一、前言
   核閥電動(dòng)裝置是應(yīng)用于核電站等核工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的終端執(zhí)行設(shè)備，可控制各種核閥的開關(guān)，特別適用于不適合核電站直接運(yùn)行的環(huán)境。
   由于核產(chǎn)品有抗震要求，在設(shè)計(jì)核產(chǎn)品時(shí)，在滿足功能要求的前提下，應(yīng)盡量使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積小、重量輕、重心低、扭矩?。ū疚奶岬降男∞D(zhuǎn)距范圍：輸出扭矩10~100N·m；輸出50~10000轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)裝置N·m）核閥電動(dòng)裝置的體積和重量影響最大的是其主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前，（核）閥電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)大多采用蝸桿傳動(dòng)。雖然也可以實(shí)現(xiàn)較大的速比，但在大速比下，體積大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，傳動(dòng)效率低。
   小齒差行星齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、承載能力大、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、噪聲小、使用壽命長(zhǎng)、加工方便等特點(diǎn)。目前，它在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。然而，它在核閥門電氣設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用卻很少報(bào)道。本文將成功2Z－X（Ⅰ）型少齒差行星齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于小轉(zhuǎn)矩核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)，為核級(jí)閥門電動(dòng)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。
   2.參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算
   揚(yáng)州電力設(shè)備廠專門為逐步取代進(jìn)口原電動(dòng)設(shè)備的小轉(zhuǎn)矩而開發(fā)的田灣核電站SDZH電動(dòng)裝置的主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)如圖1所示。

圖1 SDZH核閥電動(dòng)裝置

   1)電源:三相AC380V±10%，50Hz。
   2)電機(jī)工作方式：S21，5min。
   3)防護(hù)等級(jí)：IP67。
   4)環(huán)境條件:環(huán)境溫度-20~ 60℃；常溫常壓下，相對(duì)濕度為95%。
   5）技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)矩重復(fù)精度為：≤±10%的行程重復(fù)精度如下:≤±5°。
   6)核安全等級(jí):K2/K3。
   7)總重量：≤20kg。
   8)控制轉(zhuǎn)矩范圍:5~15N·m、10～30N·m、20～50N·m。
   9)輸出轉(zhuǎn)速:10r/min。
   10）輸出軸最大轉(zhuǎn)圈數(shù)：10圈。
   由于是替代工程，電動(dòng)裝置的體積和重量受進(jìn)口原電動(dòng)裝置的限制，主傳動(dòng)為2Z－X（Ⅰ）小齒差行星齒輪傳動(dòng)后，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 2Z－X（Ⅰ）少齒差行星傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.內(nèi)齒輪2 2.外齒輪1 3.外齒輪3 4.內(nèi)齒輪4
   電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，滿足體積和重量的替代要求。
   這里主要從傳動(dòng)比和效率計(jì)算以及加工誤差對(duì)齒輪輪廓重復(fù)干擾的影響Z－X（Ⅰ）少齒差行星齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于小轉(zhuǎn)矩多回轉(zhuǎn)核閥電動(dòng)裝置。
   1.主傳動(dòng)的組成和參數(shù)選擇
   (1)主傳動(dòng)由一對(duì)正齒輪和一個(gè)2組成Z－X（Ⅰ）少齒差行星傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3

   (2)齒輪參數(shù)選擇
   1)一級(jí)正齒輪副E、F，模數(shù)取m=1.齒數(shù)分別取：ZE=42，ZF=93。
   2）2Z－X（Ⅰ）確定少齒差行星減速齒輪模數(shù)和齒數(shù)。選擇少齒差行星齒輪的參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 少齒差行星齒輪參數(shù)[1]

注：內(nèi)嚙合齒輪副內(nèi)齒輪齒數(shù)和外齒輪齒數(shù)Zd=Z2－Z1=Z4－Z3稱為齒數(shù)差，一般齒數(shù)差Zd=1~8稱為少齒差。
   2.計(jì)算傳動(dòng)比
   總傳動(dòng)比及其分配計(jì)算的目的是選擇合適的傳動(dòng)比，以滿足電氣設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)之一-輸出速度的要求。傳動(dòng)比的計(jì)算如下。
   1)一級(jí)正齒輪副E、F的傳動(dòng)比iEF=93/42=2.214。

   
   電動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為：i=iEF×iBx1=2.214×61.5=136.16
   電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)速一般為1400r/min，由此可見(jiàn)，總傳比滿足電動(dòng)裝置輸出速度為10r/min的要求。
   3.計(jì)算傳動(dòng)效率
   行星齒輪傳動(dòng)的效率是評(píng)價(jià)其傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)研究和理論分析發(fā)現(xiàn)，行星傳動(dòng)的效率具有以下特點(diǎn)。
   1)行星齒輪傳動(dòng)的效率因其結(jié)構(gòu)類型而異。
   2)同類型行星齒輪傳動(dòng)的效率隨傳動(dòng)比的變化而變化。
   3)當(dāng)主動(dòng)和從動(dòng)件發(fā)生變化時(shí)，同一形式的行星齒輪傳動(dòng)效率發(fā)生變化。
   4)行星齒輪傳動(dòng)效率變化很大，高達(dá)0.98以上，低可接近零，甚至自鎖。
   SDZH核閥電動(dòng)裝置的主傳動(dòng)比為136.16。其中2Z－X（Ⅰ）少齒差行星傳動(dòng)部分的傳動(dòng)比為61.5.其主動(dòng)部件為偏心轉(zhuǎn)臂（X ），
   輸出為內(nèi)齒輸出軸(內(nèi)齒輪4)，固定為內(nèi)齒輪2(如圖2所示)。行星傳動(dòng)的效率計(jì)算如下:
   (1)一級(jí)正齒輪副E、F的傳動(dòng)效率ηEF直接選取ηEF=0.97。
   （2）2Z－X（Ⅰ）計(jì)算少齒差行星齒輪傳動(dòng)效率
   1)第一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副1和2的嚙合效率η xe計(jì)算12。主要嚙合齒輪副齒輪I(外齒1和內(nèi)齒2)為例，內(nèi)嚙合齒輪副Ⅱ(外齒3與內(nèi)齒輪4)相似，僅作必要說(shuō)明。

   式中E1、E2、μe數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 E1、E2、μe的數(shù)值[1]

   可以將齒輪參數(shù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式：αa1=24.434°，αa2=16.664°；εα1=－0.54024，εα 2=1.665。從表2可以看出，E1=1.04024，E2=1.165。
   按內(nèi)齒輪插齒，外齒輪插齒時(shí)選取齒廓摩擦因數(shù)μe=0.1，則ηxe12=0.9988。
   2)第二對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副3和4的嚙合效率ηxe34的計(jì)算。將E1、E2、εα1、εα2、αa1、αa2、Z1、Z2、da1、da2、d1、d將齒輪參數(shù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式即可E3、E4、εα3、εα4、αa3、αa4的值計(jì)算，從而計(jì)算出ηxe34=0.9985。
   3）2Z－X（Ⅰ）兩對(duì)齒輪副的嚙合效率ηxe14=ηxe12ηxe34=0.9973。
   4）2Z－X（Ⅰ）少齒差行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的嚙合效率ηε=[1 （ix4－1）（1－η xe14）]-1=0.86。
   5)轉(zhuǎn)臂軸承的效率ηb：

   式中 μb——滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)；
   dn——滾動(dòng)軸承內(nèi)徑。
   (3) 電動(dòng)裝置總效率計(jì)算η=ηEFηεηb=0.72。SDZH樣機(jī)的實(shí)測(cè)效率為0.7.接近此效率計(jì)算值。
   4.齒廓重復(fù)干涉計(jì)算（Gs）
   2Z－X（Ⅰ）兩對(duì)內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)的兩對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副必須分別滿足各自的齒廓重復(fù)干擾條件，避免齒廓重復(fù)干擾，
   必須確保內(nèi)嚙合齒輪副無(wú)干擾Gs12>0與Gs34>0.設(shè)計(jì)時(shí)一般取Gs>0.5.內(nèi)齒輪副I，其牙廓重復(fù)干涉條件Gs12表達(dá)式為：

   
   只需將上式下標(biāo)1和2分別替換為3和4，即可獲得內(nèi)齒輪副Ⅱ的Gs34的表達(dá)式。
   (1)不考慮齒輪加工誤差對(duì)齒廊重復(fù)干涉的計(jì)算值Gs12、Gs將齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，計(jì)算出34的影響：

   由齒廓重疊干涉的計(jì)算值Gs12、Gs根據(jù)34的計(jì)算結(jié)果，在不考慮加工誤差影響的情況下，少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生齒廓重復(fù)干擾。
   （2）分析加工誤差對(duì)齒廓重疊干涉驗(yàn)算值Gs12、Gs在實(shí)際應(yīng)用中，由于零件加工誤差的存在，齒輪嚙合時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)輕微的干擾，增加電氣設(shè)備的噪聲，降低效率。影響齒輪輪廓重復(fù)干擾的加工誤差主要包括：齒輪徑向圓跳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)中心距離極限偏差（偏心臂偏心距離）、齒輪頂圓偏差、臂軸承間隙等。
   以齒圈徑向圓跳動(dòng)為例，分析齒輪加工誤差對(duì)齒廓重復(fù)干擾的影響。四個(gè)齒輪均為8級(jí)精度，徑向圓跳動(dòng)均為Fr=0.045.這種誤差會(huì)影響內(nèi)嚙合齒輪副的實(shí)際傳動(dòng)中心距。假設(shè)實(shí)際傳動(dòng)中心距為a''r，則a''=a'±Fr。
   由嚙合角a'=arcos[（a/a''）cosα]可以看出，實(shí)際傳動(dòng)時(shí)的中心距離a'越大，嚙合角越大，齒廓重復(fù)干擾的可能性越小。因此，只要驗(yàn)證實(shí)際中心距離a''=a'－Fr假設(shè)齒輪的實(shí)際徑向圓跳動(dòng)偏差可以干擾時(shí)的狀態(tài)Fr≤0.045。
   a''=a'-Fr=1.555，則a'=24.98°，invαa1=0.0298995，δ1=1.33198，δ2=1.26191，Gs12=－0.0534＜0。
   從上述計(jì)算可以看出，由于齒圈徑向圓跳動(dòng)偏差的存在，原本不干擾的少齒間嚙合齒輪可能會(huì)產(chǎn)生齒廓重復(fù)干擾。因此，為了保證少齒間嚙合齒輪的傳動(dòng)質(zhì)量，必須采取措施消除徑向圓跳動(dòng)偏差對(duì)齒輪間隙重復(fù)干擾的影響。此外，中心距離極限偏差和齒頂圓直徑偏差對(duì)齒廓重復(fù)干擾有很大影響。在通常的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，中心距離極限偏差一般根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)取正負(fù)偏差值。當(dāng)中心距取負(fù)偏差時(shí)，實(shí)際中心距減小，往往導(dǎo)致Gs變小，容易產(chǎn)生牙廓重復(fù)干擾；相反，當(dāng)中心距離正偏差時(shí)，使中心距離正偏差Gs變大，不易干擾。因此，對(duì)于較小的齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用正中心距離偏差。同樣，齒頂?shù)膱A直徑偏差應(yīng)為內(nèi)齒輪的正偏差，外齒輪的負(fù)偏差相當(dāng)于進(jìn)一步縮短齒頂?shù)母叨菺s變大，不易產(chǎn)生重復(fù)的齒廓干擾。
   所以2Z－X（Ⅰ）小齒差行星齒輪傳動(dòng)可采用中心距圓跳動(dòng)的影響添加到中心距，即取中心距a''=a'-Fr）正偏差和適當(dāng)增加齒頂圓直徑偏差（內(nèi)齒輪正偏差、外齒輪負(fù)偏差）以彌補(bǔ)加工誤差對(duì)齒輪輪廓重復(fù)干擾的影響。
   三、結(jié)語(yǔ)
   由于2Z－X（Ⅰ）小齒差行星齒輪傳動(dòng)具有承載能力強(qiáng)、速比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)SDZH核級(jí)閥門電動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，重心低，提高了產(chǎn)品的抗震能力。只要在2Z－X（Ⅰ）在少齒差行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，充分考慮加工誤差對(duì)齒輪重復(fù)干擾的不同影響，采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，設(shè)計(jì)理想的小扭矩核閥電動(dòng)裝置或少齒差行星減速器。