蘇州博睿測(cè)控設(shè)備有限公司 王 煒

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的需求，設(shè)計(jì)了一種新型的多回轉(zhuǎn)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。首先，確定了新型的多回轉(zhuǎn)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體布置；然后，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該多回轉(zhuǎn)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器的各種齒輪進(jìn)行了三維建模。上述工作能夠?yàn)橹蟮姆抡婕跋到y(tǒng)優(yōu)化提供必要的幫助。

多回轉(zhuǎn)閥門(mén)智能電動(dòng)執(zhí)行器具有優(yōu)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(guò)程中的安全系數(shù)。因此，多回轉(zhuǎn)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器被廣泛使用在一些高濕度和高污染集中的工業(yè)環(huán)境中，用于快速操作很多大尺寸業(yè)閥門(mén)。目前，市面上執(zhí)行器的減速機(jī)構(gòu)主要采用蝸輪蝸桿，工作效率較低。因此，對(duì)多回轉(zhuǎn)閥門(mén)執(zhí)行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)就具有十分重要的意義。

1 電動(dòng)執(zhí)行器總體設(shè)計(jì)

多回轉(zhuǎn)電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器根據(jù)減速機(jī)構(gòu)的不同可以進(jìn)行分為SR、SMC、ZA三個(gè)系列。本文在對(duì)上述三個(gè)系列執(zhí)行器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)執(zhí)行器采用蝸輪蝸桿作為主傳動(dòng)裝置，因而普遍存在傳遞效率低且傳動(dòng)扭矩不足的問(wèn)題。綜上所述，本文選擇使用行星輪作為輸出軸上的主傳動(dòng)齒輪，人工和電機(jī)輸入均可進(jìn)行控制；蝸輪蝸桿作為手動(dòng)輸入的設(shè)備，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自鎖功能。執(zhí)行器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在需要改變動(dòng)力傳輸方向的情況，本文采用在電機(jī)減速機(jī)構(gòu)后方使用錐形齒輪進(jìn)行動(dòng)力傳遞的設(shè)計(jì)方案。上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有效提高了系統(tǒng)的工作效率。綜上，本文給出了如圖1所示的多回轉(zhuǎn)閥口電動(dòng)執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。

圖1 閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)圖

2 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選擇

本文選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)BLDC-7.5，其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

表1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)BLDC-7.5型的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

在電機(jī)正常工作場(chǎng)景下，輸出的動(dòng)力會(huì)經(jīng)過(guò)三級(jí)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速操作。第一級(jí)減速為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)，由兩級(jí)圓柱直齒輪減速機(jī)構(gòu)組成，傳動(dòng)效率η1=0.97；第二級(jí)減速為錐齒輪減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)兩相交軸的動(dòng)力傳遞，傳動(dòng)效率為η2=0.94；第三級(jí)是行星輪系減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)效率η3=0.9；整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共用3對(duì)滾動(dòng)軸承，每對(duì)軸承的傳動(dòng)效率為η4=0.98。齒輪的加工精度選為8級(jí)，加工過(guò)程中采用油潤(rùn)滑?？汕蟮脠?zhí)行機(jī)構(gòu)整體認(rèn)的總傳動(dòng)效率為：

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)確定

根據(jù)上述內(nèi)容可知，本文設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是三個(gè)輪系結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合輪系。在本章節(jié)中對(duì)各級(jí)減速機(jī)構(gòu)中的齒輪相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定。

電機(jī)減速設(shè)計(jì)：4個(gè)直齒輪選定模數(shù)：2.5。小直齒輪1和3的齒數(shù)：17，分度圓直徑：42.5mm；大直齒輪2和4的齒數(shù)：24，25，分度圓的直徑：60mm，62.5mm。兩隊(duì)直齒輪中心距：51.25mm，52.5mm。

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

行星輪減速設(shè)計(jì)：選定NGW型行星齒輪，模數(shù)：2.5。太陽(yáng)輪的齒數(shù)：37，分度圓直徑：92.5mm；行星輪的齒數(shù)：17，分度圓的直徑：42.5mm；內(nèi)齒圈的齒數(shù)：712，其分度圓直徑：177.5mm。

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維建模

為了方便對(duì)多回轉(zhuǎn)閥門(mén)智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)展開(kāi)后續(xù)的分析優(yōu)化，本文在CATIA中建立三維模型。本節(jié)以生成錐齒輪模型為例進(jìn)行介紹。

為了完美構(gòu)造齒輪的齒形曲面，首先需要?jiǎng)?chuàng)建輪齒的漸開(kāi)線曲線，在CATIA中主要通過(guò)fog(x) 法則實(shí)現(xiàn)。法則函數(shù)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(shù)化三維模型

圖3 大錐齒輪的參數(shù)化三維模型

圖4 內(nèi)齒圈的參數(shù)化三維模型

按照上述錐齒輪的參數(shù)化建模的步驟，對(duì)大椎齒輪、大小直齒齒輪、行星輪、行星架，內(nèi)齒圈等零部件進(jìn)行三維建模。其中大錐齒輪，內(nèi)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(kù)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定并進(jìn)行調(diào)用操作?？紤]到系統(tǒng)外殼等零部件建模的復(fù)雜程度較高，不在本文中進(jìn)行贅述。

圖5 直齒輪的參數(shù)化三維模型

在各部分零部件完成模型建立之后，需要對(duì)整個(gè)執(zhí)行器進(jìn)行裝配。本文分別按照固定的裝備順序，對(duì)建立的零件進(jìn)行裝配處理。然后對(duì)整個(gè)執(zhí)行器系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，并在裝配殼體之前還需要進(jìn)0行最后的干涉檢查。圖6和圖7所示分別為無(wú)殼體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體裝配模型。

圖6 無(wú)殼體模型

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體模型

結(jié)論：本文提出了新型的多回轉(zhuǎn)閥門(mén)智能電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)思路。經(jīng)過(guò)合理的安排布置，將整個(gè)機(jī)構(gòu)劃分為三個(gè)部分電機(jī)減速機(jī)構(gòu)，錐齒輪減速機(jī)構(gòu)和行星齒輪減速機(jī)構(gòu)?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)對(duì)該型多回轉(zhuǎn)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中相關(guān)齒輪構(gòu)建三維模型并進(jìn)行干涉檢查，最終在CATIA中進(jìn)行裝配。