1．概述

閥門電動裝置是工業(yè)過程自動化控制領(lǐng)域常用的一種機電一體化執(zhí)行設(shè)備，它以電能作為動力，可以按照預先的設(shè)定要求，輸出具有一定動能的角位移或直線位移(即行程控制)，同時能限制輸出的轉(zhuǎn)矩或推力(即轉(zhuǎn)矩控制)，此外還可以安全地進行手動操作。閥門電動裝置主要用來驅(qū)動各種介質(zhì)(如水、油、氣、蒸汽、灰渣等)的管道閥門或擋板，并對其進行開啟、關(guān)閉或連續(xù)調(diào)節(jié)，以使流量、壓力、溫度等參數(shù)適應(yīng)控制系統(tǒng)的指令要求。

由于核級產(chǎn)品有抗震要求，因此設(shè)計核級產(chǎn)品時，在滿足功能要求的前提下應(yīng)盡量做到使所設(shè)計的產(chǎn)品體積小、重量輕、重心低。而對小轉(zhuǎn)矩(本文所指的小轉(zhuǎn)矩范圍：對多回轉(zhuǎn)電動裝置，輸出轉(zhuǎn)矩10～100Nm；對部分回轉(zhuǎn)電動裝置，輸出轉(zhuǎn)矩50～1000Nm)核級閥門電動裝置的體積和重量影響最大的就是其主傳動機構(gòu)，目前(核級)閥門電動裝置的主傳動絕大部分是采用渦輪蝸桿傳動，采用渦輪蝸桿傳動雖然也能實現(xiàn)較大的速比．但大速比下，其體積較大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，而且傳動效率較低。小轉(zhuǎn)矩核級閥門電動裝置的主傳動采用2Z-X(I)型少齒差行星齒輪傳動后，可以較好地滿足其體積、重量和重心要求。該傳動具有以下幾個主要優(yōu)點：

(1)2Z-X(I)型少齒差行星傳動采用雙內(nèi)嚙合齒輪傳動，結(jié)構(gòu)緊湊；

(2)傳動效率較高；

(3)加工方便，成本較低(內(nèi)、外齒可用普通插齒機加工)；

(4)由于傳動時可以產(chǎn)生多對齒面嚙合，承載能力大；

(5)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、噪音小、壽命長。

2．參數(shù)選擇與設(shè)計計算

圖1是揚州電力設(shè)備修造廠專門為田灣核電站開發(fā)的用于逐步替代進口原供電動裝置的小轉(zhuǎn)矩SDZH核級閥門電動裝置。該電動裝置主要技術(shù)參數(shù)與指標如下：

電源：三相380VAC±10％，50Hz

電機工作制式：S2，15min

防護等級：IP67

環(huán)境條件：環(huán)境溫度-20℃～+60℃；常溫常壓下，相對濕度<95％

技術(shù)指標：轉(zhuǎn)矩重復精度為：≤±lO％；行程重復精度為：≤±5°

開關(guān)與控制信號裝置：力矩開關(guān)(一常開、一常閉)、行程開關(guān)(兩常開、兩常閉)

核安全等級：K2／K3

總重量：≤20Kg

控制轉(zhuǎn)矩范圍：5～15Nm、10～30Nm、20～50Nm

輸出轉(zhuǎn)速：10rpm；輸出軸最大轉(zhuǎn)圈數(shù)：l0圈

電氣及機械接口與進口原供電動裝置相同。

由于是替代項目，該電動裝置的體積和重量受到了進口原供電動裝置的限制，主傳動采用了2Z-X(T)型少齒差行星齒輪傳動后(其傳動簡圖見圖2)，電動裝置結(jié)構(gòu)緊湊。滿足了體積和重量等方面的替代要求。

本文主要從傳動比和效率計算以及加工誤差對齒輪齒廓重迭干涉影響的角度討論2Z—X(I)型少齒差行星齒輪傳動在小轉(zhuǎn)矩多回轉(zhuǎn)核級閥門電動裝置上的應(yīng)用。

2．1 主傳動的構(gòu)成及參數(shù)選擇

2．1．1 主傳動的構(gòu)成：由一對正齒輪和一個2z—x(I)型少齒差行星傳動減速機構(gòu)構(gòu)成。

2．1．2齒輪參數(shù)選擇

(1)一級正齒輪副E、F。模數(shù)取m一1．齒數(shù)分別取為：Z_E—42，Z_F—93。

(2)2z—x(I)型少齒差行星減速齒輪模數(shù)及齒數(shù)等參數(shù)的確定。

按文獻(1)第14篇第6章的相關(guān)內(nèi)容進行少齒差行星齒輪的參數(shù)選擇，參數(shù)見表1，注：內(nèi)嚙合齒輪副內(nèi)齒輪齒數(shù)與外齒輪齒數(shù)之Z_d=Z₂-Z₁=Z₄-Z₃乙稱為齒數(shù)差。一般齒數(shù)差Z_d=1～8稱為少齒差。

表1 少齒差行星齒輪參數(shù)

項目	外齒1	外齒2	外齒3	外齒4
齒數(shù)Z	41	44	33	36
變位系數(shù)x	0.0587	0.1795	0.0558	0.1766
齒數(shù)差Zd	3		3
設(shè)計中心距a′	1.6		1.6
模數(shù)m	1
齒頂高系數(shù)h*a	0.6
壓力角a	20°
嚙合角a′	28.241°

2．2 傳動比的計算

2．3 傳動效率的計算

行星齒輪傳動的效率是評價其傳動性能優(yōu)劣的重要指標之一。試驗研究和理淪分析發(fā)現(xiàn)行星傳動的效率有如下特點：

(1)行星齒輪傳動的效率，隨其結(jié)構(gòu)類型的不同而不同；

(2)同一型式的行星齒輪傳動的效率，隨傳動比的變化而變化；

(3)同一型式的行星齒輪傳動，當主、從動件改變時，效率隨之改變；

(4)行星齒輪傳動的效率的變化范圍很大，高的達O.98以上。低的可接近于零，甚至自鎖。

SDZH核級閥門電動裝置的主傳比為136.16。其中2z—x(I)型少齒差行星傳動部分的傳動比為61.5，其主動件為偏心轉(zhuǎn)臂(x)，輸出件為內(nèi)齒輸出軸(內(nèi)齒輪4)，固定件為內(nèi)齒輪2(見圖2)。該行星傳動的效率計算如下：

2．3．1 一級正齒輪副E、F的傳動效率ηEF

直接選取ηEF=0.97

2．3．2 2Z—X(I)型少齒差行星齒輪傳動效率計算

(1)第一對內(nèi)嚙合齒輪副1和2的嚙合效率講η^r_e12的計算

本文主要以內(nèi)嚙合齒輪副I(外齒l和內(nèi)齒2)為例說明，內(nèi)嚙合齒輪副Ⅱ(外齒3和內(nèi)齒4)類同，僅加以必要的說明。

表2 E1、E2、μe的數(shù)值

項目	范圍	E1	E2
εa1或εa1	≥0且≤1	0.5-εa1+ε2a1	0.5-εa2+ε2a2
	>1	εa1-0.5	εa2-0.5
	<0	0.5-εa1	0.5-εa2
齒廓摩擦因數(shù)μe	內(nèi)齒輪插齒，外齒輪磨齒或剃齒	約0.07～0.08
	內(nèi)齒輪插齒，外齒輪滾齒或插齒	約0.09～0.1

將齒輪參數(shù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式計算可得：

2．4 齒廓重迭干涉計算(G_s)

2Z–x(I)型少齒差行星齒輪傳動的兩對內(nèi)嚙合齒輪副必須分別滿足各自的齒廓重迭干涉條件才能避免傳動時發(fā)生齒廓重迭干涉，內(nèi)嚙合齒輪副不產(chǎn)生干涉的條件是必須確保G_s12>0與G_s34>0，設(shè)計時一般取G_s>O.05。對于內(nèi)齒輪副I，其齒廓重迭干涉條件G_s12的表達式為：

只要將上式中的下標1和2分別置換成3和4，即可得到內(nèi)齒輪副Ⅱ的G_s34的表達式。

2．4．1 不考慮齒輪加工誤差對齒廓重迭干涉驗算值G_s12、G_s34的影響

將齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式計算可得：

由齒廓重迭干涉驗算值G_s12、G_s34的計算結(jié)果可知，該少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動，在不考慮加工誤差的影響時，不會產(chǎn)生齒廓重迭干涉。

2．4．2 分析加工誤差對齒廓重迭干涉驗算值G_s12、G_s34的影響

實際應(yīng)用中，由于零件加工誤差的存在，齒輪嚙合時往往還是會出現(xiàn)輕微的干涉現(xiàn)象，使電動裝置的噪音增大，效率下降。對齒廓重迭干涉產(chǎn)生影響的工誤差主要有：齒輪的齒圈徑向跳動、齒輪傳動的中心距極限偏差(偏心轉(zhuǎn)臂的偏心距)、齒輪的齒頂圓偏差以及轉(zhuǎn)臂軸承游隙等。

下面就以齒圈徑向跳動為例來分析齒輪的加工誤差對齒廓重迭干涉的影響，四個齒輪均采用8級精度，其徑向跳動均為F_r=0.045。這個誤差將影響到內(nèi)嚙合齒輪副的實際傳動中心距。假設(shè)實際傳動時的中心距為α^″=α^′±F_r。

實際傳動時的中心距α^″愈大，則嚙合角愈大，愈不易產(chǎn)生齒廓重迭干涉。故只要驗證實際中心距α^″=α^′-F，時的狀態(tài)是否干涉即可，假設(shè)齒輪的實際徑向跳動偏F_r≤0.045。

由以上計算可知，由于齒圈徑向跳動偏差的存在，就可能使原本不干涉的少齒差內(nèi)嚙合齒輪產(chǎn)生齒廓重迭干涉。所以，為了確保少齒差內(nèi)嚙合齒輪的傳動質(zhì)量，必須采取措施消除齒圈徑向跳動偏差對齒廓重迭干涉的影響。另外，對齒廓重迭干涉影響較大的加工誤差還有中心距極限偏差和齒頂圓直徑偏差。在通常的齒輪傳動設(shè)計中，中心距極限偏差一般按設(shè)計手冊取正負偏差值，由于中心距取負偏差時，實際中心距減小了，往往導致G_s變小，易產(chǎn)生齒廓重迭干涉；反之，中心距取正偏差時，使G_s變大，不易產(chǎn)生干涉。所以對少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動來講應(yīng)該采用正的中心距偏差。同理，齒頂圓直徑偏差對內(nèi)齒輪來說應(yīng)取正偏差，對外齒輪來說應(yīng)取負偏差相當于齒頂高進一步縮短，可使G_s變大，不易產(chǎn)生齒廓重迭干涉。

所以2Z—X(I)型少齒差行星齒輪傳動可以采用中心距(甚至可以把齒圈徑向跳動的影響直接加到中心距上，即取中心距α^″=α^′+F_r)正偏差以及適當加大齒頂圓直徑偏差(內(nèi)齒輪取正偏差，外齒輪取負偏差)的辦法來彌補加工誤差對齒廓重迭干涉的影響。

3．結(jié)語

由于2z—x(I)型少齒差行星齒輪傳動具有承載能力強、速比大、效率高等優(yōu)點，從而使所設(shè)計的sDzH核級閥門電動裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，重心低，很好地滿足核級產(chǎn)品的抗震要求。只要在少齒差行星齒輪傳動的設(shè)計中，充分考慮到加工誤差因素對齒廓重迭干涉的不同影響，從而在設(shè)計上采取相應(yīng)的補償措施，就能設(shè)計出理想的小轉(zhuǎn)矩核級閥門電動裝置或與其配套的少齒差行星減速器。

sDzH核級閥門電動裝置在外殼采用球鐵鑄件的情況下，其整機實際重量僅為19.4kg，比進口原供電動裝置(外殼為鋁合金)略有增加，經(jīng)抗震分析計算及實際的抗震試驗表明，在與閥門連接的機械接口不變情況下，sDzH核級閥門電動裝置完全能滿足標準規(guī)定的抗震鑒定要求。它的體積比進口原供電動裝置要小，完全滿足了替代的安裝尺寸要求。

2008年4月，SDzH核級閥門電動裝置通過了由中國機械工業(yè)聯(lián)合會主持的科學技術(shù)成果鑒定。由來自國家環(huán)境保護部核安全中心、中國核電工程有限公司、中國核動力研究設(shè)計院、上海核工程研究設(shè)計院、中科華核電技術(shù)研究院、清華大學核能與新能源技術(shù)研究院等核領(lǐng)域單位的專家組成的鑒定委員會一致認為，sDzH核級閥門電動裝置性能可靠，在國內(nèi)居領(lǐng)先水平，達到了國際同類產(chǎn)品水平。

SDzH核級閥門電動裝置的成功開發(fā)不僅解決了二代加CPRl000堆型上大量小口徑截止閥、隔膜閥用電動裝置的自主化配套問題，同時還有力推動了田灣核電站“物項替代”進口原供閥門電動裝置的國產(chǎn)化進程。目前，已有多臺小轉(zhuǎn)矩sDZH核級閥門電動裝置在田灣核電站安裝運行，并且運行良好。

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