一、前言
核阀电动装置是应用于核电站等核工业过程控制领域的终端执行设备，可控制各种核阀的开关，特别适用于不适合核电站直接运行的环境。
由于核产品有抗震要求，在设计核产品时，在满足功能要求的前提下，应尽量使设计的产品体积小、重量轻、重心低、扭矩小（本文提到的小转距范围：输出扭矩10~100N·m；输出50~10000转矩的电动装置N·m）核阀电动装置的体积和重量影响最大的是其主传动机构。目前，（核）阀电动装置的主传动大多采用蜗杆传动。虽然也可以实现较大的速比，但在大速比下，体积大，结构不够紧凑，传动效率低。
小齿差行星齿轮传动具有结构紧凑、传动效率高、承载能力大、运行平稳可靠、噪声小、使用寿命长、加工方便等特点。目前，它在工业各个领域都有一定的应用。然而，它在核阀门电气设备领域的应用却很少报道。本文将成功2Z－X（Ⅰ）型少齿差行星齿轮传动应用于小转矩核级阀门电动装置的主传动，为核级阀门电动装置的优化设计提供了很好的借鉴。
2.参数选择与设计计算
扬州电力设备厂专门为逐步取代进口原电动设备的小转矩而开发的田湾核电站SDZH电动装置的主要技术参数和指标如图1所示。
图1 SDZH核阀电动装置
1)电源:三相AC380V±10%，50Hz。
2)电机工作方式：S21，5min。
3)防护等级：IP67。
4)环境条件:环境温度-20~ 60℃；常温常压下，相对湿度为95%。
5）技术指标：转矩重复精度为：≤±10%的行程重复精度如下:≤±5°。
6)核安全等级:K2/K3。
7)总重量：≤20kg。
8)控制转矩范围:5~15N·m、10～30N·m、20～50N·m。
9)输出转速:10r/min。
10）输出轴最大转圈数：10圈。
由于是替代工程，电动装置的体积和重量受进口原电动装置的限制，主传动为2Z－X（Ⅰ）小齿差行星齿轮传动后，其传动简图如图2所示。
图2 2Z－X（Ⅰ）少齿差行星传动简图
1.内齿轮2 2.外齿轮1 3.外齿轮3 4.内齿轮4
电气设备结构紧凑，满足体积和重量的替代要求。
这里主要从传动比和效率计算以及加工误差对齿轮轮廓重复干扰的影响Z－X（Ⅰ）少齿差行星齿轮传动应用于小转矩多回转核阀电动装置。
1.主传动的组成和参数选择
(1)主传动由一对正齿轮和一个2组成Z－X（Ⅰ）少齿差行星传动减速机构，如图3所示。
图3
(2)齿轮参数选择
1)一级正齿轮副E、F，模数取m=1.齿数分别取：ZE=42，ZF=93。
2）2Z－X（Ⅰ）确定少齿差行星减速齿轮模数和齿数。选择少齿差行星齿轮的参数，见表1。
表1 少齿差行星齿轮参数[1]
注：内啮合齿轮副内齿轮齿数和外齿轮齿数Zd=Z2－Z1=Z4－Z3称为齿数差，一般齿数差Zd=1~8称为少齿差。
2.计算传动比
总传动比及其分配计算的目的是选择合适的传动比，以满足电气设备的主要技术参数之一-输出速度的要求。传动比的计算如下。
1)一级正齿轮副E、F的传动比iEF=93/42=2.214。
电动装置的总传动比为：i=iEF×iBx1=2.214×61.5=136.16
电机额定输出转速一般为1400r/min，由此可见，总传比满足电动装置输出速度为10r/min的要求。
3.计算传动效率
行星齿轮传动的效率是评价其传动性能的重要指标之一。实验研究和理论分析发现，行星传动的效率具有以下特点。
1)行星齿轮传动的效率因其结构类型而异。
2)同类型行星齿轮传动的效率随传动比的变化而变化。
3)当主动和从动件发生变化时，同一形式的行星齿轮传动效率发生变化。
4)行星齿轮传动效率变化很大，高达0.98以上，低可接近零，甚至自锁。
SDZH核阀电动装置的主传动比为136.16。其中2Z－X（Ⅰ）少齿差行星传动部分的传动比为61.5.其主动部件为偏心转臂（X ），
输出为内齿输出轴(内齿轮4)，固定为内齿轮2(如图2所示)。行星传动的效率计算如下:
(1)一级正齿轮副E、F的传动效率ηEF直接选取ηEF=0.97。
（2）2Z－X（Ⅰ）计算少齿差行星齿轮传动效率
1)第一对内啮合齿轮副1和2的啮合效率η xe计算12。主要啮合齿轮副齿轮I(外齿1和内齿2)为例，内啮合齿轮副Ⅱ(外齿3与内齿轮4)相似，仅作必要说明。
式中E1、E2、μe数值见表2。
表2 E1、E2、μe的数值[1]
可以将齿轮参数表中的相关数据代入上述公式：αa1=24.434°，αa2=16.664°；εα1=－0.54024，εα 2=1.665。从表2可以看出，E1=1.04024，E2=1.165。
按内齿轮插齿，外齿轮插齿时选取齿廓摩擦因数μe=0.1，则ηxe12=0.9988。
2)第二对内啮合齿轮副3和4的啮合效率ηxe34的计算。将E1、E2、εα1、εα2、αa1、αa2、Z1、Z2、da1、da2、d1、d将齿轮参数表中的相关数据代入上述公式即可E3、E4、εα3、εα4、αa3、αa4的值计算，从而计算出ηxe34=0.9985。
3）2Z－X（Ⅰ）两对齿轮副的啮合效率ηxe14=ηxe12ηxe34=0.9973。
4）2Z－X（Ⅰ）少齿差行星齿轮传动机构的啮合效率ηε=[1 （ix4－1）（1－η xe14）]-1=0.86。
5)转臂轴承的效率ηb：
式中 μb——滚动轴承摩擦因数；
dn——滚动轴承内径。
(3) 电动装置总效率计算η=ηEFηεηb=0.72。SDZH样机的实测效率为0.7.接近此效率计算值。
4.齿廓重复干涉计算（Gs）
2Z－X（Ⅰ）两对内啮合齿轮传动的两对内啮合齿轮副必须分别满足各自的齿廓重复干扰条件，避免齿廓重复干扰，
必须确保内啮合齿轮副无干扰Gs12>0与Gs34>0.设计时一般取Gs>0.5.内齿轮副I，其牙廓重复干涉条件Gs12表达式为：
只需将上式下标1和2分别替换为3和4，即可获得内齿轮副Ⅱ的Gs34的表达式。
(1)不考虑齿轮加工误差对齿廊重复干涉的计算值Gs12、Gs将齿轮的相关数据代入上述公式，计算出34的影响：
由齿廓重叠干涉的计算值Gs12、Gs根据34的计算结果，在不考虑加工误差影响的情况下，少齿差内啮合齿轮传动不会产生齿廓重复干扰。
（2）分析加工误差对齿廓重叠干涉验算值Gs12、Gs在实际应用中，由于零件加工误差的存在，齿轮啮合时往往会出现轻微的干扰，增加电气设备的噪声，降低效率。影响齿轮轮廓重复干扰的加工误差主要包括：齿轮径向圆跳动、齿轮传动中心距离极限偏差（偏心臂偏心距离）、齿轮顶圆偏差、臂轴承间隙等。
以齿圈径向圆跳动为例，分析齿轮加工误差对齿廓重复干扰的影响。四个齿轮均为8级精度，径向圆跳动均为Fr=0.045.这种误差会影响内啮合齿轮副的实际传动中心距。假设实际传动中心距为a''r，则a''=a'±Fr。
由啮合角a'=arcos[（a/a''）cosα]可以看出，实际传动时的中心距离a'越大，啮合角越大，齿廓重复干扰的可能性越小。因此，只要验证实际中心距离a''=a'－Fr假设齿轮的实际径向圆跳动偏差可以干扰时的状态Fr≤0.045。
a''=a'-Fr=1.555，则a'=24.98°，invαa1=0.0298995，δ1=1.33198，δ2=1.26191，Gs12=－0.0534＜0。
从上述计算可以看出，由于齿圈径向圆跳动偏差的存在，原本不干扰的少齿间啮合齿轮可能会产生齿廓重复干扰。因此，为了保证少齿间啮合齿轮的传动质量，必须采取措施消除径向圆跳动偏差对齿轮间隙重复干扰的影响。此外，中心距离极限偏差和齿顶圆直径偏差对齿廓重复干扰有很大影响。在通常的齿轮传动设计中，中心距离极限偏差一般根据设计手册取正负偏差值。当中心距取负偏差时，实际中心距减小，往往导致Gs变小，容易产生牙廓重复干扰；相反，当中心距离正偏差时，使中心距离正偏差Gs变大，不易干扰。因此，对于较小的齿差内啮合齿轮传动，应采用正中心距离偏差。同样，齿顶的圆直径偏差应为内齿轮的正偏差，外齿轮的负偏差相当于进一步缩短齿顶的高度Gs变大，不易产生重复的齿廓干扰。
所以2Z－X（Ⅰ）小齿差行星齿轮传动可采用中心距圆跳动的影响添加到中心距，即取中心距a''=a'-Fr）正偏差和适当增加齿顶圆直径偏差（内齿轮正偏差、外齿轮负偏差）以弥补加工误差对齿轮轮廓重复干扰的影响。
三、结语
由于2Z－X（Ⅰ）小齿差行星齿轮传动具有承载能力强、速比大、效率高等优点，可设计SDZH核级阀门电动装置结构紧凑，体积小，重量轻，重心低，提高了产品的抗震能力。只要在2Z－X（Ⅰ）在少齿差行星齿轮传动的设计中，充分考虑加工误差对齿轮重复干扰的不同影响，采取相应的补偿措施，设计理想的小扭矩核阀电动装置或少齿差行星减速器。
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