-0.723 kN(軸承1受的力為0.723 kN，方向與圖示相反)，R2=9.7 kN。

當(dāng)加速度方向向右時(shí)，根據(jù)公式(2)力矩平衡原理，軸承1、2受力情況如圖3(b)所示。

R1+R2+Tdr+Tcr=mza

7.55R1+96.9R2+114Tdr+133Tcr=61.96mza

可得R1=3.036 kN，R2=-6.009 kN(軸承2受的力為6.009 kN，方向與圖示相反)。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，軸承1、2額定動(dòng)載荷，根據(jù)計(jì)算當(dāng)加速度方向向左時(shí)，軸承2所受的力大于額定承受載荷，因此設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)更換軸承。

由于本軸承需要軸向定位，因此不能換成角接觸球軸承，若增大軸承外徑尺寸以增大軸承所能承受的額定載荷，軸承與其他部件發(fā)生干涉，因此，只能減小本段軸的直徑尺寸，減小軸承內(nèi)徑，換用16006軸承。進(jìn)行重新校核后，滿足設(shè)計(jì)要求。因此應(yīng)將軸承2由61907(額定動(dòng)載荷為9.5 kN) 換成16006(額定動(dòng)載荷為11.2 kN)以增大軸承額定載荷，使軸承受到?jīng)_擊時(shí)，能正常運(yùn)作，不影響設(shè)備的性能。

除此情況外，分別校核雙聯(lián)齒輪內(nèi)部軸承61804、61902的額定動(dòng)載荷，輸出齒輪上兩個(gè)61908軸承的動(dòng)載荷，不論加速度方向?yàn)楹危S承所受的力均小于額定動(dòng)載荷，故其他軸承的選用均合理。

3 驅(qū)動(dòng)裝置的反向自鎖分析

本閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置需要具有反向自鎖功能，以保證閥門開(kāi)關(guān)的可靠性。本設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是行星輪系，電驅(qū)動(dòng)自鎖問(wèn)題實(shí)際上就是行星輪系反向傳動(dòng)自鎖的問(wèn)題，而行星輪系反向傳動(dòng)自鎖的問(wèn)題，通常是通過(guò)反向傳動(dòng)效率來(lái)進(jìn)行研究討論的。

根據(jù)CAD圖紙，電驅(qū)動(dòng)所用行星輪系原理圖如圖2所示，屬于2k-H型行星輪系。

3.1 傳動(dòng)比關(guān)系

H主動(dòng)時(shí)(b固定)

(5)

a主動(dòng)時(shí)(H固定)

(6)

3.2 傳動(dòng)效率

H主動(dòng)時(shí)(b固定，正向驅(qū)動(dòng))，

(7)

式中，φH=∑φi，φi相當(dāng)于定軸傳動(dòng)各齒輪副嚙合損失系數(shù)，一般在0.02～0.005[9]。

計(jì)算得

a主動(dòng)時(shí)(b固定，反向驅(qū)動(dòng))

(8)

計(jì)算得

4 驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)

為了確保閥芯軸準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)開(kāi)或關(guān)，需要對(duì)屏蔽式電機(jī)進(jìn)行控制。因?yàn)殡姍C(jī)是非標(biāo)準(zhǔn)三相交流屏蔽電機(jī)，而設(shè)計(jì)要求電機(jī)能夠進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)，因此控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、定位傳感器組成，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)

Fig.4 Drive control system

安裝在閥門芯軸外殼上的定位傳感器，可檢測(cè)到閥芯上的動(dòng)定位檢測(cè)塊的位置，如圖5所示。傳感器采用非接觸式耐高溫感應(yīng)傳感器，傳感器在0°～90°內(nèi)共設(shè)置4個(gè)，分布情況見(jiàn)圖5。

圖5 定位傳感器和限位塊的分布

當(dāng)閥芯上的動(dòng)定位檢測(cè)塊旋轉(zhuǎn)到某個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的角度時(shí)，相應(yīng)的傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)給PLC，PLC根據(jù)發(fā)信號(hào)的傳感器的位置，可以判斷閥芯處于開(kāi)或關(guān)的過(guò)程中的角度位置。根據(jù)這個(gè)角度位置，PLC控制變頻器，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速越來(lái)越慢，在轉(zhuǎn)到最后的傳感器位置時(shí)，延時(shí)幾秒鐘后電機(jī)斷電，閥芯在碰到靜限位塊后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成閥門的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

5 結(jié) 論

(1)當(dāng)在受到高頻沖擊時(shí)，軸承2所受的力大于額定的動(dòng)載荷，設(shè)計(jì)不合理。更換為16006軸承，滿足承載要求，可以保證閥門屏蔽式驅(qū)動(dòng)裝置能正?？煽窟\(yùn)行。

(2)電傳動(dòng)裝置采用自鎖設(shè)計(jì)，不會(huì)因?yàn)榉礇_擊力而出現(xiàn)閥門自行開(kāi)啟和關(guān)閉現(xiàn)象。也不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)不到位的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)閥門開(kāi)關(guān)位置準(zhǔn)確控制。

(3)要使行星輪系反向驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生自鎖，需使行星輪系反向驅(qū)動(dòng)的效率為負(fù)值，可通過(guò)如下途徑實(shí)現(xiàn)：

①提高傳動(dòng)比，但正向傳動(dòng)效率也會(huì)降低；

②定軸傳動(dòng)各齒輪副嚙合損失系數(shù)增大，但正向傳動(dòng)效率也會(huì)降低；

③增大齒輪壓力角。重合度系數(shù)會(huì)降低、齒變胖、承載能力增加，效率會(huì)降低。

因閥門不是頻繁開(kāi)關(guān)，為確保開(kāi)關(guān)狀態(tài)可靠，可以采用適當(dāng)降低傳動(dòng)效率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)反向傳動(dòng)的自鎖。

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Design and analysis of the shield driven device for valve

ZHAO Yihong1, PENG Yanping1, JIN Yongqiang2, PANG Guibing1, BU Fanling1

( 1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China； 2.Dalian Sifang Motor-Pump Corporation Limited, Dalian 116045, China )

Shielded motor drive system was designed based on three-phase AC inducting motors and planetary gear drive technology to solve the problem of the valve switched automatically and non leakage in the special liquid delivery process. The bearing force was analyzed using mechanics analysis method. The problem of poor bearing capacity could be solved by changing the bearing model. Reverse self-locking of the drive device was researched by efficiency analysis method, and the measures were given to ensure the self-locking. Control system based on PLC and inverter was designed to ensure the reliability of the valve switch. It was concluded that the device could meet the needs of the actual production.

motor driving device; shielding type; planetary gear train; self-locking

2015-05-22.

趙藝紅(1990-)，女，碩士研究生；通信作者：彭彥平(1962-)，男，教授.

TH122

A

1674-1404(2016)06-0486-04

ZHAO Yihong, PENG Yanping, JIN Yongqiang, PANG Guibing, BU Fanling. Design and analysis of the shield driven device for valve[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 486-489