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1、济南大学毕业设计1前言1.1选题背景我国电动执行器的研制开发起步比较晚，是从苏联有触点的电动执行机构进行仿制开始的，从60年代末、70年代初开始，逐步发展了DDZ- II和DDZ- III系列产品。80年代以来，随着机电一体化技术的发展，电动执行器的发展也十分迅速，市场上逐渐形成了无触点的DKJ型角行程和DKZ型直行程两大类产品，这是我国生产的唯一的、最早的电动执行器，其特点是产品结构简单、经济实用等，由于这些优点而被早期的国营大型企业使用。随着现代工控计算机管理的发展，我国的仪器仪表行业的整体综合技术水平也得到了普遍上升，所以在仪器仪表产品中开始普遍采用微电子技术和计算机技术，从而实现了多数
2、产品的智能化。现在，DKJ、DKZ系列与以前相比有了实质性的改进，这主要体现在一下两方面：（1）生产出的智能电子型、户外型、隔爆型等改进产品直接受计算机的控制；（2）电路控制部分被封装在一个小型塑料盒中，即形成了便于维护的即插即用型的模块。所以，很大程度上提高了普通DKJ型和DKZ型的可靠性、负载能力、精度、信号品质系数等，与此同时也降低了对环境条件的要求1。 自1929年LIMITORQUE公司制造出世界上第一台电动执行机构以来，国际上的电动执行器的技术水平也得到了迅猛发展。从20世纪80年代起，国外陆续推出了符合各种现场总线标准的智能型电动执行机构，这些新产品在工业现场都取得了非常好的应用
3、效果2。随着高新科技的迅猛发展，国外目前已经开发出新一代智能化电动执行机构产品，在这些产品中电子计算机技术、微机控制技术已经在阀门设计中得到广泛应用，他们的优点是功能强大、简单可靠、技术先进。国际著名的电动执行机构公司，英国的ROTORK（罗托克）生产的ITQ系列智能化电动执行机构，不仅拥有智能控制、智能通信、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使其可以在任何环境中被使用，防水防爆，调试以及故障排除简单，终身可靠3。另一家国际著名公司德国Hartmann&Braun公司的新一代智能型电动执行器MOE700实现了电子一体化，变频变速定位监控等功能。在该领域拥有世界先
4、进水平的公司还有美国的JORDAN和LIMITORQUE公司等4。JORDAN公司的智能型电动执行器的动作频率是20004000/h，频率非常之高，相比国内的电动执行器的动作频率都在2000/h以下，一般动作频率达到1200/h就已经算是很高的了5。归结起来，国际上智能电动执行机构具有以下特点：（1）智能控制和智能通信。利用微机技术和现场通信技术，智能电动执行机构能够实现双向通信、在线自动标定、PID调剂以及自动校正和自动诊断等多种控制技术要求的功能，能有效提高控制水平。（2）机电一体化性能。新型智能化电动执行机构将伺服放大器和执行机构合为一体，同时驱动电路使用功能强大的集成模块，不仅结构简单
5、，而且控制性能更好。（3）更为先进的控制策略。先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，能够实现准确定位，提高控制精度。例如：Nucom电动执行机构利用先进的电制动技术，其控制精度可以达到1/250，而国产的DKJ和DKZ型电动执行器的控制精度一般为2.5/100。电动执行机构作为电动阀门的动力装置，是工业自动化仪表中的执行单元。它接受来自工控机、计算机、调节器等仪表系统的控制信号，自动完成调节过程，直接影响着阀门的使用性能。因此，电动执行机构的性能直接影响整个系统的安全性、经济性、可靠性，甚至关系到系统的正常运行。1.2选题意义 随着能源化工、钢铁和建筑等现代化工业高速发展以及与其有密切联系的
6、水、气、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门也将扮演着很重要的角色。从而对电动执行机构的功能和使用要求也会相应的提高，迫切需要新一代的智能化产品来替代目前正在使用的产品，因此研制开发性能先进、功能完善的电动执行机构，尤其是能够实现对远距离控制、现场操作、集中控制功能的电动执行机构，用来满足国内和国外广大用户生产使用的要求，也对形成我国自己的产品具有十分重要的现实意义。1.3 设计内容和目的 电动执行机构在工业控制现场具有广泛的应用，国内外也纷纷对电动执行机构进行改进设计。本次设计要求改进角行程电动执行机构机械限位部分，即将机械限位改为电子限位。根据查阅国内外电动执行机构的现状，发现越来
7、越多的工厂希望在控制系统得到阀门、龙头以及驱动器当下位置的反馈信号。因为传感器的工作速度和可靠性的优势明显：全固态，因此无磨损或误差修改；快速输出开关状态；磁滞和重复性可以比机械设备更多的进行电子定义；无焊接或输出端腐蚀；很少或者根本不受堵塞或湿度影响；无触点抖动，使得维护和调试更加简单，快捷。预期研究结果：（1）保证阀门开度不会超过它的极限位置；（2）保证力矩输出不会超出设定上限3000N；（3）实现电动机的过温保护；（4）增设了报警电路，当阀门开度超过指定范围或者扭矩过大时，进行报警警告。2电动执行机构机械部分的设计本章节主要介绍了电动执行机构内部机械传动部分零件的计算与选型，传动部分的结
8、构示意如图2.1所示。图2.1 机械传动部分示意图2.1 电机型号的确定执行机构输出轴扭矩、一级蜗轮蜗杆采用4头蜗杆，减速比为10，蜗杆传动效率为0.76（1个）， 滚子轴承的传动效率0.98（4个），弹性联轴器传动效率0.99(3个)，二级蜗轮蜗杆减速比为31，蜗杆传动效率为0.73（1个），齿轮传动效率0.9（2个），一级圆柱齿轮的传动比为3，所以总传动率为0.6。2.1.1折算到电机轴上的转矩为 （2.1）式中：，分别为电机输出轴扭矩和执行机构输出轴扭矩，；执行机构总传动比；执行机构总的传动效率。2.1.2 电动机的计算功率为 （2.2）查手册7，选择Y100L2-4型三相异步电动机，该
9、电机额定功率为，额定转速为。2.2 一级蜗轮蜗杆减速装置的设计2.2.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T 10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。渐开线蜗杆传动相比于阿基米德蜗杆传动和法向直廓蜗杆传动，其效率和承载能力有了明显提高，但是由于蜗杆本身以及与其相配的蜗轮的加工有一定难度，使其价格较高。2.2.2 选择蜗轮蜗杆材料蜗杆用45号钢、淬火、硬度4555HRC，涡轮用铸造铝铁青铜（ZCuAl10Fe3），它的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于传动速度不高的场合。2.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 （2.3）式中：一级蜗轮上的扭矩，；K载荷系数；材料的弹性系数，；蜗杆传
10、动的接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数，简称接触系数；蜗轮齿面的许用接触应力，。（1）确定作用在一级蜗轮上的扭矩按传动效率 减速比为10，则 （2.4）（2）确定载荷系数K因为工作载荷较稳定，故取齿向载荷分布系数 ；由表11-56选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数。则 （2.5）（3）确定弹性影响系数ZE因选用的是铸造铝铁青铜和钢蜗杆相配，故。（4）确定接触系数先假定蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，查图6得11-18。（5）确定许用接触应力查表11-76蜗轮的基本需用接触应力。应力循环次数为 （2.6）式中：j蜗轮每转一转，每个轮齿啮合的次数； 工作寿命。寿命系数 （2
11、.7）则 （2.8）（6）计算中心距 （2.9）查表取标准，因传动比为10，故从表11-26中取模数，蜗杆分度圆直径。这时，从图11-186查出接触系数，因为，所以以上计算结果可用。2.2.4 蜗杆与蜗轮的主要参数和几何尺寸（1）蜗杆轴向齿距 （2.10）直径系数 （2.11）齿顶圆直径 （2.12）齿根圆直 （2.13）蜗杆轴向齿厚 （2.14）分度圆导程角。（2）蜗轮蜗轮齿数；变位系数；验算传动比传动比没有误差。蜗轮分度圆直径 （2.15）蜗轮节圆直径 （2.16）蜗轮喉圆直径 (2.17)蜗轮齿根圆直径 (2.18)蜗轮咽喉母圆半径 (2.19)图2.2 蜗轮蜗杆尺寸示意图2.2.5 校
12、核齿根弯曲疲劳强度 （2.20）式中：蜗轮上的扭矩，； 蜗杆，蜗轮的分度圆直径，mm； 齿形系数； 螺旋角系数。计算当量齿数 （2.21）根据 ，从图11-196查的齿形系数。螺旋角系数 （2.22）从表11-86查的由铸造铝铁青铜的基本许用弯曲应力。寿命系数 （2.23）许用弯曲应力 （2.23） （2.25）弯曲强度是满足的。2.2.6 验算效率 （2.26）已知；与相对滑动速度有关： （2.27）从表11-186查的 ；代入式中得，大于原估计值，因此不用重算。2.2.7 对蜗杆轴校核（1）计算蜗杆和蜗轮的转矩 （2.28） （2.29）（2）计算圆周力、径向力、轴向力 （2.30） （2
13、.31） （2.32）（3）对蜗杆轴受力分析受力分析如图所2.3示图2.3 一级蜗杆轴的受力分析1）取垂直平面计算对A点取矩 （2.33）从而可得。 2）取水平面进行计算 （2.34）对A点取矩 （2.35）求得，。3）画弯矩图和扭矩图并分析危险面 （2.36），C点处为危险面。4）校核轴的强度 （2.37）式中：轴的计算应力，； M轴所受的弯矩，； T轴所受的扭矩，。 （2.38）所以满足强度要求。2.2.8 轴承的选择及校核计算（1）轴承的选择 采用角接触球轴承，根据轴直径为20，选择角接触球轴承的型号为7004C，主要参数为：；基本额定静载荷；基本额定动载荷；极限转速为14000（r/min）。（2）轴承寿命的校核1）已知 （2.39）查表4.6-37查的7004C型号轴承的；根
