矿用阀门执行器箱体的结构强度分析与优化

2022-12-21刘旭刘芥群陈俊志田玉祥

机械工程师 2022年12期

刘旭，刘芥群，陈俊志，田玉祥

（苏州市职业大学，江苏苏州 215104）

0 引言

阀门执行器广泛应用于煤矿工程中的排水、通风、抽采、洒水等管道中，主要包括箱体、端盖、行星齿轮、蜗轮蜗杆、电动机等结构[1]。其中箱体是用来支撑阀门执行器的传动部件，阀门执行器在工作时，传动部件会给箱体施加力的作用，因此箱体结构必须具备足够的强度[2-3]。结构轻量化是在保证结构强度足够的前提下尽可能地减轻产品质量，从而改善产品性能、降低成本[4-5]。图1所示为某型号矿用阀门执行器，本文通过对现有铸铝阀门执行器的箱体进行分析，改进了箱体的局部结构，替代了原有箱体材料，建立了新的阀门执行器箱体模型并进行了有限元分析,最终通过计算结果验证了设计的可行性。

图1 矿用阀门执行器

1 阀门执行器传动部件理论计算

阀门执行器工作时，箱体所受的力主要来自传动部分，为了确保执行器工作可靠性，保证箱体的强度，必须对传动结构逐一进行理论计算和强度分析。根据直齿轮、蜗轮蜗杆的参数及输入转矩，依次计算出直齿轮和蜗轮蜗杆的圆周力、径向力、轴向力。

1.1 直齿轮的载荷计算

已知大小齿轮模数、压力角、齿数等基本参数（如表1），依据此参数计算齿轮的圆周力及径向力。

表1 直齿轮参数

式中：Ft为圆周力，N；T为转矩，N·m；d为分度圆直径，mm；

Fr为径向力，N；a为压力角，（°）。

1.2 蜗轮蜗杆的理论计算

如表2所示，为蜗轮蜗杆的参数，根据此参数计算蜗轮蜗杆的圆周力、轴向力、径向力。

表2 蜗轮蜗杆参数

1）蜗杆。

圆周力Ft1=2000T1/d1=43.33 N；

轴向力FX1=2000T2/d2=530.4 N；

径向力Fr1=FX1tan ax=199.8 N。

其中：Ft1为蜗杆圆周力，N；FX1为蜗杆轴向力，N；Fr1为蜗杆径向力，N。

2）蜗轮。

分度圆直径d2=mz2=52.5 mm；

圆周力Ft2=FX1=530.4 N；

轴向力FX2=Ft1=43.33 N；

径向力Fr2=FX2tan ax=96.43 N。

式中：Ft2为蜗轮圆周力，N；FX2为蜗轮轴向力，N；Fr2为蜗轮径向力，N。

根据上述计算，所得结果如表3所示。

表3 直齿轮、蜗轮蜗杆力的计算

2 阀门执行器箱体结构强度计算

目前市场上大部分矿用阀门执行器的材料为铸铝，在CATIA建模软件里建立箱体的三维模型，如图2所示。

图2 原阀门执行器箱体模型

导入ANSYS 有限元计算，材料为铝，铝的弹性模量为71 GPa，密度为2.77×103kg·m3，泊松比为0.33，根据表3所示的直齿轮、蜗轮蜗杆所受的圆周力、径向力、轴向力来添加载荷，计算结果如图3、图4所示，最大变形为0.018 mm，最大应力为27.027 MPa，而铸铝材料的极限变形为5 mm，极限应力为255 MPa。

图3 原阀门执行器箱体的变形

图4 原阀门执行器箱体的应力

由此可见，此阀门执行器的箱体结构强度足够，并且富余很多，对比结果如表4所示。

表4 分析结果的比较

3 塑料箱体结构强度计算

由表4可得，材料为铸铝时，结构强度富余很多，为了降低生产成本，可选用生产成本低的塑料ABS材料替代，塑料ABS的参数：弹性模量为2.39 GPa，密度1100 kg/m3，泊松比为0.399。通过有限元计算得到最大变形为0.558 mm、最大应力为25.13 MPa、最大应变为1%，分别如图5、图6、图7所示。

图5 材料为塑料时的形变

图6 材料为塑料时的应力

图7 材料为塑料时的应变

塑料结构屈服应力为26 MPa，然而计算出塑料箱体的最大应力为25.13 MPa，通过对比箱体结构强度不足，表5为塑料材料箱体结构的参数。

表5 塑料件材料ASTM参数

4 塑料箱体结构局部优化

经过计算，当材料为塑料时，塑料结构屈服应力为26 MPa，如表5所示，计算出所设计的阀门执行器塑料箱体最大应力为25.13 MPa，通过对比可知箱体结构强度不足。

通过反复研究发现，主要问题出现在箱体轴承壳部分，该处承担较大载荷，在箱体轴承壳的后面加一个厚度为5 mm的加强筋，如图8所示，对此结构重新进行有限元计算。如图9、图10、图11所示，最大变形为0.093 mm，最大应力为7 MPa，最大应变为0.35%。相对于最大应力26 MPa，此结构完全满足强度要求。