﻿ 应用于液体密封环境的电动执行机构设计
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (19): 35-39    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.006 PDF

Design of electric actuator for liquid sealing environment
ZHANG Tian-bao, LI Shi-ran, CHEN Li, GAO Hua-yun
The 713 Research Institute of CSSC, Zhengzhou 450015, China
Abstract: Based on the liquid working environment and target parameters determined by customer needs, the structure of the electric actuator is designed. The key parameters of screw, reducer and motor are determined according to the requirements of parameter indexes. The reliability of sealing of electric actuator is improved by the combination of dynamic and static sealing and the coordination with copper bushing. The finite element analysis software is used to simulate the push rod and the shell. Through the analysis of the stress and deformation results, the structural strength meets the requirements.
Key words: electric actuator     structural design     seal     simulation calculation
0 引　言

1 主要技术指标

2 电动执行机构结构设计

 图 1 电动执行机构结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of electric actuator structure

3 基本参数设计 3.1 滚珠丝杆

 $n = \frac{V}{{{P_h}}} \times 60 = \frac{{25}}{4} \times 60 = 375\;{\rm{r}}/\min 。$ (1)

 $T = \frac{{F \times {P_h}}}{{2{\text{π}} \times \eta }} = \frac{{4550 \times 4}}{{2 \times 3.14 \times 0.95}} = 3051\;{\text{N}} \cdot {\text{mm}} 。$ (2)

 $P = FV = 4\; 550 \times 25 \times {10^{{{ - }}3}} = 114\;{\text{W}}。$ (3)
3.2 电机及减速机构

 $i = \frac{{{n_e}}}{n} = \frac{{12\; 000}}{{375}} = 32 。$ (4)

3.3 丝杆力矩复算

 ${T_e} = \frac{{9\; 550{P_e}}}{{{n_e}}} = \frac{{9\; 550 \times 160}}{{12\; 000}} = 127\;{\text{N}} \cdot {\text{mm}}。$ (5)

 $\begin{split} {T'} & = {T_e} \times I \times {\mu _R} \times {\mu _e} = 127 \times 33.7 \times 0.9 \times 0.85 =\\ & 3\; 274\;{\text{N}} \cdot {\rm{mm}} \geqslant 3\; 051\;{\text{N}} \cdot {\text{mm}}。\end{split}$ (6)
3.4 到达时间复算

 ${V'} = \frac{{{n_e} \times {P_h}}}{{60 \times I}} = \frac{{12\; 000 \times 4}}{{60 \times 33.7}} = 23.7\;{\text{mm}}/{\text{s}} 。$ (7)

 ${t'} = \frac{S}{{{V'}}} = \frac{{100}}{{23.7}} = 4.2\;{\text{s}}。$ (8)

4 密封设计 4.1 静密封设计

O形密封圈设计制造简单，安装使用方便，密封可靠且作用稳定，广泛应用于机械密封结构。常见的密封结构为2个接触平面，密封原理如图2所示。O形密封圈在沟槽和被密封面的初始压力作用下产生弹性变形，这一变形转化为对接触面的初始压力，从而起到预密封的效果。当一侧介质压力增大时，O形密封圈会被压到沟槽一侧，并封闭间隙△t，同时截面形状发生改变，接触压力也随之增大，从而实现静态无泄漏密封[9]

 图 2 O形密封圈密封原理 Fig. 2 Sealing principle of O-ring

 图 3 静密封结构示意图 Fig. 3 Schematic diagram of static seal structure
4.2 动密封设计

 图 4 推杆端密封示意图 Fig. 4 Schematic diagram of seal at push rod

5 有限元应力校核

 图 5 推杆的Mises应力及变形分布 Fig. 5 Mises stress and deformation distribution of push rod

 图 6 壳体的Mises应力及变形分布 Fig. 6 Mises stress and deformation distribution of shell
6 结　语

1）根据工作环境和性能要求对电动执行机构进行结构设计，确定了主要零部件的设计选型方案，并对丝杆、电机等进行校核计算。结果表明，各零件的选型符合工作要求。

2）针对电动执行机构的密封问题，壳体与端盖间使用氢化丁腈橡胶O形密封圈，结构上采用凹凸台阶面的形式，推杆端的动密封则使用弹簧蓄能密封圈，并配合铜衬套提高密封的可靠性。

3）利用Ansys Workbench静力学模块对电动执行机构的推杆和壳体进行有限元分析仿真校核。结果表明，其应力和变形均在允许范围内，强度设计满足要求。

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