多回转阀门电动执行器的机构设计

苏州博睿测控设备有限公司 王 炜

为了满足现代工业生产过程自动化的需求，设计了一种新型的多回转阀门电动执行器的传动机构。首先，确定了新型的多回转阀门电动执行器传动机构的总体布置；然后，基于虚拟样机技术对该多回转阀门电动执行器的各种齿轮进行了三维建模。上述工作能够为之后的仿真及系统优化提供必要的帮助。

多回转阀门智能电动执行器具有优秀的防爆防水性能，配备智能控制方案能够大幅提高工人操作过程中的安全系数。因此，多回转阀门电动执行器被广泛使用在一些高湿度和高污染集中的工业环境中，用于快速操作很多大尺寸业阀门。目前，市面上执行器的减速机构主要采用蜗轮蜗杆，工作效率较低。因此，对多回转阀门执行器的传动机构进行设计就具有十分重要的意义。

1 电动执行器总体设计

多回转电动阀门执行器根据减速机构的不同可以进行分为SR、SMC、ZA三个系列。本文在对上述三个系列执行器的优缺点进行对比后发现，传统执行器采用蜗轮蜗杆作为主传动装置，因而普遍存在传递效率低且传动扭矩不足的问题。综上所述，本文选择使用行星轮作为输出轴上的主传动齿轮，人工和电机输入均可进行控制；蜗轮蜗杆作为手动输入的设备，主要用来实现自锁功能。执行器实际运行过程中存在需要改变动力传输方向的情况，本文采用在电机减速机构后方使用锥形齿轮进行动力传递的设计方案。上述传动机构设计有效提高了系统的工作效率。综上，本文给出了如图1所示的多回转阀口电动执行器传动机构方案。

图1 阀门电动执行器总体结构图

2 详细结构设计

2.1 电机的选择

本文选择的驱动电机为稀土永磁无刷直流电机BLDC-7.5，其标准参数如表1所示。

表1 永磁无刷直流电动机BLDC-7.5型的标准参数

在电机正常工作场景下，输出的动力会经过三级减速传动机构进行减速操作。第一级减速为电机减速机构，由两级圆柱直齿轮减速机构组成，传动效率η1=0.97；第二级减速为锥齿轮减速机构，可以实现两相交轴的动力传递，传动效率为η2=0.94；第三级是行星轮系减速机构，传动效率η3=0.9；整个传动机构共用3对滚动轴承，每对轴承的传动效率为η4=0.98。齿轮的加工精度选为8级，加工过程中采用油润滑。可求得执行机构整体认的总传动效率为：

2.2 传动机构相关参数确定

根据上述内容可知，本文设计的执行机构是三个轮系结构组成的复合轮系。在本章节中对各级减速机构中的齿轮相关参数进行确定。

电机减速设计：4个直齿轮选定模数：2.5。小直齿轮1和3的齿数：17，分度圆直径：42.5mm；大直齿轮2和4的齿数：24，25，分度圆的直径：60mm，62.5mm。两队直齿轮中心距：51.25mm，52.5mm。

锥齿轮减速设计：选定两锥齿轮轴交角：90°，模数：3。小锥齿轮的齿数：17，分度圆直径：51mm；大椎齿轮的齿数：66，分度圆直径：198mm。大小锥齿轮的节锥角：14.4°，75.56°，两者间的锥距：177.5mm。

行星轮减速设计：选定NGW型行星齿轮，模数：2.5。太阳轮的齿数：37，分度圆直径：92.5mm；行星轮的齿数：17，分度圆的直径：42.5mm；内齿圈的齿数：712，其分度圆直径：177.5mm。

3 执行机构三维建模

为了方便对多回转阀门智能电动执行机构展开后续的分析优化，本文在CATIA中建立三维模型。本节以生成锥齿轮模型为例进行介绍。

为了完美构造齿轮的齿形曲面，首先需要创建轮齿的渐开线曲线，在CATIA中主要通过fog(x) 法则实现。法则函数为：

其中，r1为基圆半径，t为展角（弧度）。

锥齿轮三维模型如图2所示：

图2 锥齿轮的参数化三维模型

图3 大锥齿轮的参数化三维模型

图4 内齿圈的参数化三维模型

按照上述锥齿轮的参数化建模的步骤，对大椎齿轮、大小直齿齿轮、行星轮、行星架，内齿圈等零部件进行三维建模。其中大锥齿轮，内齿圈，直齿轮如图3～图5所示。其他零部件如轴承、垫圈等均可从CATIA软件自带的模型库中进行参数设定并进行调用操作。考虑到系统外壳等零部件建模的复杂程度较高，不在本文中进行赘述。

图5 直齿轮的参数化三维模型

在各部分零部件完成模型建立之后，需要对整个执行器进行装配。本文分别按照固定的装备顺序，对建立的零件进行装配处理。然后对整个执行器系统是否满足设计要求进行分析，并在装配壳体之前还需要进0行最后的干涉检查。图6和图7所示分别为无壳体的执行机构模型和执行机构整体装配模型。

图6 无壳体模型

图7 执行机构整体模型

结论：本文提出了新型的多回转阀门智能电动执行器的设计思路。经过合理的安排布置，将整个机构划分为三个部分电机减速机构，锥齿轮减速机构和行星齿轮减速机构。基于虚拟样机技术对该型多回转阀门电动执行器传动机构中相关齿轮构建三维模型并进行干涉检查，最终在CATIA中进行装配。