1 概述

　　隨著工業自動化的發展，傳統的手工機械調節的方式在許多場合已不再適用，要實現管網系統的工業自動化管理, 離不開自動閥門這個管網系統中的執行機構。

　　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

　　由于閥門的應用非常廣，手工機械調節的方式在許多場合已不再適用，本設計能夠在較安全的情況下工作，而且效率提高了幾倍，故設計智能閥門控制裝置具有實際的意義。電動執行器是工業過程控制系統中一個十分重要的現場驅動裝置 ,其能源取用方便、安裝調試簡單 ,在電力、冶金、石油、化工等工業部門得到越來越廣泛的應用。

　　2 原理

　　閥門控制器由電動機驅動，通過蝸輪蝸桿減速，帶動空心輸出軸轉動。在該減速箱中，具有手動/自動機構(手動機構可獨立進行操作)。當切換手柄處于手動位置時，操作手輪，帶動空心輸出軸轉動。當電動操作執行機構時，手動機構處于斷開狀態，由電動機驅動空心輸出軸。

　　傳動機構的結構詳如圖2所示。

　　圖2 傳動機構結構圖

　　3 渦輪蝸桿設計

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

　　根據庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳動傳遞的功率不大，速度中等，但蝸桿在傳動中起到相當重要的作用，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。

　　設計完成后的模型如下圖3：

　　圖3 蝸桿蝸桿

　　各個參數如下：

　　蝸桿輸入功率：8.05kW

　　蝸桿類型：阿基米德蝸桿(ZA型)

　　蝸桿轉速n1：1460r/min

　　蝸輪轉速n2：73r/min

　　使用壽命：8000小時

　　理論傳動比：20

　　蝸桿頭數z1：2

　　蝸輪齒數z2：40

　　實際傳動比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

　　疲勞接觸強度最小安全系數SHmin;1.1

　　彎曲疲勞強度最小安全系數SFmin;1.2

　　轉速系數Zn：0.749

　　壽命系數Zh;1.21

　　材料彈性系數Ze：147N^0.5/mm

　　蝸輪材料接觸疲勞極限應力σHlim：425N/mm^2

　　蝸輪材料許用接觸應力[σH]：349.914N/mm^2

　　蝸輪材料彎曲疲勞極限應力σFlim：190N/mm^2

　　蝸輪材料許用彎曲應力[σF]：158.333N/mm^2

　　************蝸輪材料強度計算************

　　蝸輪軸轉矩T2:842.493N.m

　　蝸輪軸接觸強度要求:m^2d1≥1161.145mm^3

　　模數m:5mm

　　蝸桿分度圓直徑d1:90mm

　　************蝸輪材料強度校核************

　　蝸輪使用環境：中等沖擊

　　蝸輪載荷分布情況：平穩載荷

　　蝸輪使用系數Ka：1.2

　　蝸輪動載系數Kv：1.2

　　蝸輪動載系數Kv：1.2

　　導程角系數Yβ：0.947

　　蝸輪齒面接觸強度σH:261.634N/mm^2，通過接觸強度驗算!

　　蝸輪齒根彎曲強度σF:36.224N/mm^2，通過彎曲強度計算!

　　************幾何尺寸計算結果************

　　實際中心距a：145mm

　　齒根高系數ha*:1

　　齒根高系數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x2：0

　　法面模數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

　　齒面滑動速度vs：6.922m/s

　　用軟件計算及校核，計算得：

　　各個步驟如圖4～圖9所示：

　　圖4 蝸輪蝸桿設計步驟2

　　圖5 蝸輪蝸桿設計步驟3

　　圖6 蝸輪蝸桿設計步驟4

　　圖7 蝸輪蝸桿設計步驟5

　　圖8 蝸輪蝸桿設計步驟6

　　圖9 蝸輪蝸桿設計步驟7

　　4 結語

　　本設計閥門控制由伺服控制器，交流異步伺服電機、減速機構、計算機等多種應用工程技術綜合而成，實現對閥門開度的控制、反饋與調節，并做到精確無誤定位。