一、前言
   核閥電動裝置是應(yīng)用于核電站等核工業(yè)過程控制領(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行的環(huán)境。
   由于核產(chǎn)品有抗震要求，在設(shè)計核產(chǎn)品時，在滿足功能要求的前提下，應(yīng)盡量使設(shè)計的產(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)矩的電動裝置N·m）核閥電動裝置的體積和重量影響最大的是其主傳動機構(gòu)。目前，（核）閥電動裝置的主傳動大多采用蝸桿傳動。雖然也可以實現(xiàn)較大的速比，但在大速比下，體積大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，傳動效率低。
   小齒差行星齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、承載能力大、運行平穩(wěn)可靠、噪聲小、使用壽命長、加工方便等特點。目前，它在工業(yè)各個領(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)用卻很少報道。本文將成功2Z－X（Ⅰ）型少齒差行星齒輪傳動應(yīng)用于小轉(zhuǎn)矩核級閥門電動裝置的主傳動，為核級閥門電動裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了很好的借鑒。
   2.參數(shù)選擇與設(shè)計計算
   揚州電力設(shè)備廠專門為逐步取代進(jìn)口原電動設(shè)備的小轉(zhuǎn)矩而開發(fā)的田灣核電站SDZH電動裝置的主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)如圖1所示。

圖1 SDZH核閥電動裝置

   1)電源:三相AC380V±10%，50Hz。
   2)電機工作方式：S21，5min。
   3)防護(hù)等級：IP67。
   4)環(huán)境條件:環(huán)境溫度-20~ 60℃；常溫常壓下，相對濕度為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: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，電動裝置的體積和重量受進(jìn)口原電動裝置的限制，主傳動為2Z－X（Ⅰ）小齒差行星齒輪傳動后，其傳動簡圖如圖2所示。

圖2 2Z－X（Ⅰ）少齒差行星傳動簡圖

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。
   這里主要從傳動比和效率計算以及加工誤差對齒輪輪廓重復(fù)干擾的影響Z－X（Ⅰ）少齒差行星齒輪傳動應(yīng)用于小轉(zhuǎn)矩多回轉(zhuǎn)核閥電動裝置。
   1.主傳動的組成和參數(shù)選擇
   (1)主傳動由一對正齒輪和一個2組成Z－X（Ⅰ）少齒差行星傳動減速機構(gòu)，如圖3所示。

圖3

   (2)齒輪參數(shù)選擇
   1)一級正齒輪副E、F，模數(shù)取m=1.齒數(shù)分別?。篫E=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.計算傳動比
   總傳動比及其分配計算的目的是選擇合適的傳動比，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。傳動比的計算如下。
   1)一級正齒輪副E、F的傳動比iEF=93/42=2.214。

   
   電動裝置的總傳動比為：i=iEF×iBx1=2.214×61.5=136.16
   電機額定輸出轉(zhuǎn)速一般為1400r/min，由此可見，總傳比滿足電動裝置輸出速度為10r/min的要求。
   3.計算傳動效率
   行星齒輪傳動的效率是評價其傳動性能的重要指標(biāo)之一。實驗研究和理論分析發(fā)現(xiàn)，行星傳動的效率具有以下特點。
   1)行星齒輪傳動的效率因其結(jié)構(gòu)類型而異。
   2)同類型行星齒輪傳動的效率隨傳動比的變化而變化。
   3)當(dāng)主動和從動件發(fā)生變化時，同一形式的行星齒輪傳動效率發(fā)生變化。
   4)行星齒輪傳動效率變化很大，高達(dá)0.98以上，低可接近零，甚至自鎖。
   SDZH核閥電動裝置的主傳動比為136.16。其中2Z－X（Ⅰ）少齒差行星傳動部分的傳動比為61.5.其主動部件為偏心轉(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)。行星傳動的效率計算如下:
   (1)一級正齒輪副E、F的傳動效率ηEF直接選取ηEF=0.97。
   （2）2Z－X（Ⅰ）計算少齒差行星齒輪傳動效率
   1)第一對內(nèi)嚙合齒輪副1和2的嚙合效率η xe計算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，僅作必要說明。

   式中E1、E2、μe數(shù)值見表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，外齒輪插齒時選取齒廓摩擦因數(shù)μe=0.1，則ηxe12=0.9988。
   2)第二對內(nèi)嚙合齒輪副3和4的嚙合效率ηxe34的計算。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的值計算，從而計算出ηxe34=0.9985。
   3）2Z－X（Ⅰ）兩對齒輪副的嚙合效率ηxe14=ηxe12ηxe34=0.9973。
   4）2Z－X（Ⅰ）少齒差行星齒輪傳動機構(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——滾動軸承摩擦因數(shù)；
   dn——滾動軸承內(nèi)徑。
   (3) 電動裝置總效率計算η=ηEFηεηb=0.72。SDZH樣機的實測效率為0.7.接近此效率計算值。
   4.齒廓重復(fù)干涉計算（Gs）
   2Z－X（Ⅰ）兩對內(nèi)嚙合齒輪傳動的兩對內(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)嚙合齒輪副無干擾Gs12>0與Gs34>0.設(shè)計時一般取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齒廊重復(fù)干涉的計算值Gs12、Gs將齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式，計算出34的影響：

   由齒廓重疊干涉的計算值Gs12、Gs根據(jù)34的計算結(jié)果，在不考慮加工誤差影響的情況下，少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動不會產(chǎn)生齒廓重復(fù)干擾。
   （2）分析加工誤差對齒廓重疊干涉驗算值Gs12、Gs在實際應(yīng)用中，由于零件加工誤差的存在，齒輪嚙合時往往會出現(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、齒輪傳動中心距離極限偏差（偏心臂偏心距離）、齒輪頂圓偏差、臂軸承間隙等。
   以齒圈徑向圓跳動為例，分析齒輪加工誤差對齒廓重復(fù)干擾的影響。四個齒輪均為8級精度，徑向圓跳動均為Fr=0.045.這種誤差會影響內(nèi)嚙合齒輪副的實際傳動中心距。假設(shè)實際傳動中心距為a''r，則a''=a'±Fr。
   由嚙合角a'=arcos[（a/a''）cosα]可以看出，實際傳動時的中心距離a'越大，嚙合角越大，齒廓重復(fù)干擾的可能性越小。因此，只要驗證實際中心距離a''=a'－Fr假設(shè)齒輪的實際徑向圓跳動偏差可以干擾時的狀態(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。
   從上述計算可以看出，由于齒圈徑向圓跳動偏差的存在，原本不干擾的少齒間嚙合齒輪可能會產(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質(zhì)量，必須采取措施消除徑向圓跳動偏差對齒輪間隙重復(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齒廓重復(fù)干擾有很大影響。在通常的齒輪傳動設(shè)計中，中心距離極限偏差一般根據(jù)設(shè)計手冊取正負(fù)偏差值。當(dāng)中心距取負(fù)偏差時，實際中心距減小，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，使中心距離正偏差Gs變大，不易干擾。因此，對于較小的齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動，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可采用中心距圓跳動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）以彌補加工誤差對齒輪輪廓重復(fù)干擾的影響。
   三、結(jié)語
   由于2Z－X（Ⅰ）小齒差行星齒輪傳動具有承載能力強、速比大、效率高等優(yōu)點，可設(shè)計SDZH核級閥門電動裝置結(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的設(shè)計中，充分考慮加工誤差對齒輪重復(fù)干擾的不同影響，采取相應(yīng)的補償措施，設(shè)計理想的小扭矩核閥電動裝置或少齒差行星減速器。