阀门屏蔽式驱动装置的设计与计算分析

赵 艺 红， 彭 彦 平， 靳 永 强， 庞 桂 兵， 卜 繁 岭

( 1.大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034；2.大连四方电泵有限公司， 辽宁 大连 116045 )



阀门屏蔽式驱动装置的设计与计算分析

赵 艺 红1， 彭 彦 平1， 靳 永 强2， 庞 桂 兵1， 卜 繁 岭1

( 1.大连工业大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 大连 116034；2.大连四方电泵有限公司， 辽宁 大连 116045 )

为了解决特殊液体输送过程中阀门自动开关和开关过程无泄漏的问题，开发设计了基于三相交流异步电动机技术和行星齿轮传动技术的屏蔽式电机驱动装置。利用力学分析方法对驱动装置的薄弱环节轴承进行了受力分析。通过更改轴承型号，解决轴承承载能力差的问题。利用效率分析法对驱动装置的反向自锁问题进行了研究，同时给出了保证反向自锁应采取的措施。设计了基于PLC和变频器的控制系统，能够保证阀门开关的可靠性。实际应用证明所设计的驱动装置能够满足生产实际自动开关阀门的需要。

电机驱动装置；屏蔽式；行星轮系；反向自锁

0 引 言

原子能、航天、石油、化工、轻工、食品等自动化设备，有些需要输送具有毒性、腐蚀性、高温、高压等特殊液体，由于这些液体的危险性，在运行时，往往需要自动开关阀门来实现对液体的控制。这就需要一种驱动装置来驱动阀门自动开关[1-3]。特别是应用于球阀开关的驱动装置，要能够完成阀芯正转或反转90°，同时还要保证输送的液体无泄露。

目前有企业研究开发了相关的驱动装置，但都是采用非标准伺服、步进电机进行驱动，普遍存在结构复杂、驱动效率低、稳定性差等问题，还有的驱动装置存在开关阀门定位不准、到位冲击卡死和反向自锁性能差等问题，不能满足生产实际的需要。作者开发设计了一种基于屏蔽式三相交流异步电动机和行星轮系传动的驱动装置。其结构特点是：电机的输出轴是行星轮系的输入轴，行星轮系的输出轴直接驱动阀芯轴，电机转子与定子间采用一个非磁性薄壁套进行隔离。安装时，此驱动装置与阀门壳体之间采用静密封结构直接连接，整体结构中无须动密封结构，因此不存在泄露的问题。同时阀门在开或关之后，电机停止转动，此时行星轮系具有的反向传动自锁性，可以保证开关状态的可靠性，能够满足特种液体输送装置中的阀门开关的自动控制的需求。

1 驱动装置的结构特点

根据设计要求，驱动装置的驱动能力为200 N·m，开关时间(阀芯转90°所需时间)在10 s 之内。因为应用在特殊环境，还要求驱动装置能够承受125g的冲击加速度。阀门屏蔽式驱动装置的结构如图1所示。

图1 驱动装置传动系统

结构特点：

(1)结构上没有动密封，只有在阀门屏蔽式驱动装置的外壳处有静密封，因此可以做到完全无泄漏，特别适合输送易燃、易爆、贵重液体和有毒、腐蚀性及放射性液体[4]。

(2)定子屏蔽套，采用非磁性、耐腐蚀、高电阻的材料制成，这样使电机的有效非导磁间隙增大。屏蔽套既要薄，又要有足够厚度以便有足够机械强度和耐介质腐蚀，因此定子套厚度为0.4～0.5 mm[5]。

(3)转子轴与减速器输入轴共用一个轴，提高了转子与减速器的同心度，传动更平稳，有利于减震降噪。

(4)采用行星轮系传动机构，由固定齿轮、输出齿轮、双联齿轮和滚动轴承组成，固定齿轮为内齿轮与机座筒连接不旋转，输出齿轮为内齿轮与阀门阀杆连接输出扭矩，双联齿轮为外齿轮通过滚动轴承固定在转子轴上随轴旋转。

由于行星齿轮传动中有效地利用了功率分流和输入、输出的同轴性以及合理地采用了内啮合，行星轮系传动与普通定轴齿轮传动相比较，具有质量小、体积小、传动比大等特性，可以提高阀门屏蔽式驱动装置传动承载能力和传动效率并使传动更加平稳[6]。

2 驱动装置轴承强度的校核

传动装置中轴承是个薄弱环节，本设计要求轴承能够承受125g冲击加速度，轴承所承受的额定动载荷是影响阀门屏蔽式驱动装置能否正常可靠运行的关键[7-8]，因此对本装置的轴承做以下校核。

各轴承编号如图1所示，各轴承均不受轴向力，所用轴承均选深沟球轴承，各轴承型号如下：轴承1-61904，轴承2-61907，轴承3-61804，轴承4-61902，轴承5及轴承6-61908。

2.1 装置中轴的质量和重心计算

2.1.1 装置中轴的质量

根据CAD图纸中的尺寸及轴的密度ρ=7.85 t/m3，轴的总质量为2.18 kg。

2.1.2 轴的重心计算

在校核轴上61904、61907深沟球轴承的动静载荷时，应先计算轴的重心，此时应将轴承3(m3)、轴承4(m4)以及双联齿轮(md)的质量加在轴上。

总质量

mt=m(轴)+m3+m4+md=2.414 kg

根据力矩公式

M=FL

(1)

力矩平衡原理

∑M=0

(2)

可得，双联齿轮的重心在距双联齿轮大端15.97 mm 处，轴的重心在距轴最上端61.96 mm。

2.2 校核轴承的额定动载荷

2.2.1 双联齿轮径向力的计算

根据设计图纸，驱动装置的行星轮系，可简化为如图2所示简图。

已知：电机转子转速为1 500 r/min(行星轮架)，输出转矩为200 N·m(齿轮a轴的扭矩)。

图2 行星轮系

根据齿轮受力公式

Ft=2T/d

(3)

Fr=tanβFt

(4)

式中：T为转矩，N·m；β为压力角20°；Ft为切向力，N；Fr为径向力，N。

计算得Fcr=3.42 kN(齿轮c受到的径向力)，Fdr=2.60 kN(齿轮d受到的径向力)。

2.2.2 校核轴承的额定动载荷

当受到高频段(160 Hz以上)冲击载荷时，a=125g；轴上轴承1、2所受的力分别为R1、R2，受力分析如图3所示。

图3 轴承1、2受力分析

加速度方向向左时，根据公式(2)力矩平衡原理，轴承1、2受力情况如图3(a)所示。

R1+R2=mza+Tdr+Tcr

7.55R1+96.9R2=61.96mza+114Tdr+133Tcr

可得R1=-0.723 kN(轴承1受的力为0.723 kN，方向与图示相反)，R2=9.7 kN。

当加速度方向向右时，根据公式(2)力矩平衡原理，轴承1、2受力情况如图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(轴承2受的力为6.009 kN，方向与图示相反)。

根据机械设计手册查得，轴承1、2额定动载荷，根据计算当加速度方向向左时，轴承2所受的力大于额定承受载荷，因此设计不合理，应更换轴承。

由于本轴承需要轴向定位，因此不能换成角接触球轴承，若增大轴承外径尺寸以增大轴承所能承受的额定载荷，轴承与其他部件发生干涉，因此，只能减小本段轴的直径尺寸，减小轴承内径，换用16006轴承。进行重新校核后，满足设计要求。因此应将轴承2由61907(额定动载荷为9.5 kN) 换成16006(额定动载荷为11.2 kN)以增大轴承额定载荷，使轴承受到冲击时，能正常运作，不影响设备的性能。

除此情况外，分别校核双联齿轮内部轴承61804、61902的额定动载荷，输出齿轮上两个61908轴承的动载荷，不论加速度方向为何，轴承所受的力均小于额定动载荷，故其他轴承的选用均合理。

3 驱动装置的反向自锁分析

本阀门屏蔽式驱动装置需要具有反向自锁功能，以保证阀门开关的可靠性。本设计的电驱动装置的传动系统采用的是行星轮系，电驱动自锁问题实际上就是行星轮系反向传动自锁的问题，而行星轮系反向传动自锁的问题，通常是通过反向传动效率来进行研究讨论的。

根据CAD图纸，电驱动所用行星轮系原理图如图2所示，属于2k-H型行星轮系。

3.1 传动比关系

H主动时(b固定)

(5)

a主动时(H固定)

(6)

3.2 传动效率

H主动时(b固定，正向驱动)，

(7)

式中，φH=∑φi，φi相当于定轴传动各齿轮副啮合损失系数，一般在0.02～0.005[9]。

计算得

a主动时(b固定，反向驱动)

(8)

计算得

4 驱动装置控制系统

为了确保阀芯轴准确旋转90°，实现阀门的自动开或关，需要对屏蔽式电机进行控制。因为电机是非标准三相交流屏蔽电机，而设计要求电机能够进行变频驱动，因此控制系统主要由PLC、变频器、定位传感器组成，如图4所示。

图4 驱动装置控制系统

Fig.4 Drive control system

安装在阀门芯轴外壳上的定位传感器，可检测到阀芯上的动定位检测块的位置，如图5所示。传感器采用非接触式耐高温感应传感器，传感器在0°～90°内共设置4个，分布情况见图5。

图5 定位传感器和限位块的分布

当阀芯上的动定位检测块旋转到某个传感器对应的角度时，相应的传感器会发出信号给PLC，PLC根据发信号的传感器的位置，可以判断阀芯处于开或关的过程中的角度位置。根据这个角度位置，PLC控制变频器，调整电机的转速，使电机转速越来越慢，在转到最后的传感器位置时，延时几秒钟后电机断电，阀芯在碰到静限位块后停止转动，完成阀门的开关动作。

5 结 论

(1)当在受到高频冲击时，轴承2所受的力大于额定的动载荷，设计不合理。更换为16006轴承，满足承载要求，可以保证阀门屏蔽式驱动装置能正常可靠运行。

(2)电传动装置采用自锁设计，不会因为反冲击力而出现阀门自行开启和关闭现象。也不会出现开关不到位的现象，可实现阀门开关位置准确控制。

(3)要使行星轮系反向驱动产生自锁，需使行星轮系反向驱动的效率为负值，可通过如下途径实现：

①提高传动比，但正向传动效率也会降低；

②定轴传动各齿轮副啮合损失系数增大，但正向传动效率也会降低；

③增大齿轮压力角。重合度系数会降低、齿变胖、承载能力增加，效率会降低。

因阀门不是频繁开关，为确保开关状态可靠，可以采用适当降低传动效率的方法来实现反向传动的自锁。

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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.

赵艺红(1990-)，女，硕士研究生；通信作者：彭彦平(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