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