电动执行机构的齿轮传动及扭矩测量

     在电动执行机构中，齿轮传动系统与扭矩测量系统是执行机构两个重要组成部分。本文将简述两种不同的齿轮传动系统以及对应的两种不同的扭矩测量方法。
        1. 齿轮传动系统 电动执行机构的动力来源是电机，一般电机的转速非常快（额定转速一般为3000rpm或1500rpm），而输出扭矩又非常小（一般介于0.5Nm~20Nm之间），所以必须借助于齿轮系统传动，利用其减速及放大扭矩的功能，一方面把输出转速降到理想速度，另一方面将较小的电机输出扭矩放大到阀门操作所需要的较大的扭矩输出。同时，齿轮传动系统的传动特性也可用于执行机构输出扭矩的测量。

        1.1 蜗轮蜗杆传动 不同电动执行机构中采用的齿轮传动型式各不相同，但一般都包含有蜗轮蜗杆传动系统。蜗轮蜗杆传动系统具有很多的优点，例如单级传动比大、轮系接触面积大、承载能力强、传动平稳、特定螺旋角下可实现自锁等。然而蜗轮蜗杆传动系统因自身的结构也同时存在这较大的缺点：
        1） 传动效率低：由于轮系接触面积大，相对滑动摩擦较大，传动效率一般仅为10~20%。另外由于较大的滑动摩擦造成的齿面磨损也较大，轮系发热现象严重，需要较好的润滑与散热。
        2） 蜗杆轴向力大：蜗轮蜗杆传动相当于螺旋传动，当蜗杆转动带动蜗轮传动时，受反作用力的影响，在蜗轮转动的同时，蜗杆会受到与蜗轮转动方向相反的轴向力。负载越大，轴向力越大。较大的轴向力会造成蜗杆支持部件的磨损，从而使蜗杆的轴向定位产生间隙，使系统传动的精度降低，并且会产生传动震荡及噪音。
        1.2 行星齿轮传动 为了在利用蜗轮蜗杆传动优点的同时又尽量降低其缺点的影响，执行机构可采用两级传动，常用的选择是采用行星齿轮传动+蜗轮蜗杆传动的组合型式。

        行星齿轮传动的原理：
        行星齿轮系统由三个主要传动部件组成：太阳轮、行星轮及齿圈。所有的行星轮一般固定在一个行星架上。行星齿轮系统的传动有双自由度的特性，即在三个传动部件中，固定任意一个部件，另外两个就可传动。在电动执行机构中，常常固定齿圈，太阳轮与电机主轴相联，行星架与蜗杆相联。这样，在电机转动时，太阳轮会驱动行星轮带着行星架围绕太阳轮旋转，从而带动蜗杆转动，输出动力。

        行星齿轮传动的特性：
        行星齿轮传动相对蜗轮蜗杆传动有许多独特的优点，恰好弥补克服上述蜗轮蜗杆传动的缺点：
        1） 机构紧凑：占用空间小，无轴向力。
        2） 工作平稳：震荡及噪音小。
        3） 滑动摩擦小：摩擦损耗小，传动效率高。
        两种传动机构结合使用，既能实现自锁的性能，又能获得较高的传动效率，降低电机功率，减少能耗。下表即采用不同传动系统的执行机构的参数比较。

        上表中可以看出，两个型号的执行机构全行程时间基本相同，即传动系统的减速比基本一样，但对于同样的输出扭矩，所需要的电机功率及运行电流相差很大，这说明在电动执行机构中采用行星齿轮传动可大大降低能耗。
        2. 执行机构输出扭矩的测量：
        电动执行机构在驱动阀门动作时，其输出扭矩随负载（阀门操作扭矩）的变化而变化。当阀门运行到终点（全开或全关）的位置或在运行过程中阀芯发生卡住不动的时候，执行机构的输出扭矩会急剧升高。为了不至于损坏阀座密封面或阀杆，需要限制执行机构的最大输出扭矩。而这就需要扭矩测量系统来实时测量执行机构的输出扭矩。
        测量执行机构输出扭矩一般有两种途径：利用蜗杆的轴向位移，或利用行星齿轮齿圈的周向位移。（还有一种测量方法是利用测量电机的速度来计算执行机构的输出扭矩，属于间接测量法，不在本篇论述之列。）
        2.1 蜗杆轴向位移测量法： 蜗杆轴向位移测量系统由碟形弹簧、拨杆及微动开关组成。碟形弹簧顶在蜗杆的两端，拨杆端部卡在蜗杆上。如前所述，在蜗轮蜗杆传动过程中，蜗杆由于受轴向力的作用，会产生轴向位移。轴向位移的蜗杆会压缩碟形弹簧，当碟形弹簧压缩产生的弹簧力与轴向力平衡时，蜗杆的轴向位移停止。负载（执行机构输出扭矩）越大，蜗杆轴向位移越大，当负载（输出扭矩）达到执行机构设定扭矩时，拨杆会触动微动开关动作，从而切断执行机构电机的电源，执行机构停止转动。 蜗杆轴向位移测量扭矩的方法是一种简单的测量方法，存在这一定的缺陷：
        1） 测量精度差：由于机械结构的要求，为了避免产生较大的振动及保持定位的准确型，需要把蜗杆的轴向位移限制在一个较小的范围内，所以必须采用弹性模量较大的碟形弹簧。因而，单位弹簧形变对应的执行机构输出扭矩就会较大，测量精度不高。
        2） 测量精度随运行时间降低：蜗杆是高速旋转部件，在动作过程中蜗杆、蜗轮、蜗杆支持部件及拨杆等部件均会发生磨损，因而会造成各种间隙的增大，测量精度也会随之降低。
        2.2 行星齿轮齿圈周向位移测量法：
        行星齿轮齿圈周向位移测量系统由螺旋弹簧、拨杆及微动开关组成。螺旋弹簧顶在滑块上，滑块卡在齿圈上。拨杆端部卡在齿圈上。当电机带动太阳轮旋转时，太阳轮驱动行星轮转动，同时也会带动齿圈转动。齿圈的转动会通过滑块压缩螺旋弹簧。当弹簧形变产生的弹簧力与齿圈受到的周向力平衡时，齿圈就会停止转动。负载（执行机构输出扭矩）越大，齿圈周向位移越大，当负载（输出扭矩）达到执行机构设定扭矩时，拨杆会触动微动开关动作，从而切断执行机构电机的电源，执行机构停止转动。

        行星齿轮齿圈周向位移测量法相对于蜗杆轴向位移测量法有其独特的优势：
        1） 测量精度高：齿圈周向位移比蜗杆轴向位移大，螺旋弹簧弹性模量小，弹簧单位形变对应的执行机构输出扭矩变化相对小，因而测量精度较高。
        2） 测量精度保持时间长：行星齿轮外圈不是高速旋转部件，摩擦磨损小，测量精度不随执行机构运行时间增加而降低，可以实现长久的高精度测量。
        总结： 装备有行星齿轮传动系统的电动执行机构要比单纯使用蜗轮蜗杆传动系统的执行机构的传动效率高，在同样的输出扭矩及操作时间的条件下，装备有行星齿轮传动系统的执行机构电机功率小，能耗低。
        利用行星齿轮外圈周向位移要比利用蜗杆轴向位移的方法测量执行机构输出扭矩精度高，更能实现持久可靠的测量。