范 勇，蔡 軍，鄭源源

（揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠有限公司，江蘇揚(yáng)州 225003）

0 引言

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種對(duì)開(kāi)環(huán)/閉環(huán)控制系統(tǒng)中各類電動(dòng)閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置，用以對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉以及自動(dòng)控制。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)部件、手動(dòng)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(hào)，使電機(jī)輸出動(dòng)力，通過(guò)蝸輪蝸桿及離合器將動(dòng)力傳至輸出軸，從而達(dá)到控制閥門(mén)的目的，同時(shí)，當(dāng)需要手動(dòng)時(shí)，通過(guò)手切換部件中的切換手柄進(jìn)行手-電動(dòng)切換，再利用手動(dòng)部件對(duì)閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)等控制；當(dāng)電動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，手切換自動(dòng)復(fù)位。綜上所述，手切換部件是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)重要的組成部分，其功能的可靠性、穩(wěn)定性，操作簡(jiǎn)單、省力等對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整機(jī)性能有著至關(guān)重要的作用。本文設(shè)計(jì)了一種手切換結(jié)構(gòu)，其性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、省力。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)

由于手切換功能的特殊性，其必須具有手柄結(jié)構(gòu)、復(fù)位功能、鎖定功能（電動(dòng)或手動(dòng)狀態(tài)）、手動(dòng)轉(zhuǎn)電動(dòng)時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)等特性。

本文設(shè)計(jì)的框架手切換結(jié)構(gòu)使用的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)為：

額定轉(zhuǎn)矩：1200 N·m；

輸出轉(zhuǎn)速：40 r/min；

運(yùn)動(dòng)方式：多回轉(zhuǎn)。

本文設(shè)計(jì)手切換結(jié)構(gòu)包括框架結(jié)構(gòu)、切換塊結(jié)構(gòu)、手柄結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 框架式手切換結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

正常情況下，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)狀態(tài)，手切換處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)調(diào)試、發(fā)生事故或斷電等情況需要手動(dòng)時(shí)，給手柄施加轉(zhuǎn)矩，切換塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將框架一端向上運(yùn)動(dòng)，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(dá)到手動(dòng)操作電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的目的；當(dāng)恢復(fù)電力時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)蝸輪，導(dǎo)致直立桿倒下，使切換塊、框架、離合器迅速?gòu)?fù)位，離合器與手動(dòng)部件分離，同時(shí)與蝸輪嚙合，從而帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為電動(dòng)狀態(tài)，并鎖定電動(dòng)狀態(tài)。

2 三維建模和受力分析

為了校核切換相關(guān)零件的強(qiáng)度，必須先對(duì)切換整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)受力分析圖

2.1 框架受力分析

對(duì)框架單獨(dú)進(jìn)行受力分析（見(jiàn)圖3、圖4），經(jīng)過(guò)計(jì)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(jié)果，利用仿真模擬軟件進(jìn)行有限元分析。為保證較高的計(jì)算精度，設(shè)定較小的單元尺寸，所得模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為289255，單元數(shù)為170144，根據(jù)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(jì)算所得應(yīng)力云圖及變形云圖5（a）和（b）所示。

圖5

由應(yīng)力云圖可見(jiàn)，應(yīng)力最大值為214 MPa，出現(xiàn)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(xiàn)應(yīng)力集中。

圖6 切換塊受力分析圖

2.2 切換塊受力分析

對(duì)切換塊單獨(dú)進(jìn)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(dǎo)入仿真軟件，劃分網(wǎng)格，所得節(jié)點(diǎn)數(shù)為74200，單元數(shù)為43164，施加線載荷F1，并在切換塊內(nèi)側(cè)與切換軸配合處施加固定約束，計(jì)算所得應(yīng)力云圖及變形云圖如圖7（a）和（b）所示。

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

綜上所述，通過(guò)以上有限元分析結(jié)果可以找出應(yīng)力較大區(qū)域，相應(yīng)的根據(jù)情況進(jìn)行加固，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇具有輔助作用。

圖7

3 結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 樣機(jī)試制

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行生產(chǎn)制造，其部件實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 框架式手切換結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及該框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型和可靠型，對(duì)該切換結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)DL/T641的要求，對(duì)本文設(shè)計(jì)的框架式手切換結(jié)構(gòu)進(jìn)行手-電動(dòng)切換可靠性試驗(yàn)和切換力試驗(yàn)，應(yīng)具備空載試驗(yàn)和加載試驗(yàn)兩種：空載切換，將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電動(dòng)狀態(tài)切換至手動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪正反方向不少于一圈，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使輸出軸正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)不少于一圈，各重復(fù)三次；加載切換，將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，分別調(diào)整開(kāi)關(guān)方向的控制轉(zhuǎn)矩為最小控制轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)逐漸加載直至轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)動(dòng)作，停止后不卸載，重復(fù)上述空載切換的試驗(yàn)步驟。試驗(yàn)的過(guò)程中在切換手柄上安裝力矩扳手，測(cè)試并記錄每次的切換力矩值，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 切換力結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中切換平穩(wěn)靈活可靠，手-電動(dòng)狀態(tài)完全分離，同時(shí)切換力較小，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

手切換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能直接影響整個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能。為了提高電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)手切換的穩(wěn)定性、可靠性和省力的目的，本文設(shè)計(jì)一種手切換結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)利用三維模型和有限元分析軟件對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該手切換結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定可靠并省力，符合整個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

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