適用于深海的電動(dòng)缸設(shè)計(jì)

潘 平

(華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430223)

0 引 言

電動(dòng)缸是一種提供直線運(yùn)動(dòng)及推力的執(zhí)行元件，其工作原理是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲杠轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽竿茥U的直線往返運(yùn)動(dòng)[1]。與傳統(tǒng)的液壓缸相比，電動(dòng)缸作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有精度高、傳動(dòng)效率高、協(xié)調(diào)性好、響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)、保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)；由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，不會因?yàn)橐簤河偷臐B漏對環(huán)境造成影響；便于控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和集成化發(fā)展[2]。

取代液壓缸將電動(dòng)缸應(yīng)用于深海環(huán)境，電動(dòng)缸的設(shè)計(jì)需要解決一些適應(yīng)性問題。深海水壓會對電動(dòng)缸推桿施加很大的壓力，電動(dòng)缸需要具備自鎖功能，以滿足在不帶電工作時(shí)，電動(dòng)缸能保持當(dāng)前狀態(tài)。電動(dòng)缸推桿在深海環(huán)境往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要著重考慮推桿動(dòng)密封的性能，一旦海水進(jìn)入，電氣部分失效將直接導(dǎo)致電動(dòng)缸失效，因此，密封的可靠性也非常重要。另外，電動(dòng)缸使用環(huán)境空間狹小，但材料強(qiáng)度需要滿足深海水壓要求，不能影響內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電氣元件，所以，電動(dòng)缸外殼設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核相對重要。

1 電動(dòng)缸自鎖

自鎖是指當(dāng)物體滿足一定條件時(shí)，無論施以多大的力都不可能讓它與另一個(gè)物體之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)過程中，自鎖可以通過控制角度、控制摩擦因數(shù)、控制彈力等方式來實(shí)現(xiàn)[3]。作用于物體的主動(dòng)力的合力的作用線在摩擦角之內(nèi)，物體保持靜止，這種與力大小無關(guān)而與摩擦角有關(guān)的平衡條件稱為自鎖條件，物體在這種條件下的平衡現(xiàn)象稱為自鎖現(xiàn)象。

電動(dòng)缸采用螺旋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)缸的自鎖可以通過從電機(jī)減速裝置或絲桿傳動(dòng)裝置的自鎖實(shí)現(xiàn)。蝸輪和蝸桿機(jī)構(gòu)與行星齒輪機(jī)構(gòu)是具備自鎖功能的常見減速裝置。絲桿傳動(dòng)主要有滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)等[4]。

蝸輪和蝸桿機(jī)構(gòu)以蝸輪為主動(dòng)件時(shí)，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角α小于蝸輪作用在蝸桿上的摩擦角β時(shí)，蝸輪和蝸桿機(jī)構(gòu)將會發(fā)生自鎖。摩擦角β不但與蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)嚙合表面的粗糙度、潤滑情況等有關(guān)，而且與減速器的工作條件（有無相對速度及相對速度的大小，輪齒嚙合部位的接觸壓力等）有關(guān)，摩擦角β會隨著工作條件和自身狀態(tài)的改變而改變，而嚴(yán)重的磨損也會造成導(dǎo)程角變大，以及振動(dòng)和安裝造成的軸線偏離，有可能造成自鎖的失效[5]。

行星齒輪機(jī)構(gòu)占用空間小、傳動(dòng)平穩(wěn)，效率高。行星齒輪裝配在一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的行星桿上，能夠圍繞自身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，還可以繞著行星桿轉(zhuǎn)動(dòng)。行星輪系的傳動(dòng)效率影響著減速器的整體的效率，傳動(dòng)效率等于零時(shí)行星齒輪機(jī)構(gòu)自鎖[6]。

滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)采用的是螺紋與螺母傳動(dòng)，梯形螺紋能極大提高設(shè)備的承載能力。梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角為30°，牙根強(qiáng)度高、對中性好、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，當(dāng)梯形絲桿螺紋升角 ?小于當(dāng)量摩擦角ρ′時(shí)，梯形絲桿副滿足自鎖要求。

滾珠絲杠是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，精度高、效率高，但由于滾珠滾動(dòng)摩擦力小，滾珠絲杠通常不具有自鎖性能，需要配置自鎖裝置才能滿足要求。常用的自鎖裝置有滾柱自鎖裝置、楔塊自鎖裝置、滑塊自鎖裝置[7]。

梯形絲桿傳動(dòng)與滾珠絲桿傳動(dòng)性能對比如表1 所示。

表1 梯形絲桿傳動(dòng)與滾珠絲桿傳動(dòng)性能對比Tab.1 Performance comparison between trapezoidal screw and ball screw

深海用電動(dòng)缸可靠性需要放在第一位。深潛設(shè)備空間有限，電動(dòng)缸設(shè)計(jì)需要結(jié)構(gòu)緊湊；深海環(huán)境，電動(dòng)缸散熱沒有問題。綜合分析，電動(dòng)缸采用具有自鎖性能的梯形絲桿副作為傳動(dòng)部件。電機(jī)配套大功率力矩電機(jī)，即可滿足大功率推力的輸出，也滿足速度及控制反饋要求。

2 梯形絲桿設(shè)計(jì)校核

1）梯形絲桿副螺紋參數(shù)計(jì)算

梯形絲桿螺紋中徑應(yīng)滿足如下條件：

其中：ξ的值梯形螺紋ξ=0.8；ψ的值整體式螺母取ψ=1.2～2.5；F值為軸向載荷，為推桿推力及海水壓力總和；[p] 為梯形絲桿材料的許用壓強(qiáng)。許用壓強(qiáng)[p]的值，在載荷作用下移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接，使用和制造情況良好，齒面經(jīng)熱處理后，取值為10～20 MPa。

根據(jù)計(jì)算螺紋中徑，按照GB/T 5 796 選取推薦第一系列公稱直徑d，選取優(yōu)先系列螺距p。計(jì)算獲得配合螺母高度H=ψd2，旋合圈數(shù)

2）梯形絲桿自鎖驗(yàn)算

驗(yàn)算應(yīng)滿足自鎖條件：

3）計(jì)算驅(qū)動(dòng)扭矩

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩值：

計(jì)算結(jié)果供電機(jī)選型參考。

4）梯形滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)效率

5）梯形絲桿副材質(zhì)確定

一般國內(nèi)梯形絲桿普通材料采用40 Cr，不銹鋼采用SUS304 或SUS316，螺母材料采用鋁青銅。由于執(zhí)行往復(fù)機(jī)構(gòu)理論上存在液體滲漏，因此，梯形絲桿雖然位于設(shè)備內(nèi)部，但依然需要考慮海水滲入后，材料的防腐性能。

對比表2 幾種鋼材性能，普通材質(zhì)中，40 Cr 的物理性能優(yōu)良，對應(yīng)不銹鋼材質(zhì)，304 和316 都偏軟，因此，深海電動(dòng)缸內(nèi)梯形絲桿選用2 205 雙相不銹鋼，其各項(xiàng)物理指標(biāo)均超過普通不銹鋼，與40 Cr 接近。螺母材料選用更耐磨的ZCuSn5Pb5Zn5 錫青銅。

表2 幾種鋼材質(zhì)性能對比Tab.2 Performance comparison of several steel materials

3 往復(fù)動(dòng)密封設(shè)計(jì)

推桿往復(fù)密封采用接觸式密封件密封。密封件通過彈性變形跟隨滑動(dòng)表面因粗糙度、形狀公差引起的密封間隙變化，以及因負(fù)載變化使推桿與電動(dòng)缸體變形而產(chǎn)生的密封間隙變化，以阻塞泄漏通道[8]。密封件需要選擇彈性好，又耐磨的材料。彈性較好的材料（如硬度較低的橡膠）耐磨性往往較差，密封件的彈性與耐磨性之間有一定的矛盾，設(shè)計(jì)采用以下解決方案：

1）結(jié)構(gòu)組合的密封件產(chǎn)品

由一個(gè)零件實(shí)現(xiàn)彈性（施加預(yù)緊力）功能，另一個(gè)零件實(shí)現(xiàn)耐磨功能的組合密封件。彈性可由O 形密封圈等橡膠件實(shí)現(xiàn)，耐磨功能則由填充聚四氟乙烯或增強(qiáng)聚氨脂等實(shí)現(xiàn)。典型產(chǎn)品如斯特封，該產(chǎn)品泄漏小、摩擦力較小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。

2）材料組合的密封件產(chǎn)品

在一種基本材料中加入各種材料成分。聚四氟乙烯摩擦系數(shù)很小，約為0.02～0.04，化學(xué)穩(wěn)定性及耐高低溫性都很好，但其耐磨性差，剛性差（在低負(fù)荷時(shí)有形變傾向），熱膨脹系數(shù)大。為改善其性能，可加入固體潤滑劑石墨和二硫化鉬，增加自潤性，減少磨耗；加入青銅粉，增加剛性、散熱性、耐磨性；加入短玻璃纖維，提高耐磨性、耐擠壓性和尺寸穩(wěn)定性。

3）特殊截面形狀的密封件產(chǎn)品

如針對單向密封，設(shè)計(jì)有Y 型圈、單向斯特封等相應(yīng)的截面形狀，使密封件因單向液體壓力，更貼服于推桿表面，推桿運(yùn)行時(shí)，有利于阻止液體滲漏，減小摩擦力。

組合使用密封件產(chǎn)品，推桿可采用多個(gè)密封件組合方式實(shí)現(xiàn)串聯(lián)密封。如2 個(gè)斯特封，或一個(gè)斯特封加一個(gè)Y 形圈或U 形圈（斯特封裝在缸內(nèi)側(cè)）。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在一定條件下，串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)（用2 個(gè)密封件）的摩擦不大于用單一密封圈的摩擦。

電動(dòng)缸推桿往復(fù)動(dòng)密封采用階梯圈（斯特封）組合Y 形圈密封方式，如圖1 所示。斯特封的滑動(dòng)環(huán)為PTFE 加40% 青銅組成，O 形圈為邵氏硬度約70 的NBR 丁腈橡膠。斯特封具有高的耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕特性，適合應(yīng)用于海水介質(zhì)。斯特封具有極小的起動(dòng)和運(yùn)動(dòng)磨檫力，在低速下也可保證平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，無爬行現(xiàn)象。Y 形圈為邵氏硬度為93 的PU 聚氨酯材料唇形密封件，截面不對稱，內(nèi)密封唇縮進(jìn)，外徑過盈配合的密封圈。如圖2 所示。

圖1 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of moving seal

圖2 選用的往復(fù)密封件示意Fig.2 Schematic diagram of selected reciprocating seals

斯特封處于0.6～1.5 MPa 低水壓時(shí)會出現(xiàn)密封不穩(wěn)定的情況[9]，而Y 形密封圈根部、上端開口處、內(nèi)唇唇口、密封圈與活塞軸接觸區(qū)域較易發(fā)生失效[10]，斯特封Y 形圈組合相互彌補(bǔ)，能有效地加強(qiáng)深海電動(dòng)缸往復(fù)密封的可靠性。

由于水的潤滑性較差，密封件與運(yùn)動(dòng)部件的接觸部位不便添加潤滑劑，深海高壓下接觸面產(chǎn)生較大的滑動(dòng)摩擦力使密封圈的接觸面受到剪切應(yīng)力作用，接觸面的摩擦和磨損會相對嚴(yán)重，使得密封件的使用壽命大大降低[11]。

提供往復(fù)密封可靠性，除了上述方法外，改變推桿材質(zhì)也可以降低密封件與推桿之間的摩擦力。由于推桿的強(qiáng)度要求，推桿基體材質(zhì)不變，選擇在推桿基體材質(zhì)表面熱噴涂一定厚度的金屬氧化物涂層，即陶瓷涂層，使得推桿具有高化學(xué)穩(wěn)定性、高硬度、高剛度、低磨擦系數(shù)等特點(diǎn)[12]。

推桿噴涂前，需先預(yù)熱，基體表面先噴涂NiCr基或NiCrAl基熱噴涂用復(fù)合粉末混合物作為粘結(jié)底層過渡，以提高陶瓷層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。噴射的粉末是幾種金屬氧化物的混合物，一般典型成分為氧化鉻（Cr203）和氧化欽（Ti02）的混合物，也使用氧化鋁（A1203）和氧化錯(cuò)（Zr02），氧化鈣（CaO）的混合物，或使用氧化鋁（A1203）和氧化欽（Ti02）的混合物等。噴涂采用火焰加熱法或等離子弧加熱法。噴涂厚度大于0.2 mm，涂層硬度可達(dá)850～1 000 HV。采用樹脂類封孔劑、石蠟等封孔劑封孔處理，阻止腐蝕介質(zhì)滲透到涂層與基體的結(jié)合界面。最后按推桿尺寸要求進(jìn)行磨削、精研和拋光。精磨砂輪磨料可采用立方氮化硼、碳化硼、人造金剛石等，粒度控制在150#～240#，精磨后表面粗糙度可達(dá)Ra0.2μm，拋光輪拋光后表面粗糙度可達(dá)Ra0.1μm。

4 有限元應(yīng)力與應(yīng)變分析校核

深海電動(dòng)缸設(shè)計(jì)尺寸及重量都有相應(yīng)限制，設(shè)計(jì)需要保證在最有限尺寸條件下，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸功能。深海電動(dòng)缸本身是一個(gè)施力和受力的元件，在設(shè)計(jì)過程中，各零件的強(qiáng)度及變形是否滿足海水壓力及設(shè)計(jì)推力要求至關(guān)重要。通過SolidWorks 軟件對電動(dòng)缸進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維建模，設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用SolidWorks SimulationXpress 插件可對設(shè)計(jì)零件進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變分析校核，發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)修改，提高設(shè)計(jì)效率。

SolidWorks SimulationXpress 采用靜力學(xué)有限元分析，將復(fù)雜物體分成簡單的，有限多個(gè)的小四面體，計(jì)算機(jī)在簡單的小四面體上計(jì)算出結(jié)果后，反向疊加，就可以生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果[13]。

SolidWorks SimulationXpress 模型分析的關(guān)鍵步驟：

創(chuàng)建算例->選用材料->添加約束->施加載荷->劃分網(wǎng)格->運(yùn)行分析->分析結(jié)果。

SolidWorks SimulationXpress 會提供受力后的動(dòng)態(tài)應(yīng)變圖，并提供仿真后應(yīng)力及應(yīng)變分布圖，非常直觀。如果計(jì)算結(jié)果在規(guī)律上明顯錯(cuò)誤，或者與實(shí)際模型明顯不符，則需要檢查改進(jìn)分析方案，重新進(jìn)行分析。

推桿承受30 kN 推力或拉力，以及伸出部分承受4.5 MPa 水壓時(shí)的應(yīng)力分布及結(jié)構(gòu)應(yīng)變仿真分析，如圖3 所示。仿真校核結(jié)果顯示，最大應(yīng)力變化比設(shè)計(jì)材料屈服強(qiáng)度小一個(gè)數(shù)量級，設(shè)計(jì)材質(zhì)強(qiáng)度滿足要求；最大應(yīng)變，特別是推桿外徑受水壓的變化約0.005 mm，在組合密封件要求推桿加工公差范圍內(nèi)，不影響往復(fù)密封性能。

圖3 推桿受力時(shí)應(yīng)力及應(yīng)變仿真分析結(jié)果Fig.3 Simulation analysis results of stress and strain of push rod under force

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電機(jī)外殼承受海水壓達(dá)4.5 MPa 時(shí)的進(jìn)行仿真受壓分析，如圖4 所示。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電機(jī)外殼應(yīng)力及應(yīng)變仿真分析結(jié)果Fig.4 Simulation analysis results of stress and strain of actuator and motor shell

仿真校核結(jié)果顯示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼承受海水壓最大應(yīng)力變化比設(shè)計(jì)材料屈服強(qiáng)度小一個(gè)數(shù)量級，設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠，最大形變雖已達(dá)0.023 mm，但外殼變形不影響內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，設(shè)計(jì)外殼可滿足更大水壓要求。電機(jī)外殼承受海水壓最大應(yīng)力已至設(shè)計(jì)材料許用屈服強(qiáng)度的一半，最大形變達(dá)0.03 mm，依然不影響電機(jī)的安裝及工作，設(shè)計(jì)滿足要求。

5 結(jié) 語

適用于深海的電動(dòng)缸，設(shè)計(jì)著眼于設(shè)備的可靠性，采用傳動(dòng)結(jié)構(gòu)滿足自鎖要求，梯形絲桿副計(jì)算校核性能滿足傳動(dòng)要求。電動(dòng)缸推桿采用熱噴陶技術(shù)結(jié)合組合式往復(fù)密封設(shè)計(jì)，保障了電動(dòng)缸深海往復(fù)密封的可靠性。電動(dòng)缸關(guān)鍵零件應(yīng)力和應(yīng)變通過了三維有限元分析仿真校核。

最終電動(dòng)缸成品通過了性能測試和適應(yīng)性試驗(yàn)，包括15 min 外殼強(qiáng)度試驗(yàn)，15 min 靜密封試驗(yàn)，以及不同水壓下多次電動(dòng)缸推桿動(dòng)密封試驗(yàn)，電動(dòng)缸承載單機(jī)試驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果均顯示設(shè)備滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。