基于SolidWorks的防爆精小型阀门电动执行器设计

基于SolidWorks 的防爆精小型阀门电动执行器设计
Design of explosion proof fine valve electric actuator based on SolidWorks
丁时锋，李清香，黄 尧，匡仁瑞，俞承建
DING Shi-feng, LI Qing-xiang, HUANG Yao, KUANG Ren-rui, YU Cheng-jian
（九江学院 机械与材料工程学院，九江 332005）
摘 要：依据防爆精小型阀门电动执行器的技术要求，完成了电动执行器总体方案设计和传动机构设
计，选用交流异步电动机驱动，详细给出了各级传动参数。

以SolidWorks软件为设计平台，完成了电动执行器的三维参数化建模和虚拟样机装配。

应用Simulation有限元分析模块对电动执行器传动轴进行了静态与疲劳分析，得出了轴的静态应力、位移分析结果及使用寿命、损坏百分比情况。

据所设计虚拟样机及有限元分析结果制作的实物样机用于某煤矿井下生产现场，能够准确启闭控制阀门，性能良好。

关键词：SolidWorks；防爆精小型阀门；电动执行器；有限元分析中图分类号：TH122 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2020)07-00165-04
收稿日期：2019-04-03
作者简介：丁时锋（1975 -），男，湖北人，副教授，硕士，研究方向为机电产品设计及电液控制技术。

0 引言
阀门广泛应用于工业、电力、石油、化工、交通运输等部门行业，在对阀门实行远程自动控制过程中，电动执行器是一种重要现场驱动装置与执行部件。

阀门电动执行器是一种典型的机电一体化集成装置，其性能的好坏直接影响阀门的调节控制。

目前电动执行器产品主要有DKJ 角行程电动执行机构和DKZ 直行程电动执行机构两种，一般将其与阀门配合联接，构成角行程或直行程控制的电动调节阀
[1～5]。

在某煤矿井下生产现场，周
围是粉尘与易爆气体环境，由于工作环境恶劣、其电动执行机构必须具有防尘防爆性能。

本文主要针对某煤矿井下生产现场用球阀、蝶阀的远程自动启闭控制要求，而设计了一种防爆精小型DKJ 角行程阀门电动执行器。

所设计防爆精小型阀门电动执行器整体重量与所需安装空间比同类产品更小，整体装置结构紧凑、工作可靠，适用于蝶阀、球阀、旋塞阀等启闭过程控制，可适用于矿井、石油、化工等周围具有粉尘及易燃易爆性气体的恶劣环境。

1 电动执行器总体方案及传动机构设计
1.1 主要技术参数要求
驱动电源：A C 220V ，50H z ；防爆等级：E E x D ⅡB T 4 G B ；防护等级：I P 67；输出力矩：90N·m ；动作时间：15s ；输出转角：90°。

1.2 总体方案设计
防爆精小型阀门电动执行器用于开启和关闭球阀、
蝶阀，工作中阀杆来回转动90°可启闭控制阀门。

本设计采用电动机驱动，后经过减速装置将电动机的输出转速降低。

需要启闭控制的阀门阀杆与电动执行器减速装置输出轴连接，随输出轴一起转动，从而实现阀门的启闭控制。

防爆精小型阀门电动执行器主要结构由驱动电机、传动减速装置、电气控制装置、工作指示装置、工作保护装置等构成。

1.3 传动机构设计
1）选用电机
分析实际工况和阀门工作特性，驱动电机选用鼠笼式交流异步专用电动机，单相220V 电源供电，额定功率15W ，额定速度1470r/min 。

此专用型电动机起动转矩大﹑过载能力强﹑转动惯量小，电机定子绕组中有内藏式自动恢复型过热保护器，当阀门发生意外卡堵时，可控制电机停止，保护电动执行器使用安全。

2）传动机构设计
电动执行器工作时要将电机轴的高速短时间内降低，传动比要求较大。

由于齿轮传动瞬时传动比为常数、传动精确，传动结构紧凑、效率高；而蜗轮蜗杆传动具有大的传动比、传动自锁。

因此传动减速技术方案采用前置多级齿轮传动、后置蜗杆蜗轮传动输出。

电动执行器减速装置传动简图如图1所示，采用四级传动。

第一级采用斜齿轮传动，中间二、三级采用直齿轮传动，最后级采用蜗杆蜗轮传动。

输入轴Ⅰ与电机轴相联接，输出轴Ⅴ与阀杆连接。

由电动执行器动作时间15s 、输出转角90°的技术
参数要求，根据式(1)可计算输出轴V （蜗轮轴）理论要求转速。

min /160
/1521
2r n =×
=ππ
㸰㔷
(1)
由电机轴速度及蜗轮轴转速，初步估算总传动比约为1470。

根据机械设计手册，齿轮传动压力角选为20°，模数优先选用第Ⅰ系列模数，设计中各级模数值分别选用0.6、0.6、0.8及1等[6]，各级传动参数如表1所示。

表1 各级传动参数
第i 级类型齿数齿宽中心距效率第1级
斜齿轮1
10
12mm
14.4mm
0.98
斜齿轮2385mm 第2级
直齿轮3
16
7mm
24mm
0.97
直齿轮4645mm 第3级
直齿轮5
15
7mm
29.2mm
0.97
直齿轮6585mm
第4级
蜗杆7
头数1
18mm
0.82
蜗轮8
24
13mm
实际总传动比：
8.14112487.348.34321=×××≈=i i i i i
(2)
输出轴V 实际转速：
min /04.18
.14111470
r i n n ===㸰㔷⮈〛
(3)
总传动效率：
756.082.097.097.098.04321=×××≈=ηηηηη
(4)
输出轴V 的力矩：
m N n P T o ⋅≈××==13.10404
.1756.01555.955
.9㸰㔷㸰㔷 (5)
设计轴V 实际转速稍大于轴V 的要求转速，因此符合动作要求。

设计轴Ⅴ实际输出力矩稍大于轴Ⅴ的要求力矩90N·m
，因此符合输出力矩要求。

图1
电动执行器传动简图
1.箱体外壳；
2.轴Ⅴ部件；
3.上盖部件；
4.前盖部件；
5.前置齿轮传动轴承座；
6.轴Ⅱ部件；
7.轴Ⅲ部件；
8.轴V （蜗杆轴）部件；
9.轴Ⅰ部件；10.电机隔离盖部件；11.电机；12.电气位置检测开关；13.安装挡板；14.电气接线端子板；15.定位螺钉；16.进线螺塞；17.侧盖部件；18阀门；19连接法兰
图2 电动执行器装配爆炸图
2 电动执行器三维建模与虚拟装配
2.1 电动执行器三维参数化建模
本设计应用SolidWorks 软件对轴、箱体外壳、箱盖等非标机械结构零部件进行三维参数化建模。

轴的结构简单，主要用拉伸、旋转等特征建模方法。

箱体为铝浇注件，其外壳形状与内部结构都较复杂，采用实体与曲面相结合的特征建模方法。

电动执行器的箱盖主要包括前盖、上盖、侧盖，考虑到防护要求，箱盖类部件建模
时要注意密封结构设计。

透过上盖观察阀的启闭位置，因此上盖设计还需考虑方便观测。

应用SolidWorks 设计库中的Toolbox 工具对轴承、
螺钉、螺母、垫圈、键等进行三维参数化建模。

根据表1各级传动参数，应用SolidWorks 专用插件GearTrax 对传动部件的各齿轮、蜗轮及蜗杆进行建模[7,8]。

2.2 电动执行器虚拟装配
利用虚拟装配（Virtuai Assembiy ）技术，可从不同角度观察内部结构，实现快速修改，有效降低开发成
本、加速产品开发进程。

本设计应用SolidWorks 软件装配模块进行整机虚拟装配，装配时可将顶级装配体分解为多个子装配体分别进行装配，后将各子装配体再装配成顶级装配整机，本设计电动执行器装配爆炸图如图2所示。

图2中的阀门18和连接法兰19不属于电动执行器部件，此处只用于表达阀门18和连接法兰19的工作。

上盖部件3主要有上盖、透明圆盘、密封件、弹簧垫圈、螺钉等装配而成。

透明圆盘上有开关刻度，配合转动轴Ⅴ上的指示盘，可实现阀启闭的实时指示，方便观测。

轴Ⅴ部件2主要有轴Ⅴ、蜗轮、轴承、套筒、键、销、撞击挡块、指示盘、螺钉等装配而成。

两个撞击挡
块由锁紧螺钉固定在轴上，其相错角度可调节。

轴Ⅴ正
反转时，两个撞击挡块撞击到相对应的电气位置检测开关，可实现电动机的转动与停止电气切换控制。

轴Ⅴ上设计有阀启闭机械停止保护的销，轴Ⅴ转动到设定位置时，蜗轮轴一侧的销将被安装在外壳上的机械锁紧螺钉堵住，轴Ⅴ停止转动，从而实现阀启闭到位时的机械强制停止保护。

在无电或停电状态下，考虑到电动执行器工作安全可靠问题，设计有手动操纵。

在轴Ⅳ蜗杆轴的前侧轴向开有内六角孔，配合六角扳手工具可实现手动操纵。

手动转动轴Ⅳ，经蜗轮蜗杆传动，将运动由轴Ⅳ直接传动到轴Ⅴ输出，实现阀的启闭控制。

手动操纵结构如果设计在前置Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ轴，因减速传动原因，操纵较慢；如设计在轴Ⅴ上，因直接操纵，要求操纵力矩大。

因此本设计手动操纵结构选在轴Ⅳ处较合适。

以上给出了应用SolidWorks 软件完成的某些子装配体部件的设计说明，其他各子装配体在此不再详述。

3 电动执行器传动轴的静态与疲劳分析
本电动执行器有5根轴，在此以输出轴Ⅴ（蜗轮轴）为例，详述传动轴的静态与疲劳分析。

3.1 蜗轮轴受力分析
蜗杆蜗轮啮合传动，作用在蜗轮上的力主要有圆周力、径向力和轴向力。

圆周力：
(6)
径向力：
kN F F t r 16.320tan 68.8tan =×==o α
(7)
轴向力：
(8)
蜗轮轴一侧与阀杆通过法兰连接，有两联轴花键。

键槽侧面作用力：
kN r T F 25.68
1002121=×=×=
(9)
3.2 蜗轮轴静态分析
应用SolidWorks Simulation 进行静态分析，为了减小分析计算时间，对模型的圆角、退刀槽等进行简化处理。

轴材料选用45号钢调质处理，密度7.8×103kg/m 3，泊松比0.28，弹性模量2.1×1011Pa ，抗剪强度750MPa ，屈服强度580MPa [9,10]。

在轴中两侧轴承安装位置添加轴
承夹具。

根据式(6)～式(9)所计算作用力及轴自重，在轴中添加5个相应载荷。

对轴进行网格划分，选择“实体网格”类型、“基于曲率的网格”和“高品质”创建网格单元。

网格划分生成完成后，对蜗轮轴有限元模型运行分析计算，得到蜗轮轴应力、位移等静态分析结果如图3、图4所示。

由图3、图4分析结果可知：施加载荷情况下，蜗轮轴最大应力343MPa ，小于轴材料屈服极限580MPa ，满足强度设计要求。

蜗轮轴最大位移量0.0132mm ，满足
实际位移变形要求。

图3
蜗轮轴静态应力图解　
图4 蜗轮轴静态位移图解
3.3 蜗轮轴疲劳分析
在蜗轮轴Simulation 静态分析基础上，采用名义应力法对其进行疲劳分析。

建立一个算例类型为疲劳的算例，根据蜗轮轴所选材料45号钢调质处理特性，设置蜗轮轴材料的S-N （应力-寿命）曲线，插值项选择双对数，蜗轮轴材料S-N 曲线如图5所示。

在疲劳算例负载中添加事件，循环周期57600，负载类型为基于零（LR ＝0），关联蜗轮轴已完成静态分析算例，比例为1。

在疲劳算例属性中，恒定振幅事件交互作用选择“随意交
互作用”，计算交替应力的手段选择“对等应力（von Mises ）”，平均应力纠正选择“Gerber ”[10]。

相应设置完成后，运行疲劳算例，得到疲劳数据分析结果如图6、 图7
所示。

图5 蜗轮轴材料S-N
曲线
图6 蜗轮轴损坏图解　
图7 蜗轮轴生命图解
由图6、图7疲劳分析结果可知：蜗轮轴在57600次承载循环后，其最大损坏百分比为5.77%，恒小于1。

蜗轮轴最小生命总数（周期）为1.00×106次。

因此蜗轮轴的结构设计安全，满足当前载荷作用下生产要求。

4 结语
针对防爆精小型阀门电动执行器的技术要求，选用鼠笼式交流异步专用电动机驱动。

完成了电动执行器总体方案设计与传动机构设计，详细给出了各级传动参数。

应用SolidWorks 软件及其插件Toolbox 和GearTrax ，完成了电动执行器各非标机械结构零部件和标准零部件的三维参数化建模和虚拟装配。

应用SolidWorks Simulation 分析模块，完成了电动执行器传动轴的静态与疲劳分析，得到轴的静态应力、位移分析结果和相关疲劳分析结果。

所设计虚拟样机及有限元分析结果为实
物样机的试制提供了参考依据，确保了样机结构合理性及工作可靠性。

依据本设计制作的实物样机自动手动两用、结构紧凑、动作灵敏，工作可靠，可广泛应用于矿井、化工等各种恶劣环境。

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