閥門屏蔽式驅(qū)動裝置的設計與計算分析

趙 藝 紅， 彭 彥 平， 靳 永 強， 龐 桂 兵， 卜 繁 嶺

( 1.大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034；2.大連四方電泵有限公司， 遼寧 大連 116045 )

?

閥門屏蔽式驅(qū)動裝置的設計與計算分析

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

( 1.大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 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程中閥門自動開關(guān)和開關(guān)過程無泄漏的問題，開發(fā)設計了基于三相交流異步電動機技術(shù)和行星齒輪傳動技術(shù)的屏蔽式電機驅(qū)動裝置。利用力學分析方法對驅(qū)動裝置的薄弱環(huán)節(jié)軸承進行了受力分析。通過更改軸承型號，解決軸承承載能力差的問題。利用效率分析法對驅(qū)動裝置的反向自鎖問題進行了研究，同時給出了保證反向自鎖應采取的措施。設計了基于PLC和變頻器的控制系統(tǒng)，能夠保證閥門開關(guān)的可靠性。實際應用證明所設計的驅(qū)動裝置能夠滿足生產(chǎn)實際自動開關(guān)閥門的需要。

電機驅(qū)動裝置；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、食品等自動化設備，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性，在運行時，往往需要自動開關(guān)閥門來實現(xiàn)對液體的控制。這就需要一種驅(qū)動裝置來驅(qū)動閥門自動開關(guān)[1-3]。特別是應用于球閥開關(guān)的驅(qū)動裝置，要能夠完成閥芯正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)90°，同時還要保證輸送的液體無泄露。

目前有企業(yè)研究開發(fā)了相關(guān)的驅(qū)動裝置，但都是采用非標準伺服、步進電機進行驅(qū)動，普遍存在結(jié)構(gòu)復雜、驅(qū)動效率低、穩(wěn)定性差等問題，還有的驅(qū)動裝置存在開關(guān)閥門定位不準、到位沖擊卡死和反向自鎖性能差等問題，不能滿足生產(chǎn)實際的需要。作者開發(fā)設計了一種基于屏蔽式三相交流異步電動機和行星輪系傳動的驅(qū)動裝置。其結(jié)構(gòu)特點是：電機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)動閥芯軸，電機轉(zhuǎn)子與定子間采用一個非磁性薄壁套進行隔離。安裝時，此驅(qū)動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)中無須動密封結(jié)構(gòu)，因此不存在泄露的問題。同時閥門在開或關(guān)之后，電機停止轉(zhuǎn)動，此時行星輪系具有的反向傳動自鎖性，可以保證開關(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關(guān)的自動控制的需求。

1 驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)設計要求，驅(qū)動裝置的驅(qū)動能力為200 N·m，開關(guān)時間(閥芯轉(zhuǎn)90°所需時間)在10 s 之內(nèi)。因為應用在特殊環(huán)境，還要求驅(qū)動裝置能夠承受125g的沖擊加速度。閥門屏蔽式驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動裝置傳動系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)特點：

(1)結(jié)構(gòu)上沒有動密封，只有在閥門屏蔽式驅(qū)動裝置的外殼處有靜密封，因此可以做到完全無泄漏，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，這樣使電機的有效非導磁間隙增大。屏蔽套既要薄，又要有足夠厚度以便有足夠機械強度和耐介質(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軸，提高了轉(zhuǎn)子與減速器的同心度，傳動更平穩(wěn)，有利于減震降噪。

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

由于行星齒輪傳動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，行星輪系傳動與普通定軸齒輪傳動相比較，具有質(zhì)量小、體積小、傳動比大等特性，可以提高閥門屏蔽式驅(qū)動裝置傳動承載能力和傳動效率并使傳動更加平穩(wěn)[6]。

2 驅(qū)動裝置軸承強度的校核

傳動裝置中軸承是個薄弱環(huán)節(jié)，本設計要求軸承能夠承受125g沖擊加速度，軸承所承受的額定動載荷是影響閥門屏蔽式驅(qū)動裝置能否正常可靠運行的關(guān)鍵[7-8]，因此對本裝置的軸承做以下校核。

各軸承編號如圖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 軸的重心計算

在校核軸上61904、61907深溝球軸承的動靜載荷時，應先計算軸的重心，此時應將軸承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 校核軸承的額定動載荷

2.2.1 雙聯(lián)齒輪徑向力的計算

根據(jù)設計圖紙，驅(qū)動裝置的行星輪系，可簡化為如圖2所示簡圖。

已知：電機轉(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 校核軸承的額定動載荷

當受到高頻段(160 Hz以上)沖擊載荷時，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，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。

當加速度方向向右時，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)機械設計手冊查得，軸承1、2額定動載荷，根據(jù)計算當加速度方向向左時，軸承2所受的力大于額定承受載荷，因此設計不合理，應更換軸承。

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。進行重新校核后，滿足設計要求。因此應將軸承2由61907(額定動載荷為9.5 kN) 換成16006(額定動載荷為11.2 kN)以增大軸承額定載荷，使軸承受到?jīng)_擊時，能正常運作，不影響設備的性能。

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

3 驅(qū)動裝置的反向自鎖分析

本閥門屏蔽式驅(qū)動裝置需要具有反向自鎖功能，以保證閥門開關(guān)的可靠性。本設計的電驅(qū)動裝置的傳動系統(tǒng)采用的是行星輪系，電驅(qū)動自鎖問題實際上就是行星輪系反向傳動自鎖的問題，而行星輪系反向傳動自鎖的問題，通常是通過反向傳動效率來進行研究討論的。

根據(jù)CAD圖紙，電驅(qū)動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 傳動比關(guān)系

H主動時(b固定)

(5)

a主動時(H固定)

(6)

3.2 傳動效率

H主動時(b固定，正向驅(qū)動)，

(7)

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

計算得

a主動時(b固定，反向驅(qū)動)

(8)

計算得

4 驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)

為了確保閥芯軸準確旋轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)閥門的自動開或關(guān)，需要對屏蔽式電機進行控制。因為電機是非標準三相交流屏蔽電機，而設計要求電機能夠進行變頻驅(qū)動，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，可檢測到閥芯上的動定位檢測塊的位置，如圖5所示。傳感器采用非接觸式耐高溫感應傳感器，傳感器在0°～90°內(nèi)共設置4個，分布情況見圖5。

圖5 定位傳感器和限位塊的分布

當閥芯上的動定位檢測塊旋轉(zhuǎn)到某個傳感器對應的角度時，相應的傳感器會發(fā)出信號給PLC，PLC根據(jù)發(fā)信號的傳感器的位置，可以判斷閥芯處于開或關(guān)的過程中的角度位置。根據(jù)這個角度位置，PLC控制變頻器，調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，使電機轉(zhuǎn)速越來越慢，在轉(zhuǎn)到最后的傳感器位置時，延時幾秒鐘后電機斷電，閥芯在碰到靜限位塊后停止轉(zhuǎn)動，完成閥門的開關(guān)動作。

5 結(jié) 論

(1)當在受到高頻沖擊時，軸承2所受的力大于額定的動載荷，設計不合理。更換為16006軸承，滿足承載要求，可以保證閥門屏蔽式驅(qū)動裝置能正?？煽窟\行。

(2)電傳動裝置采用自鎖設計，不會因為反沖擊力而出現(xiàn)閥門自行開啟和關(guān)閉現(xiàn)象。也不會出現(xiàn)開關(guān)不到位的現(xiàn)象，可實現(xiàn)閥門開關(guān)位置準確控制。

(3)要使行星輪系反向驅(qū)動產(chǎn)生自鎖，需使行星輪系反向驅(qū)動的效率為負值，可通過如下途徑實現(xiàn)：

①提高傳動比，但正向傳動效率也會降低；

②定軸傳動各齒輪副嚙合損失系數(shù)增大，但正向傳動效率也會降低；

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

因閥門不是頻繁開關(guān)，為確保開關(guān)狀態(tài)可靠，可以采用適當降低傳動效率的方法來實現(xiàn)反向傳動的自鎖。

[1] 孔繁余,高翠蘭,張旭鋒,等.PBN65-40-250型屏蔽泵軸向力平衡計算及其試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(5):68-72.

[2] 季建剛,孔繁余,孔祥花.屏蔽泵發(fā)展綜述[J].水泵技術(shù),2006(1):15-17.

[3] 崔希濤.屏蔽泵的結(jié)構(gòu)特點與常見故障分析[J].河南科技,2014,9(18):107-108.

[4] 董寶富.屏蔽泵結(jié)構(gòu)特點與維修[J].裝備制造,2009(8):265.

[5] 馬德鑫,上官繼明.淺論屏蔽式異步電動機的設計特點[J].電機技術(shù),2001,30(1):27-30.

[6] 朱振榮,蔣立冬,常山.漸開線行星齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展[J].熱能動力工程,2007,22(4):351-356.

[7] 楊曉豐,張勇,孫柏濤,等.核電站用屏蔽泵的抗震力學性能計算分析[J].世界地震工程,2007,23(3):47-53.[8] 李合,許洪元,張文達,等.立式屏蔽泵的軸向力及石墨軸承耐磨性試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2004,20(1):128-131.

[9] 汪萬清,楊仁逖.封閉差動輪系三基本構(gòu)件傳動效率計算法的研討[J].機械,1987,14(1):22-25.

[10] 韓繼光,白立群,周欣.差動輪系的傳動比與自鎖問題的研究[J].機械設計,2002(11):18-21.

[11] 韓繼光,董廣強.差動輪系自鎖條件的研究[J].徐州師范大學學報(自然科學版),2003,21(2):26-28.

王明偉,王小慶,呂艷,陶學恒,孫先偉.7075鋁合金蠕變時效成形本構(gòu)模型[J].大連工業(yè)大學學報,2016,35(6):490-493.

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