多回转阀门智能电动执行器是石油化工、天然气、发电等行业领域用于快速驱动大尺寸阀门的常用设备之一，以对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制，常被称为工业生产过程自动化的“手足”。随着现代工业生产自动化程度的逐步提高，对阀门执行器的功能和使用要求也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，以提高生产效率，因此，郑州宏宇自控设备有限公司与中原工学院合作开发新型多回转阀门智能电动执行器。本文利用虚拟样机技术，设计开发了一种多回转阀门智能电动执行器的传动机构，并建立了参数化模型，为后续的产品改进和机构运动学/动力学分析及系列产品开发奠定了基础。

1 电动执行器传动机构总体设计

目前，市场上存在的多回转阀门电动执行器，按减速机构的组成可以分为：SR系列、SMC系列和ZA系列等。通过对几种系列执行器的结构特征和优缺点分析，对该型多回转阀门智能电动执行器传动机构的总体设计如图1所示。电机减速采用两级直齿轮减速；主减速部分由锥齿轮减速和行星齿轮减速两部分组成；为了实现电机正向动力输入时，无论电机正反转均可传递动力，而手动正反输入时，电机锁止，在电机减速与锥齿轮减速两者之间设置一双向逆止装置。

图1 阀门电动执行器总体结构图

2 齿轮的参数化建模

多回转阀门电动执行器传动机构主要包括电机减速、锥齿轮减速、行星齿轮减速和手动机构的蜗轮蜗杆减速四个部分，分别由直齿轮、锥齿轮、蜗杆和蜗轮组成，其中，直齿轮最多，其次是锥齿轮，因此，为了缩短开发周期、便于设计的优化和修改，以及为后期运动学和动力学仿真建立更准确的样机模型，对齿轮进行了参数化建模。

2.1 齿轮的参数化建模流程

由于锥齿轮的参数化建模较直齿轮更为复杂，本文以锥齿轮为例，图2所示为锥齿轮参数化建模的流程示意图。

图2 齿轮参数建模的流程

2.2 渐开线齿轮轮廓线的创建

本文采用CATIA软件进行执行器的开发设计。在CATIA中主要通过fog（x）法则，参数化建立离散的渐开线点集，然后利用样条曲线工具绘制轮廓线。渐开线坐标方程为：

    （1）

式（1）中，r1为基圆半径，t为展开角（弧度）。

法则函数为：

y=r1cos（π/2t）-r1π/2·t·sin（π/2t）    （2）

2.3 齿轮的参数化模型

参数化建模过程中，利用创建锥齿轮的用户参数变量和系统参数变量之间的关系公式创建的锥齿轮参数化模型如图3和图4所示。

图3 锥齿轮的参数化三维模型

图4 大锥齿轮

3 执行器传动机构的总体装配设计

利用虚拟样机技术进行多回转阀门电动执行器传动机构的装配设计时，需要根据各零部件间的装配关系和逻辑设计及依附关系，对装配设计进行层次划分，确定各模型间的父子关系，如图5所示；去掉壳体前的传动机构的装配设计（左）及样机（右）如图6所示。

图5 装配体装配的父子关系表

图6 阀门执行器的虚拟样机模型

4 结论

本文在分析三种型号阀门电动执行器优缺点的基础上，确定了新型的多回转阀门智能电动执行器的总体布置，建立了各种齿轮的参数化模型，并基于虚拟样机技术对该型多回转阀门智能电动执行器的传动机构进行了结构设计，为后续的运动学和动力学仿真及结构优化提供了参数化模型，实际样机由德国莱克LIK有限公司试制生产，目前已经投入市场，得到了用户的好评。