邢鴻雁，高 敏，隋相鵬

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

遠程控制行星齒輪減速器驅(qū)動閥門的系統(tǒng)設(shè)計

邢鴻雁，高 敏，隋相鵬

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

從節(jié)省能源以及控制方便等角度出發(fā)，設(shè)計了一種采用行星齒輪減速器驅(qū)動、且可遠程控制的閥門系統(tǒng)．閥門驅(qū)動系統(tǒng)采用三級行星齒輪減速機構(gòu)，控制系統(tǒng)采用基于GSM通信技術(shù)的手機終端進行遠程控制，電力供應(yīng)采用太陽能電池板并聯(lián)蓄電池供電．系統(tǒng)具有1.5,s的快速響應(yīng)時間，以太陽能為能源供電，節(jié)能環(huán)保．

遠程控制；驅(qū)動閥門；行星齒輪減速器；系統(tǒng)設(shè)計

在目前普遍使用的管路噴灌系統(tǒng)中，控制模塊都是采用電網(wǎng)電壓驅(qū)動的機械或電磁閥實現(xiàn)的．有些地方由于環(huán)境或人力等限制，人工操作已逐漸成為大面積發(fā)展節(jié)水滴灌的阻力．并且，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，從節(jié)省能源、人力的角度出發(fā)，采用超低電壓控制驅(qū)動的遠程閥門系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢．低電壓驅(qū)動減速機構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，實現(xiàn)超低電壓電動機動力的合理轉(zhuǎn)化，應(yīng)用太陽能供電、遠程控制的電路設(shè)計也是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[1–3]．

國內(nèi)的減速器多為齒輪傳動、蝸桿傳動，普遍存在功率與質(zhì)量比小，或者傳動比大而機械效率過低的問題．國外與國內(nèi)相比，減速器在使用壽命、工作效率等方面都更具優(yōu)勢，德國、丹麥和日本的技術(shù)相對領(lǐng)先，減速器的工作可靠性高，使用壽命長，但其體積和質(zhì)量問題仍未得到較好解決[4–5]．

本設(shè)計采用傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊體積小的行星齒輪控制的閥門機構(gòu)，配以低壓直流電機、太陽能電池以及無線控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動灌溉、定時灌溉、周期灌溉、手動灌溉等多種模式，可廣泛應(yīng)用于節(jié)水灌溉領(lǐng)域．

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括遠程控制終端、閥門無線控制及智能供電模塊、太陽能電池板、行星齒輪組、閥門、微型伺服電動機及硅酸蓄電池，作為主電源的太陽能電池板并聯(lián)蓄電池向閥門無線控制及智能供電模塊供電，閥門無線控制及智能供電模塊接收遠程控制終端的指令，控制微型伺服電動機的動作，閥門及行星齒輪組共同固裝在支座上，電動機的輸出軸連接行星齒輪組，通過聯(lián)軸器控制閥門的實時開度．

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schema of the whole structure

2 閥門驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

閥門驅(qū)動系統(tǒng)采用微型伺服電動機作為動力源，采用三級NGW型行星齒輪減速機構(gòu)減速至工作需要轉(zhuǎn)速[6–8]．

2.1.1 電動機的選擇

實測球閥DN40通水開閉所需最大扭矩為1.8～2.2,N·m，鑒于閥門使用過程中可能存在的密封介質(zhì)老化、雜質(zhì)以及管道壓力不均等因素引起的額外扭矩附加量，加入扭矩擴大系數(shù)，取測量扭矩的2.0～2.5倍為計算扭矩，即3.6～5.5,N·m．對閥門開閉時間進行實驗，閥門球頭旋轉(zhuǎn)90°即完成一次打開或閉合動作的用時為1.5,s，計算可得對應(yīng)閥門球頭旋轉(zhuǎn)速度為10,r/min．

電動機由太陽能電池6,V電壓驅(qū)動，轉(zhuǎn)速2,500,r/min，功率30,W，減速器總傳動比374，選用永磁直流無刷電動機30ZW01．

2.1.2 多級行星齒輪傳動比分配

多級行星齒輪傳動的傳動比分配原則是各級傳動之間等強度，并希望得到最小的外廓尺寸[7]．三級NGW型行星齒輪各級傳動比計算公式為

式中：i3為低速級傳動比；i2為中間級傳動比；i1為高速級傳動比；i為總傳動比．計算得分級傳動比i1＝9.1，i2＝7.3，i3＝5.7．

2.1.3 配齒計算

設(shè)計行星傳動，齒數(shù)及行星輪的確定除滿足安裝條件、傳動比條件外，還需要滿足其他一些附屬條件，如齒輪的齒面布氏硬度小于350,HBS．承載能力主要由輪齒的接觸強度所決定，本系統(tǒng)為低速、硬齒面的可逆?zhèn)鲃?，承載能力取決于輪齒彎曲強度，故選擇較少的中心輪齒數(shù)[7]．

2.1.4 齒輪參數(shù)計算

中心輪和行星輪的材料均采用20,CrMnTi，滲碳淬火處理，齒面洛氏硬度為58～62,HRC，中心輪a和行星輪c的加工精度為7級；內(nèi)齒輪b的材料采用42,CrMo，調(diào)質(zhì)后布氏硬度為217～259,HBS．

按完全強度的模數(shù)計算公式[6]

式中：Km為算式系數(shù)；KA為使用系數(shù)；KFΣ為綜合系數(shù)；KFp為行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)；YFa1為齒形系數(shù)；T1為輸出轉(zhuǎn)矩；φd為齒寬系數(shù)；z1為Ⅰ級中心輪齒數(shù)；σFlim為輪齒彎曲疲勞強度極限，N/mm2．

根據(jù)強度計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)尺寸要求，齒輪的模數(shù)取0.5．

2.1.5 嚙合參數(shù)計算

齒輪嚙合關(guān)系原理如圖2所示．圖2中a為中心輪，b為內(nèi)齒輪，c為行星輪．嚙合齒輪的中心距為

計算可得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的嚙合中心距分別為a1＝11.25,mm，a2＝12.75,mm，a3＝14.25,mm．

圖2 減速器齒輪組傳動關(guān)系圖Fig.2 Transmission diagram of reducer engagement

減速器的各項參數(shù)見表1．

表1 減速器參數(shù)表Tab.1 Reducer parameter table

2.2 基于Solidworks的實體建模和仿真

2.2.1 實體建模

用Solidworks軟件進行實體建模，以齒輪為例，首先通過草圖，繪制出輪齒的小輪胚，畫出齒根圓，再經(jīng)過拉伸即可完成輪齒的建模．輪齒繪制的關(guān)鍵在于漸開線齒廓的生成，利用軟件自帶的曲線繪制功能生成精確的齒廓漸開線．

為生成精確的漸開線齒廓曲線，通過漸開線參數(shù)方程計算漸開線的坐標[9]，以其中一個外齒輪建模為例，漸開線的直角坐標方程為

式中：Rb為基圓半徑；θ為齒闊漸開線與圓周切線方向夾角；t為步進間隔，0≤t≤1，每次步進0.05；x、y、z為齒廓繪制描點坐標．利用Excel的函數(shù)計算功能計算出漸開線的坐標，部分數(shù)據(jù)見表2．

表2 漸開線坐標點部分數(shù)據(jù)(Rb＝8.222,3,mm)Tab.2Partial data of involute coordinating point(Rb＝8.222,3,mm)

將計算得到的坐標通過Solidworks軟件的曲線功能導(dǎo)入，即可自動完成漸開線齒廓草圖的繪制，如圖3(a)所示．然后根據(jù)中心線夾角齒頂圓等對漸開線做鏡像、裁剪等操作即可得到完整的齒廓草圖，如圖3(b)所示．對其進行特征拉伸并按齒數(shù)進行圓周陣列，完成該齒輪的實體模型，如圖3(c)所示．

圖3 齒輪建模過程Fig.3 Process of gear modeling

2.2.2 裝配仿真

在Solidworks軟件中進行虛擬裝配時應(yīng)遵照行星齒輪減速機構(gòu)的實際裝配步驟．應(yīng)分級裝配，在每級都應(yīng)遵循行星齒輪的裝配條件，即在導(dǎo)入中心輪之后先導(dǎo)入一個行星輪，使其輪齒與齒圈輪齒完全嚙合，然后旋轉(zhuǎn)120°，再安裝下一個行星輪，并依次重復(fù)完成裝配，該減速機構(gòu)的裝配效果如圖4所示．利用Solidworks軟件的COSMOSMotion插件功能進行裝配體的虛擬運動仿真，模擬了行星齒輪的實際運行狀況，并針對動態(tài)仿真過程中出現(xiàn)的問題進行結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，如增大齒圈輪齒齒頂間隙、減小齒圈輪齒齒寬、對齒輪進行齒面形狀優(yōu)化，這些優(yōu)化措施大大減少了齒輪嚙合偏載對齒面造成的損傷，提高了接觸疲勞壽命．

圖4 減速機構(gòu)裝配圖Fig.4 Reducter assembly

3 閥門控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)分析

系統(tǒng)以全球移動網(wǎng)絡(luò)(global system of mobile communication，GSM)作為信息傳輸平臺，以單片機芯片89S52作為微處理器，集成太陽能電池板、蓄電池、無線模塊、手機終端遠程控制閥門驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的信號處理系統(tǒng)．系統(tǒng)采用控制器基站服務(wù)器手機終端的信號控制機制[10]．

首先，通過限位開關(guān)實時監(jiān)控閥門的開閉狀態(tài)，并通過信號發(fā)生器反饋給基站系統(tǒng)，然后基站通過中央處理器整合來自各個閥門的不同狀態(tài)參數(shù)，打包后將實時數(shù)據(jù)上傳至手機終端，管理人員進行實時監(jiān)測管理．同時手機終端可以通過手機發(fā)送指令的方式向無線基站發(fā)送動作指令，基站解析后再對閥門進行控制，進而實現(xiàn)手機終端對閥門的實時開閉控制[11]．

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件由GSM模塊、單片機、時鐘、限位開關(guān)、繼電器控制電路以及外圍電路等構(gòu)成，可以分為4個模塊，包括主控端、接收端、受控端和驅(qū)動端．其中，主控端為用戶手機，接收端為GSM信息處理模塊，受控端為單片機控制模塊，驅(qū)動端為單片機外圍驅(qū)動電路和繼電器控制電路．其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5．

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the control system

系統(tǒng)采用電磁繼電器作為各輸出電路的控制開關(guān)，單片機輸出的控制信號可以通過信號放大電路實現(xiàn)對繼電器線圈通電與否的控制，從而實現(xiàn)對閥門電路的通斷控制[12]．

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了可以遠程控制的無線控制閥門系統(tǒng)，主要包括驅(qū)動閥門的行星齒輪減速機構(gòu)和控制模塊，可實現(xiàn)中控室控制、手機短信及現(xiàn)場手動多種控制方式．由于采用了行星齒輪減速機構(gòu)和太陽能電池供電，系統(tǒng)具有節(jié)約環(huán)保、機構(gòu)緊湊小巧、安裝方便等優(yōu)點，可適用于各種環(huán)境條件的農(nóng)林田灌溉領(lǐng)域．

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責(zé)任編輯：常濤

Design of Planetary Gear Reducer Drive Valve Controlled by Wireless

XING Hongyan，GAO Min，SUI Xiangpeng
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

The drive valve of the planetary gear reducer based on remote control was designed for saving energy and convenient control.Three-level planetary gear retarding mechanism was used in the drive valve system，and the GSM international communication base station technology was applied to the remote control system．Both solar panels and silicate battery were used as power to maintain the normal running of the system.The mechanism has the characteristics of energy efficiency，environmental protection and short response time of 1.5,s only.

remote control；drive valve；planetary gears reducer；system design

TH122

A

1672-6510(2015)05-0058-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20140150

2014–11–21；

2015–05–11

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201310057001)

邢鴻雁（1969—），女，天津人，副教授，hyxing@tust.edu.cn.