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摘要:可调式倒伞曝气机专用减速机是污水处理设备—— 曝气机的关键部件,以前国内少数减速机厂家在试生产此类减速机,但都无法满足污水处理的动力效率要求;造成了该类减速机完全依赖进口。为了打破这种受制于人的局面,滿足市场需求,我们对减速机结构和齿轮材质进行全面的创新,使其能够完全满足污水处理的工艺要求,推进了我国可调式倒伞曝气机专用减速机的重大技术装备的自主研制,加快了发展和推进使用国产化动力设备,重点发展具有自主知识产权的技术基础装备。
关键词:减速机 结构创新 自主研制
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0081-02
倒伞曝气机作为一种有效的污水处理设备,它主要功能是向污水中人为地冲入空气,同时推动水流前进,在水循环流动过程中,使空气的氧溶入水中并和有机物、微生物充分接触、混合,供微生物质呼吸,使有机物得到氧化,从而改善被污染的生态环境,使水质净化,创造出适合生物生长的环境。倒伞曝气机专用减速机作为曝气机设备中的关键部件,它能满足曝气机各种工艺要求,而可调式倒伞曝气机专用减速机更能对提高设备的动力效率起到良好的重要作用(图1)。
1 结构组成
(1)主减速机构:由主变频调速电机、增量型编码器和主减速器组成。电机启动,经主减速器实现减速,扭矩增大;通过带增量型编码器的变频调速电机速度调节,可实现各种准确转速输出,以满足曝气机的工艺要求。减速器齿轮采用低碳高强度合金材料,经渗碳、淬火、磨齿等工艺加工而成。可大幅提高减速机承载能力。
(2)升降机构:由升降减速机、绝对值编码器、梯形螺杆、KK合金螺母、轴承座、轴承套、联接法兰及若干轴承组成。通过带绝对值编码器升降机构可实现较准确的升降行程和速度。
(3)输出机构:由内花键轴(与主减速器输出齿轮固联)、外花键轴、联轴器、传动轴等组成输出机构。内外花键轴由高强度中碳合金钢调质处理,内外花键轴间轴向为滑动联接。外花键轴在传递扭矩的同时,可实现上下升降。
2 工作原理
主变频调速电机低频启动—经主减速器内花键轴、外花键轴、联轴器和传动轴带动倒伞叶轮旋转。通过变频电机变频调速,倒伞叶轮可以以不同的转速旋转。在倒伞叶轮以不同的转速旋转的同时,升降机构减速机输出一定转速和扭矩,经梯形螺杆、螺母等部件,使旋转运动转化为直线运动,通过轴承座、若干轴承、轴承套、联接法兰及与法兰固联的外花键轴、联轴器、传动轴、带动倒伞叶轮上下直线运动。主减速机和升降机构及输出机构的合成,可实现叶轮在曝气池内以不同的浸没深度和不同的转速旋转,以满足曝气机动力效率要求。
3 曝气机工作过程
污水在旋转倒伞叶轮叶片的强力推进作用下,水幕从叶轮周边甩出,形成水跃,裹进大量空气,叶轮由下向上呈锥形扩大,运行时迫使污水上下循环流动,不断更新液面;另一方面叶轮底部及背面因污水的流动而形成负压,致使污水和空气进行大面积接触、混合,溶解大量氧气,供给微生物吸收,达到净化污水的目的。叶轮的不同浸没深度和运行速度直接影响充氧效果和水力推进能力,因此水质净化的效果直接受到影响,该可调式曝气机专用减速机具有升降和转速调节功能,根据曝气池污水液面高低,相应调整叶轮高度和运行速度,使污水能够大面积与空气接触,使空气中的氧分子迅速溶入污水中,使污水净化更加彻底。
4 主要件设计计算要点
该类减速机为倒伞曝气机所配套,它必须满足曝气机对它的一切技术要求,如安装尺寸、与相关件(传动轴、叶轮)配合尺寸、输出扭矩、输出转速范围、升降行程和升降速度等等。
4.1 根据输出转速n12～n22,确定减速机总传动比i和主调速电机变频范围(f1～f2)
在计算变频调速电机频率范围时,要注意该类电机在5Hz～50Hz频率范围输出恒转矩,在50Hz～100Hz频率范围内输出恒功率特性(主变频调速电机极数为4极)。
同时要防止在频率较低时电机出现爬行现象,在频率较高时要满足输出转矩要求。传动比和电机频率范围计算公式如下:
f1= (1)
f2= (2)
n12为减速机输出最低转速(r/min);
n22为减速机输出最高转速(r/min);
f1为为减速机输出最低转速时电机电源频率(Hz);
f2为为减速机输出最高转速时电机电源频率(Hz);
i为减速机总传动比。
通过反复设定试算,确定减速机传动比i,并确定最佳的电机频率范围(f1～f2)。
4.1.1 传动比分配。
根据分配传动比的基本原则分配减速机各级传动比。
i=i1×i2×.. ×in (3)
式中:
i为减速机总传动比;
i1、i2、in为减速机各级传动比。
4.1.2 计算转矩T2n。
根据曝气机的载荷种类确定减速机工况系数f,另考虑到减速机一旦失效会影响污水处理能力,因此须考虑安全系数SA,计算转矩计算公式如下:
T2n=T2×f×SA (4)
式中:
T2n为减速机计算转矩(N·m)；
T2为减速机输出转矩(N·m);
f为减速机工况系数(按减速器载荷分类中Ⅲ类选取);
SA为减速机安全系数(按重要设备选取)。
4.1.3 减速机主要尺寸的初步确定。
(1)按接触强度和弯曲强度分别初步计算中心距和模数。
该减速机属于硬齿面斜齿轮减速机,齿轮热处理为渗碳、淬火,齿面精加工为磨齿,其齿面硬度很高,具有较强的抗点蚀和耐磨损性能;心部具有很好的韧性,因此其齿面接触强度和齿根弯曲强度较软齿面齿轮减速机和中硬齿面齿轮减速机大幅提高。
按接触强度计算每级中心距公式(见《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,(2～23))如下: a=480(u+1) (5)
式中:
a为中心距(mm);
u為传动比(u==);
Tn为每级主动级小齿轮传递的计算转矩(N·m);
Φa为齿宽系数(按Φa=,Фd按(《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,表(2～48))选取);
σHP为许用接触应力(MPa)。
按弯曲强度计算每级齿轮模数公式(见《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,(2～25))如下:
mn=12.5 (6)
式中:
mn为齿轮法向模数(mm);
Tn为每级主动小齿轮的计算转矩(N·m);
YFS为复合齿形系数 按相关手册选取或计算;
Φm为齿宽系数(Φm=Фd z1,Фd按(《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,表(2～48))选取);
Z1为每级主动小齿轮齿数;
σFP为许用弯曲强度(Mpa)。
(2)齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度校核。
简化计算定出主要尺寸后,根据计算转矩、各级齿轮模数、齿数、各级转数、及齿轮材质等对各级齿轮进行强度校核,并根据校核计算结果重新调整初定尺寸。
4.2 轴承的类型选择
减速器上多选用滚动轴承,选用滚动轴承时根据承受工作力大小、方向、工作转数等,采用不同的轴承类型(如圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、FAG满滚子圆柱轴承)。该减速机中,输入轴转速高且只有一对斜齿轮的啮合力作用在轴和轴承上,所以可以成对配置能同时承受径向力和轴向力圆锥滚子轴承。中间轴有两对同旋向的斜齿轮啮合力作用在轴承上,轴向力可以抵消一部分,但径向力较大,因此选用调心滚子轴承,输出轴转数低但径向力和轴向力都很大,因此配置大负荷圆锥滚子轴承。倒伞叶轮工作时产生的径向力由输出轴支撑轴承承受,轴向力由升降机构内推力调心滚子轴承承受。轴承类型和型号初选后,经齿轮参数初算,齿轮啮合力的大小和方向可定,根据轴承的跨距和力在轴上作用点,可对轴承的工作寿命进行计算,如工作寿命不够,应选用同内径负荷能力较大的规格。一般该类减速机轴承工作寿命按额定负荷计算应达到35000h。
参考文献
[1] 朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京:化学工业出版社,2004,7.
[2] 成大先.机械设计设计手册.（第3卷—4版)[M].北京:化学工业出版社,2002,1.
关键词:减速机 结构创新 自主研制
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0081-02
倒伞曝气机作为一种有效的污水处理设备,它主要功能是向污水中人为地冲入空气,同时推动水流前进,在水循环流动过程中,使空气的氧溶入水中并和有机物、微生物充分接触、混合,供微生物质呼吸,使有机物得到氧化,从而改善被污染的生态环境,使水质净化,创造出适合生物生长的环境。倒伞曝气机专用减速机作为曝气机设备中的关键部件,它能满足曝气机各种工艺要求,而可调式倒伞曝气机专用减速机更能对提高设备的动力效率起到良好的重要作用(图1)。
1 结构组成
(1)主减速机构:由主变频调速电机、增量型编码器和主减速器组成。电机启动,经主减速器实现减速,扭矩增大;通过带增量型编码器的变频调速电机速度调节,可实现各种准确转速输出,以满足曝气机的工艺要求。减速器齿轮采用低碳高强度合金材料,经渗碳、淬火、磨齿等工艺加工而成。可大幅提高减速机承载能力。
(2)升降机构:由升降减速机、绝对值编码器、梯形螺杆、KK合金螺母、轴承座、轴承套、联接法兰及若干轴承组成。通过带绝对值编码器升降机构可实现较准确的升降行程和速度。
(3)输出机构:由内花键轴(与主减速器输出齿轮固联)、外花键轴、联轴器、传动轴等组成输出机构。内外花键轴由高强度中碳合金钢调质处理,内外花键轴间轴向为滑动联接。外花键轴在传递扭矩的同时,可实现上下升降。
2 工作原理
主变频调速电机低频启动—经主减速器内花键轴、外花键轴、联轴器和传动轴带动倒伞叶轮旋转。通过变频电机变频调速,倒伞叶轮可以以不同的转速旋转。在倒伞叶轮以不同的转速旋转的同时,升降机构减速机输出一定转速和扭矩,经梯形螺杆、螺母等部件,使旋转运动转化为直线运动,通过轴承座、若干轴承、轴承套、联接法兰及与法兰固联的外花键轴、联轴器、传动轴、带动倒伞叶轮上下直线运动。主减速机和升降机构及输出机构的合成,可实现叶轮在曝气池内以不同的浸没深度和不同的转速旋转,以满足曝气机动力效率要求。
3 曝气机工作过程
污水在旋转倒伞叶轮叶片的强力推进作用下,水幕从叶轮周边甩出,形成水跃,裹进大量空气,叶轮由下向上呈锥形扩大,运行时迫使污水上下循环流动,不断更新液面;另一方面叶轮底部及背面因污水的流动而形成负压,致使污水和空气进行大面积接触、混合,溶解大量氧气,供给微生物吸收,达到净化污水的目的。叶轮的不同浸没深度和运行速度直接影响充氧效果和水力推进能力,因此水质净化的效果直接受到影响,该可调式曝气机专用减速机具有升降和转速调节功能,根据曝气池污水液面高低,相应调整叶轮高度和运行速度,使污水能够大面积与空气接触,使空气中的氧分子迅速溶入污水中,使污水净化更加彻底。
4 主要件设计计算要点
该类减速机为倒伞曝气机所配套,它必须满足曝气机对它的一切技术要求,如安装尺寸、与相关件(传动轴、叶轮)配合尺寸、输出扭矩、输出转速范围、升降行程和升降速度等等。
4.1 根据输出转速n12～n22,确定减速机总传动比i和主调速电机变频范围(f1～f2)
在计算变频调速电机频率范围时,要注意该类电机在5Hz～50Hz频率范围输出恒转矩,在50Hz～100Hz频率范围内输出恒功率特性(主变频调速电机极数为4极)。
同时要防止在频率较低时电机出现爬行现象,在频率较高时要满足输出转矩要求。传动比和电机频率范围计算公式如下:
f1= (1)
f2= (2)
n12为减速机输出最低转速(r/min);
n22为减速机输出最高转速(r/min);
f1为为减速机输出最低转速时电机电源频率(Hz);
f2为为减速机输出最高转速时电机电源频率(Hz);
i为减速机总传动比。
通过反复设定试算,确定减速机传动比i,并确定最佳的电机频率范围(f1～f2)。
4.1.1 传动比分配。
根据分配传动比的基本原则分配减速机各级传动比。
i=i1×i2×.. ×in (3)
式中:
i为减速机总传动比;
i1、i2、in为减速机各级传动比。
4.1.2 计算转矩T2n。
根据曝气机的载荷种类确定减速机工况系数f,另考虑到减速机一旦失效会影响污水处理能力,因此须考虑安全系数SA,计算转矩计算公式如下:
T2n=T2×f×SA (4)
式中:
T2n为减速机计算转矩(N·m)；
T2为减速机输出转矩(N·m);
f为减速机工况系数(按减速器载荷分类中Ⅲ类选取);
SA为减速机安全系数(按重要设备选取)。
4.1.3 减速机主要尺寸的初步确定。
(1)按接触强度和弯曲强度分别初步计算中心距和模数。
该减速机属于硬齿面斜齿轮减速机,齿轮热处理为渗碳、淬火,齿面精加工为磨齿,其齿面硬度很高,具有较强的抗点蚀和耐磨损性能;心部具有很好的韧性,因此其齿面接触强度和齿根弯曲强度较软齿面齿轮减速机和中硬齿面齿轮减速机大幅提高。
按接触强度计算每级中心距公式(见《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,(2～23))如下: a=480(u+1) (5)
式中:
a为中心距(mm);
u為传动比(u==);
Tn为每级主动级小齿轮传递的计算转矩(N·m);
Φa为齿宽系数(按Φa=,Фd按(《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,表(2～48))选取);
σHP为许用接触应力(MPa)。
按弯曲强度计算每级齿轮模数公式(见《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,(2～25))如下:
mn=12.5 (6)
式中:
mn为齿轮法向模数(mm);
Tn为每级主动小齿轮的计算转矩(N·m);
YFS为复合齿形系数 按相关手册选取或计算;
Φm为齿宽系数(Φm=Фd z1,Фd按(《齿轮传动设计手册》化学工业出版社出版,朱孝录主编,表(2～48))选取);
Z1为每级主动小齿轮齿数;
σFP为许用弯曲强度(Mpa)。
(2)齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度校核。
简化计算定出主要尺寸后,根据计算转矩、各级齿轮模数、齿数、各级转数、及齿轮材质等对各级齿轮进行强度校核,并根据校核计算结果重新调整初定尺寸。
4.2 轴承的类型选择
减速器上多选用滚动轴承,选用滚动轴承时根据承受工作力大小、方向、工作转数等,采用不同的轴承类型(如圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、FAG满滚子圆柱轴承)。该减速机中,输入轴转速高且只有一对斜齿轮的啮合力作用在轴和轴承上,所以可以成对配置能同时承受径向力和轴向力圆锥滚子轴承。中间轴有两对同旋向的斜齿轮啮合力作用在轴承上,轴向力可以抵消一部分,但径向力较大,因此选用调心滚子轴承,输出轴转数低但径向力和轴向力都很大,因此配置大负荷圆锥滚子轴承。倒伞叶轮工作时产生的径向力由输出轴支撑轴承承受,轴向力由升降机构内推力调心滚子轴承承受。轴承类型和型号初选后,经齿轮参数初算,齿轮啮合力的大小和方向可定,根据轴承的跨距和力在轴上作用点,可对轴承的工作寿命进行计算,如工作寿命不够,应选用同内径负荷能力较大的规格。一般该类减速机轴承工作寿命按额定负荷计算应达到35000h。
参考文献
[1] 朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京:化学工业出版社,2004,7.
[2] 成大先.机械设计设计手册.（第3卷—4版)[M].北京:化学工业出版社,2002,1.