利用Pro/E5.0软件进行阀门控制器结构设计

　　1 概述

　　随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，要实现管网系统的工业自动化管理, 离不开自动阀门这个管网系统中的执行机构。

　　阀门的种类也很多，下面的模型是其中一种——球阀，如图1所示。

　　图1 球阀

　　由于阀门的应用非常广，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用，本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高了几倍，故设计智能阀门控制装置具有实际的意义。电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置 ,其能源取用方便、安装调试简单 ,在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。

　　2 原理

　　阀门控制器由电动机驱动，通过蜗轮蜗杆减速，带动空心输出轴转动。在该减速箱中，具有手动/自动机构(手动机构可独立进行操作)。当切换手柄处于手动位置时，操作手轮，带动空心输出轴转动。当电动操作执行机构时，手动机构处于断开状态，由电动机驱动空心输出轴。

　　传动机构的结构详如图2所示。

　　图2 传动机构结构图

　　3 涡轮蜗杆设计

　　由于此处的蜗轮蜗杆有特殊的要求，故自己设计并进行校核(此处用专用软件进行设计)。设计的蜗杆仅仅是螺旋部分。

　　根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度中等，但蜗杆在传动中起到相当重要的作用，故蜗杆用45Cr;因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45—55HRC。蜗杆用ZCuSn10P1，金属膜铸造。

　　设计完成后的模型如下图3：

　　图3 蜗杆蜗杆

　　各个参数如下：

　　蜗杆输入功率：8.05kW

　　蜗杆类型：阿基米德蜗杆(ZA型)

　　蜗杆转速n1：1460r/min

　　蜗轮转速n2：73r/min

　　使用寿命：8000小时

　　理论传动比：20

　　蜗杆头数z1：2

　　蜗轮齿数z2：40

　　实际传动比i：20

　　************蜗杆蜗轮材料************

　　蜗杆材料：40Cr

　　蜗杆热处理类型：淬火

　　蜗轮材料：ZCuSn10P1

　　蜗轮铸造方法：离心铸造

　　疲劳接触强度最小安全系数SHmin;1.1

　　弯曲疲劳强度最小安全系数SFmin;1.2

　　转速系数Zn：0.749

　　寿命系数Zh;1.21

　　材料弹性系数Ze：147N^0.5/mm

　　蜗轮材料接触疲劳极限应力σHlim：425N/mm^2

　　蜗轮材料许用接触应力[σH]：349.914N/mm^2

　　蜗轮材料弯曲疲劳极限应力σFlim：190N/mm^2

　　蜗轮材料许用弯曲应力[σF]：158.333N/mm^2

　　************蜗轮材料强度计算************

　　蜗轮轴转矩T2:842.493N.m

　　蜗轮轴接触强度要求:m^2d1≥1161.145mm^3

　　模数m:5mm

　　蜗杆分度圆直径d1:90mm

　　************蜗轮材料强度校核************

　　蜗轮使用环境：中等冲击

　　蜗轮载荷分布情况：平稳载荷

　　蜗轮使用系数Ka：1.2

　　蜗轮动载系数Kv：1.2

　　蜗轮动载系数Kv：1.2

　　导程角系数Yβ：0.947

　　蜗轮齿面接触强度σH:261.634N/mm^2，通过接触强度验算!

　　蜗轮齿根弯曲强度σF:36.224N/mm^2，通过弯曲强度计算!

　　************几何尺寸计算结果************

　　实际中心距a：145mm

　　齿根高系数ha*:1

　　齿根高系数c*:0.2

　　蜗杆分度圆直径d1：90mm

　　蜗杆齿顶圆直径da1：100mm

　　蜗杆齿根圆直径df1：78mm

　　蜗轮分度圆直径d2：200mm

　　蜗轮变位系数x2：0

　　法面模数mn：4.969mm

　　蜗轮喉圆直径da2：210mm

　　蜗轮齿根圆直径df2：188mm

　　蜗轮齿顶圆弧半径Ra2：40mm

　　蜗轮齿根圆弧半径Rf2：51mm

　　蜗轮顶圆直径de2：211mm

　　蜗杆导程角γ：6.34°

　　轴向齿形角αx：20°

　　法向齿形角αn：19.887°

　　蜗杆轴向齿厚sx1：7.854mm

　　蜗杆法向齿厚sn1：7.806mm

　　蜗杆分度圆齿厚s2：7.854mm

　　蜗杆螺纹长b1≥：67mm

　　蜗轮齿宽b2≤：75mm

　　齿面滑动速度vs：6.922m/s

　　用软件计算及校核，计算得：

　　各个步骤如图4～图9所示：

　　图4 蜗轮蜗杆设计步骤2

　　图5 蜗轮蜗杆设计步骤3

　　图6 蜗轮蜗杆设计步骤4

　　图7 蜗轮蜗杆设计步骤5

　　图8 蜗轮蜗杆设计步骤6

　　图9 蜗轮蜗杆设计步骤7

　　4 结语

　　本设计阀门控制由伺服控制器，交流异步伺服电机、减速机构、计算机等多种应用工程技术综合而成，实现对阀门开度的控制、反馈与调节，并做到精确无误定位。