一種單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及應(yīng)用

周衛(wèi)華，曹家明，胡朝勇，譚秀瓊

(重慶科特工業(yè)閥門有限公司，重慶 400037)

0 引 言

隨著我國石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，油氣輸送管道口徑越來越大、壓力越來越高。在油氣輸送工藝過程中，軸流式調(diào)節(jié)閥是關(guān)鍵的壓力和流量控制設(shè)備，它在管道運行中調(diào)節(jié)輸送壓力和流量，對管道的安全、平穩(wěn)運行發(fā)揮重要作用。在2019年之前，大口徑高壓力軸流式調(diào)節(jié)閥基本上以國外產(chǎn)品為主，國家管網(wǎng)成立后提出了研發(fā)該類設(shè)備的國產(chǎn)化項目。

軸流式調(diào)節(jié)閥工作時，需通過傳動結(jié)構(gòu)將執(zhí)行器作用在垂直方向的輸入力轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻恼{(diào)節(jié)工作力。傳動結(jié)構(gòu)直接影響閥門的運行精度和性能，因此對軸流式調(diào)節(jié)閥傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計就很關(guān)鍵。目前軸流式調(diào)節(jié)閥普遍采用單齒條齒輪、斜齒條等方式實現(xiàn)工作傳動功能。針對大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥傳動，單齒條齒輪結(jié)構(gòu)存在偏心力矩較大、斜齒條結(jié)構(gòu)存在摩擦力較大等不足問題，筆者重點通過對實際工況和傳動結(jié)構(gòu)的分析研究設(shè)計出單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)。采用有限元分析法和理論驗算相結(jié)合，得出單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)滿足大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥的工作要求，解決了目前軸流式調(diào)節(jié)閥傳動過程存在的偏心力矩較大、摩擦力較大等問題。

1 傳動結(jié)構(gòu)對比

對軸流式調(diào)節(jié)閥普遍采用的兩種傳動方式工作原理進行分析，得出該兩種傳動方式在閥門使用過程中存在的不足；對單齒輪雙齒條傳動方式工作原理進行分析，明確了該傳動結(jié)構(gòu)在閥門使用上的特點。

1.1 單齒條齒輪傳動原理及技術(shù)要求

工作時閥桿(齒輪)轉(zhuǎn)動帶動閥芯軸(齒條)做水平直線往返運動(見圖1)，運動過程中齒與齒是線接觸滾動摩擦，摩擦力小。但在傳動過程中存在偏心L(見圖2)，故閥桿輸入力矩被放大L倍才能滿足閥芯軸額定工作力要求，同時結(jié)構(gòu)上存在偏心距L很難做到對稱設(shè)計，從而影響流道設(shè)計。

1.2 斜齒條傳動原理及技術(shù)要求

工作時閥桿(齒條1)做上下運動，因斜角a產(chǎn)生水平分力(見圖4)，從而帶動閥芯軸(齒條2)做水平往返運動(見圖3)，運動過程中齒與齒是面接觸形成滑動摩擦(見圖5),摩擦力大。且閥桿(齒條1)輸入力需要利用斜角a換向，故閥桿(齒條1)輸入力只有部分轉(zhuǎn)換為閥芯軸(齒條2)工作力，該傳動結(jié)構(gòu)傳動損耗大，傳動效率低。

圖1 傳動示意圖 圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 傳動示意圖 圖4 斜齒角度

1.3 單齒輪雙齒條設(shè)計原理

在分析上述兩種傳動結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計了單齒輪雙齒條結(jié)構(gòu)作為軸流式調(diào)節(jié)閥的傳動部分。工作時閥桿(齒條1)做上下運動，閥桿(齒條1)與齒輪嚙合帶動齒輪做旋轉(zhuǎn)運動，同時齒輪與閥芯軸(齒條2)嚙合帶動閥芯軸(齒條2)做水平往返直線運動(見圖6)。在運動過程中嚙合都是線接觸滾動摩擦，摩擦力小，同時采用齒輪換向閥桿(齒條1)輸入力傳動損失小，整個過程傳動效率高。且整個結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，有利于軸流式調(diào)節(jié)閥流道設(shè)計。

圖5 工作時接觸狀態(tài) 圖6 傳動結(jié)構(gòu)示意圖

2 單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用分析

2.1 任務(wù)及要求

經(jīng)過上述分析比較，在國產(chǎn)化32″CL600大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥研制中采用了單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)，采用有限元法分析齒輪齒條在運行中的承載能力，目的是得出大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥傳動部分設(shè)計和強度理論計算依據(jù)。

根據(jù)國產(chǎn)化32″CL600大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥任務(wù)要求，參照閥門設(shè)計手冊計算可得閥門工作最大推力為58 000 N。32″CL600大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥整體設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 32″CL600大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖示

2.2 結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)有限元分析

2.2.1.1 單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)模型建立

漸開線齒輪齒條傳動模型的齒廓和接觸狀態(tài)復(fù)雜，利用SolidWorks平臺對齒輪齒條進行參數(shù)化建模，將模型簡化后進行仿真計算。建模過程如下。

(1) 確定齒輪齒條嚙合基本參數(shù)。

單齒輪雙齒條傳動副模型基本參數(shù)見表1。

表1 齒輪齒條基本參數(shù)

(2) 建立齒廓方程生成齒輪漸開線。

利用幾何參數(shù)和漸開線曲線的參數(shù)方程建立精確的漸開線齒輪齒廓曲線。標(biāo)準漸開線曲線的參數(shù)方程可以表示為：

式中：θ為發(fā)生線轉(zhuǎn)過的角度；t為自變量，t∈(0，1)；r為基圓半徑；s為發(fā)生轉(zhuǎn)過線的弧長；x、y、z為漸開線在坐標(biāo)系中各點的坐標(biāo)值。

(3) 單齒輪雙齒條傳動模型建立

根據(jù)齒輪齒條的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等幾何參數(shù)，建立漸開線齒輪齒條模型。此次主要研究齒輪齒條在軸流式調(diào)節(jié)閥最大載荷下的嚙合接觸強度，故簡化了分析模型，僅保留嚙合承載狀態(tài)下的齒輪齒條。見圖8。

圖8 單齒輪雙齒條傳動模型

2.2.1.2 單齒輪雙齒條傳動模型有限元分析

在傳動過程中形成兩對齒輪齒條嚙合副，即閥桿(齒條1)與齒輪嚙合，閥芯軸(齒條2)與齒輪嚙合。兩對齒輪齒條嚙合副載荷相同、設(shè)計參數(shù)相同、材料相同、工況相同。本次對兩對齒輪齒條嚙合副基于Ansys Workbench進行有限元分析。

齒輪材料為20CrMnTi，齒條材料為17-4PH，表面處理后硬度HRC≥60。根據(jù)分析類型，定義齒輪材料的彈性模量為211 GPa，泊松比0.28，齒條材料的彈性模量為212 GPa，泊松比0.27。

(1) 網(wǎng)格劃分

齒輪齒條線接觸模型設(shè)置為一般參數(shù)和標(biāo)準網(wǎng)格，網(wǎng)格大小12 mm，共劃分實體單元24 329個，節(jié)點41 487個，如圖9所示。

該有限元模型的節(jié)點和單元數(shù)目適中，保證了齒輪齒條接觸應(yīng)力計算的準確性。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，單元尺寸比較均勻，滿足工程計算需求。

(2) 載荷及約束設(shè)置

最大載荷發(fā)生在軸流式調(diào)節(jié)閥全壓差關(guān)閉狀態(tài)下的工作推力，根據(jù)閥門設(shè)計手冊計算其最大工作推力為58 000 N，分析在該工況下齒輪齒條接觸強度是否滿足使用要求，此時齒輪扭矩為2 958 N·m。

對齒輪施加鉸約束使齒輪繞中心軸線轉(zhuǎn)動、齒條全約束，同時施加2 958 N·m的扭矩。見圖10。

(3) 有限元靜力學(xué)分析結(jié)果

對有限元軟件生產(chǎn)的結(jié)果文件進行后處理，齒輪齒條嚙合傳動模型的等效應(yīng)力云圖(見圖11)所示。

可以看出，齒輪與齒條整體應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，局部應(yīng)力集中在齒輪與齒條接觸面上，與實際情況相符。齒輪齒條嚙合位移云圖(見圖12)最大位移很小約0.016 4 mm，滿足大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥使用要求。

圖9 齒輪齒條嚙合傳動 圖10 載荷與約束示意圖模型網(wǎng)格劃分

圖11 齒輪齒條嚙合Von Mises應(yīng)力云圖 圖12 齒輪齒條嚙合位移云圖

3 齒輪強度理論計算

根據(jù)《實用齒輪設(shè)計計算手冊》，需要計算實際工況下齒輪的齒面接觸強度應(yīng)力和齒根彎曲強度應(yīng)力，如果小于該材料許用應(yīng)力， 判斷設(shè)計的單齒輪雙齒條傳動結(jié)構(gòu)是滿足大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥的傳動要求的。

3.1 齒面接觸疲勞強度計算

齒面接觸強度受力分析見圖13。

圖13 齒面的接觸應(yīng)力

計算公式：

硬齒面許用接觸應(yīng)力[σH]=1 500 MPa，則：

=1 389(MPa)

σH≤[σH],齒面接觸疲勞強度合格。滿足大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥的傳動要求。

3.2 齒根彎曲疲勞強度計算

齒根彎曲疲勞強度受力分析見圖14。

圖14 齒根彎曲應(yīng)力

計算公式：

式中：齒輪模數(shù)mn=6，齒形系數(shù)YF=2.23；應(yīng)力修正系數(shù)Ys=1.3,螺旋角系數(shù)Yβ=1；齒面許用彎曲應(yīng)力[σF]=860(MPa)。

σF≤[σF],齒根彎曲疲勞強度合格。滿足大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥的傳動要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，在國家管網(wǎng)的32″CL600 大口徑軸流式調(diào)節(jié)閥研制過程中，采用按對稱原理設(shè)計的單齒輪雙齒條傳動機構(gòu)，具有摩擦力小、閥桿和閥瓣傳動軸受力平衡、傳動效率較高、內(nèi)部流場壓力更均勻等優(yōu)點?？梢愿玫乇ＷC閥門的調(diào)節(jié)精度、運行平穩(wěn)和使用壽命。

同時，由于傳動效率的提高，可以選擇較小功率的執(zhí)行機構(gòu)，在保證設(shè)備的整體性能的前提下，有效地降低了配套執(zhí)行機構(gòu)的采購成本，同時可減少能源消耗，降低運行成本，使得整機具有更好的性能價格比和推廣應(yīng)用前景。