单作用齿轮齿条型液压执行器设计开发

库才高

（艾拓自动化（厦门）有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

在船舶行业阀门遥控系统中，控制蝶阀与球阀的开闭执行器类型主要有电动执行器、气动执行器、液压执行器、电液执行器等[1-2]。电动执行器通信模式多样性，响应速度快，但当它具备单作用功能时，结构复杂，齿轮箱减速比也随之增大，体积较大，当需求浸没环境时，电动执行器无法满足。气动执行器动力源来自于压缩空气，结构简单，但是空气具备能压缩的特性，压力一般为0.2～0.8 MPa范围内，从而使扭矩输出范围内具备一定的局限性，现在市场上最大能输出的扭矩为4 000 N·m，体积较大，工作平稳性及相应速度都较差。螺旋型液压执行器采用双级渐开线螺旋副，制造工艺复杂，加工精度高，价格贵，且具备单作用功能时，高度方向尺寸较长，对安装尺寸要求高。电液执行器结合了电动执行器与液压执行器的优点，控制系统能快速、稳定地对阀门的位置进行精确控制，但是每台都配备一个动力源，成本较高。

本文在结合以上各种类型执行器的优缺点，提出一种采用齿轮齿条式的单作用液压执行器的结构，其储能方式采用碟簧的形式，具备在在失去动力液压油源时，碟簧释放弹簧势能，使正处于完全开启位置时的蝶阀进行自动关闭。相对于国内外螺旋型液压执行器，其具备制造工艺简便，加工精度低，价格便宜[3]，相对于国内外采用压簧形式储能的执行器，具备体积小、重量轻等特点。且对于单作用齿轮齿条型，在长度方向上较长，宽度及高度较低等特点，安装时可以延着管道的长度方向上进行安装，而高度方向上尺寸较小，从而可以节省船舶阀门遥控系统的安装尺寸。所以单作用齿轮齿条型广泛应用于船舶行业通风系统中。

1 单作用执行器工作原理及结构

图1 所示为一种单作用齿轮齿条型液压执行器工作过程中的原理，当电动机带动齿轮泵高速旋转，将液压油通过特定的液压油路注入到液压执行器的活塞密封腔内，推动执行器向碟簧腔移动，同时压缩碟簧，直至阀位指示器内的触点开关触发，向控制系统发出阀门已开启到位信号，使电机停止转动。当控制系统发出关阀信号时，此时将两位两通电磁阀断电，使其处于常开工作位，此时被压缩的碟簧要释放相应的弹簧势能，将活塞密封腔内的液压油通过特定的液压管路压缩到油箱中，推动活塞运动，直至到关闭位。

图1 单作用液压执行器工作原理

图2 所示为一种单作用齿轮齿条型液压执行器的结构原理[4]，它主要由基体、齿条、齿轮轴、油缸缸筒、端盖、活塞、单作用油缸缸筒、单作用油缸缸筒、限位螺栓、密封件等主要部件组成[5]，在基体内部形成一个十字交叉型的安装孔腔，用于安装齿轮与齿条，两油缸缸筒通过车制螺纹与基体进行连接，活塞、油缸缸筒、关限位螺栓、密封件等形成密封容腔A，碟簧组与单作用油缸缸筒形成B 腔，以便于储存弹簧被压缩时的弹簧势能。活塞上安装有耐磨环、U 型圈、格莱圈等液压密封件，它可以在油缸缸筒的内部进行自由移动，通过两端的限位螺栓限制齿条移动的距离。当液压油通过动力源泵站从卡套接口处输入容腔A，高压液压油推动齿条向左运动，带动齿轮轴按逆时针方向转动，同时压缩碟簧，使阀门由关到开的过程，当阀门处于开启位置时，外部动力源突然丢失，此时一直处于压缩状态下的碟簧需要释放弹簧势能，推动齿条向右移动，带动齿轮轴进行顺时针旋转，从而使阀门关闭。

图2 单作用液压执行器结构原理

2 执行器力学承载性能计算及求解

2.1 齿轮齿条结构参数

单作用液压执行器在0°初始位置状态时，执行器输出扭矩为160 N·m，作用力传递的方式采用的机构是齿轮齿条式。考虑到齿轮齿条不仅要承受剪应力，同时齿根部必须具备足够的耐磨性，所以齿轮材料选用普通45钢，进行QPQ 盐浴处理，提高齿轮的表面硬度及耐磨性，齿条材料采用40Cr，进行调质处理，调高齿条的耐磨性，表1所示为两种材料的力学特性[6]，因齿轮齿条是位于一个相对密封的空间内，且内部均是浸泡在油脂内，所以齿轮齿条的机械结构强度按齿根弯曲强度进行效验，计算公式如下[7]：

表1 材料力学特性

式中：K为载荷系数；T′为设计输出扭矩，N·m；ϕd为齿宽系数弹性影响系数；d为分度圆直径，mm；[σF]为弯曲疲劳强度，MPa；YFa为齿形系数；YSa为应力校正系数。

最终参数确定：模数m=3，齿数Z=18。

2.2 碟簧选择与计算

（1）在0°初始位置时，执行器能输出扭矩T1=160 N · m，碟簧采用对合组合安装方式[8]，计算此时单片碟簧必须满足的作用力F1为：

式中：F1为初始位置时弹簧弹力；R为分度圆半径。

（2）执行器转动90°时，齿条已经移动的距离S为：

（3）油压p=13 MPa 时，油缸缸筒直径D=50 mm，执行器输出的扭矩T′2能克服弹簧压缩最小时弹力F2[7]为：

式中：F2为弹簧压缩最短时最大弹力；η为机械效率。

所以碟簧在压缩到最小距离时的作用力F2必须小于21 703 N。

（4）根据以上参数选用的碟簧型号为180060，采用对合组合的方式，参数如表2所示。

表2 碟簧参数

从图3 碟簧力学性能与表2 碟簧参数中可知[9]：碟簧在压缩最小时，弹力为12 982 N，远远小于21 703 N，满足设计要求；根据单片压缩量计算出碟簧片数为54片；实际碟簧在压缩最小时的弹力F′2=12 892 N；碟簧在压缩最小时的扭矩T3：

图3 碟簧力学性能

2.3 单作用执行器在13 MPa时的输出扭矩

（1）初始位置时，即0°关闭位置时，输出的扭矩T1=160 N·m。

（2）完全打开时，即90°时，输出的扭矩T2为：

2.4 执行器缸筒壁厚计算与效验

执行器的基体与油缸缸筒连接方式采用车制螺纹连接，工作的过程中，油缸缸筒内充满了中压油液，出于安全考虑，必须对油缸缸筒的厚度和材料特性进行验证[10]。

（1）油缸缸筒的的材料为45#，其抗拉强度极限为σb=600 MPa，取安全系数为5，则油缸缸筒材料的许用应力：

（2）缸筒壁厚计算公式如式（12）所示，计算出缸筒壁厚最小值，如表3所示[11]。

表3 缸筒壁厚最小值

式中：C1为缸筒外径公差，m；C2为腐蚀余量，m；δ0为缸筒材料强度允许的最小值，m。

式中：pmax=20 MPa；D为缸筒内径，m。

取内壁值最小值进行验算，计算壁厚最小值承受压力值塑性变形[11]，如表4所示[8]。计算公式如下：

表4 壁厚最小值承受压力值塑性变形

式中：pN为额定压力，MPa；σs为材料屈服点，σs=355 MPa；D1为外径，m；D为内径，m；prL为完全塑性变形压力，MPa。

油缸缸筒底部厚度计算公式如下[11]，计算结果如表5所示：

表5 底部壁厚最小值

式中：p为最大工作压力，MPa；σP为材料许用应力，σP=120 MPa；D2为油缸缸筒外径，m。

2.5 工作容积的确定

执行器从关阀到开阀的整个动作过程中，需要的液压油容积计算如下[12]。

（1）齿条移动距离

（2）容积计算

完成单个行程需要的工作容积油液量为：

3 性能测试及研究

在前面介绍了碟簧型号的参数选择与确认，执行器输出扭矩的数学模型的建立，效验了油缸缸筒壁厚的要求，推导出了碟簧的片数，执行器移动的距离、容腔容积等，同时建立了执行器输出扭矩与液压油的压力、弹簧型号选择的关系。但是，上述理论研究分析只是建立在理论基础上，没有将相关的机械效率、摩擦因数、工件制造精度等级等因素考虑进去，其理论计算的结果与实际的工程应用存在一定的偏差。以下采用按实际图纸直接加工出HSQ160 单作用液压执行器实物样品的方法进行验证，通过实验的方式对单作用液压执行器输出扭矩进行验证，从而验证理论计算的准确性。

3.1 扭矩测试

将执行器、液压泵站、扭力测试台等进行连接，进行扭矩测试[13]，如图4～6所示。其中图4为初始状态下，执行器输出的扭矩值，图5 为弹簧压缩最小时，执行器输出的扭矩值，实际输出的扭矩值与理论值基本一致，满足设计要求。图7 所示为在各种输入压力下[14]，执行器处于完全打开状态下时，理论输出扭矩值与实际输出扭矩进行对比，通过调节泵站溢流阀不同的值，读出扭矩表的值，与理论值相比，符合产品设计要求。

图4 初始状态扭矩值

图5 轮毂应力云图

图5 弹簧压缩最小时扭矩值

图6 不同压力值时执行器输出扭矩值

图7 实际值与理论值对比

3.2 冲击耐压密封测试

将液压泵站溢流阀设定值调整为19.5 MPa[15]，在该压力值下维持5 min，执行器零部件无破坏与永久性变形，密封圈无液压油冒出来，如图8 所示，符合产品设计要求。

图8 耐压测试

4 结束语

本文研究了单作用齿轮齿条式液压执行器的工作原理及内部结构组成，推导出齿轮齿条的机械结构参数，通过合理论据计算，选用合适的碟簧参数，根据理论计算的结果，分析了在已知输出扭力值下，执行器的内腔容积大小、移动的距离、齿轮机械结构参数与碟簧参数，同时确定执行器的内部结构组成及总体尺寸大小，校验执行器缸筒壁厚，通过对样机进行不同压力下输出扭矩的测试及耐压测试等，最终的实验结果可以证明，以上各个零部件的参数及机械结构性能等均符合设计要求，这为后续开发全系列的碟簧参数及机械结构设计提供了重要依据。