1．概述
閥門(mén)電動(dòng)裝置是工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制領(lǐng)域常用的一種機(jī)電一體化執(zhí)行設(shè)備，它以電能作為動(dòng)力，可以按照預(yù)先的設(shè)定要求，輸出具有一定動(dòng)能的角位移或直線位移(即行程控制)，同時(shí)能限制輸出的轉(zhuǎn)矩或推力(即轉(zhuǎn)矩控制)，此外還可以安全地進(jìn)行手動(dòng)操作。閥門(mén)電動(dòng)裝置主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種介質(zhì)(如水、油、氣、蒸汽、灰渣等)的管道閥門(mén)或擋板，并對(duì)其進(jìn)行開(kāi)啟、關(guān)閉或連續(xù)調(diào)節(jié)，以使流量、壓力、溫度等參數(shù)適應(yīng)控制系統(tǒng)的指令要求。
由于核級(jí)產(chǎn)品有抗震要求，因此設(shè)計(jì)核級(jí)產(chǎn)品時(shí)，在滿足功能要求的前提下應(yīng)盡量做到使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積小、重量輕、重心低。而對(duì)小轉(zhuǎn)矩(本文所指的小轉(zhuǎn)矩范圍：對(duì)多回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置，輸出轉(zhuǎn)矩10～100Nm；對(duì)部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置，輸出轉(zhuǎn)矩50～1000Nm)核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置的體積和重量影響最大的就是其主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前(核級(jí))閥門(mén)電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)絕大部分是采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，采用渦輪蝸桿傳動(dòng)雖然也能實(shí)現(xiàn)較大的速比．但大速比下，其體積較大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，而且傳動(dòng)效率較低。小轉(zhuǎn)矩核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)采用2Z-X(I)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)后，可以較好地滿足其體積、重量和重心要求。該傳動(dòng)具有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)2Z-X(I)型少齒差行星傳動(dòng)采用雙內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊；
(2)傳動(dòng)效率較高；
(3)加工方便，成本較低(內(nèi)、外齒可用普通插齒機(jī)加工)；
(4)由于傳動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生多對(duì)齒面嚙合，承載能力大；
(5)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、噪音小、壽命長(zhǎng)。
2．參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算
圖1是揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠專(zhuān)門(mén)為田灣核電站開(kāi)發(fā)的用于逐步替代進(jìn)口原供電動(dòng)裝置的小轉(zhuǎn)矩SDZH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置。該電動(dòng)裝置主要技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)如下：
電源：三相380VAC±10％，50Hz
電機(jī)工作制式：S2，15min
防護(hù)等級(jí)：IP67
環(huán)境條件：環(huán)境溫度-20℃～+60℃；常溫常壓下，相對(duì)濕度<95％
技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)矩重復(fù)精度為：≤±lO％；行程重復(fù)精度為：≤±5°
開(kāi)關(guān)與控制信號(hào)裝置：力矩開(kāi)關(guān)(一常開(kāi)、一常閉)、行程開(kāi)關(guān)(兩常開(kāi)、兩常閉)
核安全等級(jí)：K2／K3
總重量：≤20Kg
控制轉(zhuǎn)矩范圍：5～15Nm、10～30Nm、20～50Nm
輸出轉(zhuǎn)速：10rpm；輸出軸最大轉(zhuǎn)圈數(shù)：l0圈
電氣及機(jī)械接口與進(jìn)口原供電動(dòng)裝置相同。
由于是替代項(xiàng)目，該電動(dòng)裝置的體積和重量受到了進(jìn)口原供電動(dòng)裝置的限制，主傳動(dòng)采用了2Z-X(T)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)后(其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2)，電動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊。滿足了體積和重量等方面的替代要求。
本文主要從傳動(dòng)比和效率計(jì)算以及加工誤差對(duì)齒輪齒廓重迭干涉影響的角度討論2Z—X(I)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)在小轉(zhuǎn)矩多回轉(zhuǎn)核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置上的應(yīng)用。
2．1 主傳動(dòng)的構(gòu)成及參數(shù)選擇
2．1．1 主傳動(dòng)的構(gòu)成：由一對(duì)正齒輪和一個(gè)2z—x(I)型少齒差行星傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)構(gòu)成。
2．1．2齒輪參數(shù)選擇
(1)一級(jí)正齒輪副E、F。模數(shù)取m一1．齒數(shù)分別取為：ZE—42，ZF—93。
(2)2z—x(I)型少齒差行星減速齒輪模數(shù)及齒數(shù)等參數(shù)的確定。
按文獻(xiàn)(1)第14篇第6章的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行少齒差行星齒輪的參數(shù)選擇，參數(shù)見(jiàn)表1，注：內(nèi)嚙合齒輪副內(nèi)齒輪齒數(shù)與外齒輪齒數(shù)之Zd=Z2-Z1=Z4-Z3乙稱(chēng)為齒數(shù)差。一般齒數(shù)差Zd=1～8稱(chēng)為少齒差。
| 項(xiàng)目 | 外齒1 | 外齒2 | 外齒3 | 外齒4 |
| 齒數(shù)Z | 41 | 44 | 33 | 36 |
| 變位系數(shù)x | 0.0587 | 0.1795 | 0.0558 | 0.1766 |
| 齒數(shù)差Zd | 3 | 3 | ||
| 設(shè)計(jì)中心距a′ | 1.6 | 1.6 | ||
| 模數(shù)m | 1 | |||
| 齒頂高系數(shù)h*a | 0.6 | |||
| 壓力角a | 20° | |||
| 嚙合角a′ | 28.241° | |||
2．2 傳動(dòng)比的計(jì)算
2．3 傳動(dòng)效率的計(jì)算
行星齒輪傳動(dòng)的效率是評(píng)價(jià)其傳動(dòng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。試驗(yàn)研究和理淪分析發(fā)現(xiàn)行星傳動(dòng)的效率有如下特點(diǎn)：
(1)行星齒輪傳動(dòng)的效率，隨其結(jié)構(gòu)類(lèi)型的不同而不同；
(2)同一型式的行星齒輪傳動(dòng)的效率，隨傳動(dòng)比的變化而變化；
(3)同一型式的行星齒輪傳動(dòng)，當(dāng)主、從動(dòng)件改變時(shí)，效率隨之改變；
(4)行星齒輪傳動(dòng)的效率的變化范圍很大，高的達(dá)O.98以上。低的可接近于零，甚至自鎖。
SDZH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置的主傳比為136.16。其中2z—x(I)型少齒差行星傳動(dòng)部分的傳動(dòng)比為61.5，其主動(dòng)件為偏心轉(zhuǎn)臂(x)，輸出件為內(nèi)齒輸出軸(內(nèi)齒輪4)，固定件為內(nèi)齒輪2(見(jiàn)圖2)。該行星傳動(dòng)的效率計(jì)算如下：
2．3．1 一級(jí)正齒輪副E、F的傳動(dòng)效率ηEF
直接選取ηEF=0.97
2．3．2 2Z—X(I)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)效率計(jì)算
(1)第一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副1和2的嚙合效率講ηre12的計(jì)算
本文主要以?xún)?nèi)嚙合齒輪副I(外齒l和內(nèi)齒2)為例說(shuō)明，內(nèi)嚙合齒輪副Ⅱ(外齒3和內(nèi)齒4)類(lèi)同，僅加以必要的說(shuō)明。
| 項(xiàng)目 | 范圍 | E1 | E2 |
| εa1或εa1 | ≥0且≤1 | 0.5-εa1+ε2a1 | 0.5-εa2+ε2a2 |
| >1 | εa1-0.5 | εa2-0.5 | |
| <0 | 0.5-εa1 | 0.5-εa2 | |
| 齒廓摩擦因數(shù)μe | 內(nèi)齒輪插齒，外齒輪磨齒或剃齒 | 約0.07～0.08 | |
| 內(nèi)齒輪插齒，外齒輪滾齒或插齒 | 約0.09～0.1 | ||
將齒輪參數(shù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式計(jì)算可得：
2．4 齒廓重迭干涉計(jì)算(Gs)
2Z–x(I)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)的兩對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副必須分別滿足各自的齒廓重迭干涉條件才能避免傳動(dòng)時(shí)發(fā)生齒廓重迭干涉，內(nèi)嚙合齒輪副不產(chǎn)生干涉的條件是必須確保Gs12>0與Gs34>0，設(shè)計(jì)時(shí)一般取Gs>O.05。對(duì)于內(nèi)齒輪副I，其齒廓重迭干涉條件Gs12的表達(dá)式為：
只要將上式中的下標(biāo)1和2分別置換成3和4，即可得到內(nèi)齒輪副Ⅱ的Gs34的表達(dá)式。
2．4．1 不考慮齒輪加工誤差對(duì)齒廓重迭干涉驗(yàn)算值Gs12、Gs34的影響
將齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式計(jì)算可得：
由齒廓重迭干涉驗(yàn)算值Gs12、Gs34的計(jì)算結(jié)果可知，該少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，在不考慮加工誤差的影響時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生齒廓重迭干涉。
2．4．2 分析加工誤差對(duì)齒廓重迭干涉驗(yàn)算值Gs12、Gs34的影響
實(shí)際應(yīng)用中，由于零件加工誤差的存在，齒輪嚙合時(shí)往往還是會(huì)出現(xiàn)輕微的干涉現(xiàn)象，使電動(dòng)裝置的噪音增大，效率下降。對(duì)齒廓重迭干涉產(chǎn)生影響的工誤差主要有：齒輪的齒圈徑向跳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)的中心距極限偏差(偏心轉(zhuǎn)臂的偏心距)、齒輪的齒頂圓偏差以及轉(zhuǎn)臂軸承游隙等。
下面就以齒圈徑向跳動(dòng)為例來(lái)分析齒輪的加工誤差對(duì)齒廓重迭干涉的影響，四個(gè)齒輪均采用8級(jí)精度，其徑向跳動(dòng)均為Fr=0.045。這個(gè)誤差將影響到內(nèi)嚙合齒輪副的實(shí)際傳動(dòng)中心距。假設(shè)實(shí)際傳動(dòng)時(shí)的中心距為α″=α′±Fr。
實(shí)際傳動(dòng)時(shí)的中心距α″愈大，則嚙合角愈大，愈不易產(chǎn)生齒廓重迭干涉。故只要驗(yàn)證實(shí)際中心距α″=α′-F，時(shí)的狀態(tài)是否干涉即可，假設(shè)齒輪的實(shí)際徑向跳動(dòng)偏Fr≤0.045。
由以上計(jì)算可知，由于齒圈徑向跳動(dòng)偏差的存在，就可能使原本不干涉的少齒差內(nèi)嚙合齒輪產(chǎn)生齒廓重迭干涉。所以，為了確保少齒差內(nèi)嚙合齒輪的傳動(dòng)質(zhì)量，必須采取措施消除齒圈徑向跳動(dòng)偏差對(duì)齒廓重迭干涉的影響。另外，對(duì)齒廓重迭干涉影響較大的加工誤差還有中心距極限偏差和齒頂圓直徑偏差。在通常的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，中心距極限偏差一般按設(shè)計(jì)手冊(cè)取正負(fù)偏差值，由于中心距取負(fù)偏差時(shí)，實(shí)際中心距減小了，往往導(dǎo)致Gs變小，易產(chǎn)生齒廓重迭干涉；反之，中心距取正偏差時(shí)，使Gs變大，不易產(chǎn)生干涉。所以對(duì)少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)來(lái)講應(yīng)該采用正的中心距偏差。同理，齒頂圓直徑偏差對(duì)內(nèi)齒輪來(lái)說(shuō)應(yīng)取正偏差，對(duì)外齒輪來(lái)說(shuō)應(yīng)取負(fù)偏差相當(dāng)于齒頂高進(jìn)一步縮短，可使Gs變大，不易產(chǎn)生齒廓重迭干涉。
所以2Z—X(I)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)可以采用中心距(甚至可以把齒圈徑向跳動(dòng)的影響直接加到中心距上，即取中心距α″=α′+Fr)正偏差以及適當(dāng)加大齒頂圓直徑偏差(內(nèi)齒輪取正偏差，外齒輪取負(fù)偏差)的辦法來(lái)彌補(bǔ)加工誤差對(duì)齒廓重迭干涉的影響。
3．結(jié)語(yǔ)
由于2z—x(I)型少齒差行星齒輪傳動(dòng)具有承載能力強(qiáng)、速比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而使所設(shè)計(jì)的sDzH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，重心低，很好地滿足核級(jí)產(chǎn)品的抗震要求。只要在少齒差行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，充分考慮到加工誤差因素對(duì)齒廓重迭干涉的不同影響，從而在設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，就能設(shè)計(jì)出理想的小轉(zhuǎn)矩核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置或與其配套的少齒差行星減速器。
sDzH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置在外殼采用球鐵鑄件的情況下，其整機(jī)實(shí)際重量?jī)H為19.4kg，比進(jìn)口原供電動(dòng)裝置(外殼為鋁合金)略有增加，經(jīng)抗震分析計(jì)算及實(shí)際的抗震試驗(yàn)表明，在與閥門(mén)連接的機(jī)械接口不變情況下，sDzH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗震鑒定要求。它的體積比進(jìn)口原供電動(dòng)裝置要小，完全滿足了替代的安裝尺寸要求。
2008年4月，SDzH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置通過(guò)了由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)主持的科學(xué)技術(shù)成果鑒定。由來(lái)自國(guó)家環(huán)境保護(hù)部核安全中心、中國(guó)核電工程有限公司、中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、上海核工程研究設(shè)計(jì)院、中科華核電技術(shù)研究院、清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院等核領(lǐng)域單位的專(zhuān)家組成的鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為，sDzH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置性能可靠，在國(guó)內(nèi)居領(lǐng)先水平，達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品水平。
SDzH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置的成功開(kāi)發(fā)不僅解決了二代加CPRl000堆型上大量小口徑截止閥、隔膜閥用電動(dòng)裝置的自主化配套問(wèn)題，同時(shí)還有力推動(dòng)了田灣核電站“物項(xiàng)替代”進(jìn)口原供閥門(mén)電動(dòng)裝置的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。目前，已有多臺(tái)小轉(zhuǎn)矩sDZH核級(jí)閥門(mén)電動(dòng)裝置在田灣核電站安裝運(yùn)行，并且運(yùn)行良好。
上海蝶閥-天沃，與您資料共享！
