1 概述

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工機(jī)械調(diào)節(jié)的方式在許多場(chǎng)合已不再適用，要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化管理, 離不開自動(dòng)閥門這個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　閥門的種類也很多，下面的模型是其中一種——球閥，如圖1所示。

　　圖1 球閥

　　由于閥門的應(yīng)用非常廣，手工機(jī)械調(diào)節(jié)的方式在許多場(chǎng)合已不再適用，本設(shè)計(jì)能夠在較安全的情況下工作，而且效率提高了幾倍，故設(shè)計(jì)智能閥門控制裝置具有實(shí)際的意義。電動(dòng)執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置 ,其能源取用方便、安裝調(diào)試簡單 ,在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　2 原理

　　閥門控制器由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過蝸輪蝸桿減速，帶動(dòng)空心輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在該減速箱中，具有手動(dòng)/自動(dòng)機(jī)構(gòu)(手動(dòng)機(jī)構(gòu)可獨(dú)立進(jìn)行操作)。當(dāng)切換手柄處于手動(dòng)位置時(shí)，操作手輪，帶動(dòng)空心輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，手動(dòng)機(jī)構(gòu)處于斷開狀態(tài)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空心輸出軸。

　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)詳如圖2所示。

　　圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

　　3 渦輪蝸桿設(shè)計(jì)

　　由于此處的蝸輪蝸桿有特殊的要求，故自己設(shè)計(jì)并進(jìn)行校核(此處用專用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì))。設(shè)計(jì)的蝸桿僅僅是螺旋部分。

　　根據(jù)庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大，速度中等，但蝸桿在傳動(dòng)中起到相當(dāng)重要的作用，故蝸桿用45Cr;因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45—55HRC。蝸桿用ZCuSn10P1，金屬膜鑄造。

　　設(shè)計(jì)完成后的模型如下圖3：

　　圖3 蝸桿蝸桿

　　各個(gè)參數(shù)如下：

　　蝸桿輸入功率：8.05kW

　　蝸桿類型：阿基米德蝸桿(ZA型)

　　蝸桿轉(zhuǎn)速n1：1460r/min

　　蝸輪轉(zhuǎn)速n2：73r/min

　　使用壽命：8000小時(shí)

　　理論傳動(dòng)比：20

　　蝸桿頭數(shù)z1：2

　　蝸輪齒數(shù)z2：40

　　實(shí)際傳動(dòng)比i：20

　　************蝸桿蝸輪材料************

　　蝸桿材料：40Cr

　　蝸桿熱處理類型：淬火

　　蝸輪材料：ZCuSn10P1

　　蝸輪鑄造方法：離心鑄造

　　疲勞接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)SHmin;1.1

　　彎曲疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)SFmin;1.2

　　轉(zhuǎn)速系數(shù)Zn：0.749

　　壽命系數(shù)Zh;1.21

　　材料彈性系數(shù)Ze：147N^0.5/mm

　　蝸輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim：425N/mm^2

　　蝸輪材料許用接觸應(yīng)力[σH]：349.914N/mm^2

　　蝸輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力σFlim：190N/mm^2

　　蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力[σF]：158.333N/mm^2

　　************蝸輪材料強(qiáng)度計(jì)算************

　　蝸輪軸轉(zhuǎn)矩T2:842.493N.m

　　蝸輪軸接觸強(qiáng)度要求:m^2d1≥1161.145mm^3

　　模數(shù)m:5mm

　　蝸桿分度圓直徑d1:90mm

　　************蝸輪材料強(qiáng)度校核************

　　蝸輪使用環(huán)境：中等沖擊

　　蝸輪載荷分布情況：平穩(wěn)載荷

　　蝸輪使用系數(shù)Ka：1.2

　　蝸輪動(dòng)載系數(shù)Kv：1.2

　　蝸輪動(dòng)載系數(shù)Kv：1.2

　　導(dǎo)程角系數(shù)Yβ：0.947

　　蝸輪齒面接觸強(qiáng)度σH:261.634N/mm^2，通過接觸強(qiáng)度驗(yàn)算!

　　蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度σF:36.224N/mm^2，通過彎曲強(qiáng)度計(jì)算!

　　************幾何尺寸計(jì)算結(jié)果************

　　實(shí)際中心距a：145mm

　　齒根高系數(shù)ha*:1

　　齒根高系數(shù)c*:0.2

　　蝸桿分度圓直徑d1：90mm

　　蝸桿齒頂圓直徑da1：100mm

　　蝸桿齒根圓直徑df1：78mm

　　蝸輪分度圓直徑d2：200mm

　　蝸輪變位系數(shù)x2：0

　　法面模數(shù)mn：4.969mm

　　蝸輪喉圓直徑da2：210mm

　　蝸輪齒根圓直徑df2：188mm

　　蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2：40mm

　　蝸輪齒根圓弧半徑Rf2：51mm

　　蝸輪頂圓直徑de2：211mm

　　蝸桿導(dǎo)程角γ：6.34°

　　軸向齒形角αx：20°

　　法向齒形角αn：19.887°

　　蝸桿軸向齒厚sx1：7.854mm

　　蝸桿法向齒厚sn1：7.806mm

　　蝸桿分度圓齒厚s2：7.854mm

　　蝸桿螺紋長b1≥：67mm

　　蝸輪齒寬b2≤：75mm

　　齒面滑動(dòng)速度vs：6.922m/s

　　用軟件計(jì)算及校核，計(jì)算得：

　　各個(gè)步驟如圖4～圖9所示：

　　圖4 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)步驟2

　　圖5 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)步驟3

　　圖6 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)步驟4

　　圖7 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)步驟5

　　圖8 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)步驟6

　　圖9 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)步驟7

　　4 結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)閥門控制由伺服控制器，交流異步伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)等多種應(yīng)用工程技術(shù)綜合而成，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門開度的控制、反饋與調(diào)節(jié)，并做到精確無誤定位。