李玲

摘要:可調(diào)式倒傘曝氣機(jī)專用減速機(jī)是污水處理設(shè)備—— 曝氣機(jī)的關(guān)鍵部件,以前國內(nèi)少數(shù)減速機(jī)廠家在試生產(chǎn)此類減速機(jī),但都無法滿足污水處理的動力效率要求;造成了該類減速機(jī)完全依賴進(jìn)口。為了打破這種受制于人的局面,滿足市場需求,我們對減速機(jī)結(jié)構(gòu)和齒輪材質(zhì)進(jìn)行全面的創(chuàng)新,使其能夠完全滿足污水處理的工藝要求,推進(jìn)了我國可調(diào)式倒傘曝氣機(jī)專用減速機(jī)的重大技術(shù)裝備的自主研制,加快了發(fā)展和推進(jìn)使用國產(chǎn)化動力設(shè)備,重點發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)基礎(chǔ)裝備。

關(guān)鍵詞:減速機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新自主研制

中圖分類號:TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0081-02

倒傘曝氣機(jī)作為一種有效的污水處理設(shè)備,它主要功能是向污水中人為地沖入空氣,同時推動水流前進(jìn),在水循環(huán)流動過程中,使空氣的氧溶入水中并和有機(jī)物、微生物充分接觸、混合,供微生物質(zhì)呼吸,使有機(jī)物得到氧化,從而改善被污染的生態(tài)環(huán)境,使水質(zhì)凈化,創(chuàng)造出適合生物生長的環(huán)境。倒傘曝氣機(jī)專用減速機(jī)作為曝氣機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵部件,它能滿足曝氣機(jī)各種工藝要求,而可調(diào)式倒傘曝氣機(jī)專用減速機(jī)更能對提高設(shè)備的動力效率起到良好的重要作用(圖1)。

1結(jié)構(gòu)組成

(1)主減速機(jī)構(gòu):由主變頻調(diào)速電機(jī)、增量型編碼器和主減速器組成。電機(jī)啟動,經(jīng)主減速器實現(xiàn)減速,扭矩增大;通過帶增量型編碼器的變頻調(diào)速電機(jī)速度調(diào)節(jié),可實現(xiàn)各種準(zhǔn)確轉(zhuǎn)速輸出,以滿足曝氣機(jī)的工藝要求。減速器齒輪采用低碳高強(qiáng)度合金材料,經(jīng)滲碳、淬火、磨齒等工藝加工而成。可大幅提高減速機(jī)承載能力。

(2)升降機(jī)構(gòu):由升降減速機(jī)、絕對值編碼器、梯形螺桿、KK合金螺母、軸承座、軸承套、聯(lián)接法蘭及若干軸承組成。通過帶絕對值編碼器升降機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)較準(zhǔn)確的升降行程和速度。

(3)輸出機(jī)構(gòu):由內(nèi)花鍵軸(與主減速器輸出齒輪固聯(lián))、外花鍵軸、聯(lián)軸器、傳動軸等組成輸出機(jī)構(gòu)。內(nèi)外花鍵軸由高強(qiáng)度中碳合金鋼調(diào)質(zhì)處理,內(nèi)外花鍵軸間軸向為滑動聯(lián)接。外花鍵軸在傳遞扭矩的同時,可實現(xiàn)上下升降。

2工作原理

主變頻調(diào)速電機(jī)低頻啟動—經(jīng)主減速器內(nèi)花鍵軸、外花鍵軸、聯(lián)軸器和傳動軸帶動倒傘葉輪旋轉(zhuǎn)。通過變頻電機(jī)變頻調(diào)速,倒傘葉輪可以以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。在倒傘葉輪以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的同時,升降機(jī)構(gòu)減速機(jī)輸出一定轉(zhuǎn)速和扭矩,經(jīng)梯形螺桿、螺母等部件,使旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動,通過軸承座、若干軸承、軸承套、聯(lián)接法蘭及與法蘭固聯(lián)的外花鍵軸、聯(lián)軸器、傳動軸、帶動倒傘葉輪上下直線運動。主減速機(jī)和升降機(jī)構(gòu)及輸出機(jī)構(gòu)的合成,可實現(xiàn)葉輪在曝氣池內(nèi)以不同的浸沒深度和不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),以滿足曝氣機(jī)動力效率要求。

3曝氣機(jī)工作過程

污水在旋轉(zhuǎn)倒傘葉輪葉片的強(qiáng)力推進(jìn)作用下,水幕從葉輪周邊甩出,形成水躍,裹進(jìn)大量空氣,葉輪由下向上呈錐形擴(kuò)大,運行時迫使污水上下循環(huán)流動,不斷更新液面;另一方面葉輪底部及背面因污水的流動而形成負(fù)壓,致使污水和空氣進(jìn)行大面積接觸、混合,溶解大量氧氣,供給微生物吸收,達(dá)到凈化污水的目的。葉輪的不同浸沒深度和運行速度直接影響充氧效果和水力推進(jìn)能力,因此水質(zhì)凈化的效果直接受到影響,該可調(diào)式曝氣機(jī)專用減速機(jī)具有升降和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能,根據(jù)曝氣池污水液面高低,相應(yīng)調(diào)整葉輪高度和運行速度,使污水能夠大面積與空氣接觸,使空氣中的氧分子迅速溶入污水中,使污水凈化更加徹底。

4主要件設(shè)計計算要點

該類減速機(jī)為倒傘曝氣機(jī)所配套,它必須滿足曝氣機(jī)對它的一切技術(shù)要求,如安裝尺寸、與相關(guān)件(傳動軸、葉輪)配合尺寸、輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速范圍、升降行程和升降速度等等。

4.1 根據(jù)輸出轉(zhuǎn)速n12～n22,確定減速機(jī)總傳動比i和主調(diào)速電機(jī)變頻范圍(f1～f2)

在計算變頻調(diào)速電機(jī)頻率范圍時,要注意該類電機(jī)在5Hz～50Hz頻率范圍輸出恒轉(zhuǎn)矩,在50Hz～100Hz頻率范圍內(nèi)輸出恒功率特性(主變頻調(diào)速電機(jī)極數(shù)為4極)。

同時要防止在頻率較低時電機(jī)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,在頻率較高時要滿足輸出轉(zhuǎn)矩要求。傳動比和電機(jī)頻率范圍計算公式如下:

f1=(1)

f2=(2)

n12為減速機(jī)輸出最低轉(zhuǎn)速(r/min);

n22為減速機(jī)輸出最高轉(zhuǎn)速(r/min);

f1為為減速機(jī)輸出最低轉(zhuǎn)速時電機(jī)電源頻率(Hz);

f2為為減速機(jī)輸出最高轉(zhuǎn)速時電機(jī)電源頻率(Hz);

i為減速機(jī)總傳動比。

通過反復(fù)設(shè)定試算,確定減速機(jī)傳動比i,并確定最佳的電機(jī)頻率范圍(f1～f2)。

4.1.1 傳動比分配。

根據(jù)分配傳動比的基本原則分配減速機(jī)各級傳動比。

i=i1×i2×.. ×in(3)

式中:

i為減速機(jī)總傳動比;

i1、i2、in為減速機(jī)各級傳動比。

4.1.2 計算轉(zhuǎn)矩T2n。

根據(jù)曝氣機(jī)的載荷種類確定減速機(jī)工況系數(shù)f,另考慮到減速機(jī)一旦失效會影響污水處理能力,因此須考慮安全系數(shù)SA,計算轉(zhuǎn)矩計算公式如下:

T2n=T2×f×SA (4)

式中:

T2n為減速機(jī)計算轉(zhuǎn)矩(N·m)；

T2為減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(N·m);

f為減速機(jī)工況系數(shù)(按減速器載荷分類中Ⅲ類選取);

SA為減速機(jī)安全系數(shù)(按重要設(shè)備選取)。

4.1.3 減速機(jī)主要尺寸的初步確定。

(1)按接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別初步計算中心距和模數(shù)。

該減速機(jī)屬于硬齒面斜齒輪減速機(jī),齒輪熱處理為滲碳、淬火,齒面精加工為磨齒,其齒面硬度很高,具有較強(qiáng)的抗點蝕和耐磨損性能;心部具有很好的韌性,因此其齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度較軟齒面齒輪減速機(jī)和中硬齒面齒輪減速機(jī)大幅提高。

按接觸強(qiáng)度計算每級中心距公式(見《齒輪傳動設(shè)計手冊》化學(xué)工業(yè)出版社出版,朱孝錄主編,(2～23))如下:

a=480(u+1)(5)

式中:

a為中心距(mm);

u為傳動比(u==);

Tn為每級主動級小齒輪傳遞的計算轉(zhuǎn)矩(N·m);

Φa為齒寬系數(shù)(按Φa=,Фd按(《齒輪傳動設(shè)計手冊》化學(xué)工業(yè)出版社出版,朱孝錄主編,表(2～48))選取);

σHP為許用接觸應(yīng)力(MPa)。

按彎曲強(qiáng)度計算每級齒輪模數(shù)公式(見《齒輪傳動設(shè)計手冊》化學(xué)工業(yè)出版社出版,朱孝錄主編,(2～25))如下:

mn=12.5 (6)

式中:

mn為齒輪法向模數(shù)(mm);

Tn為每級主動小齒輪的計算轉(zhuǎn)矩(N·m);

YFS為復(fù)合齒形系數(shù) 按相關(guān)手冊選取或計算;

Φm為齒寬系數(shù)(Φm=Фd z1,Фd按(《齒輪傳動設(shè)計手冊》化學(xué)工業(yè)出版社出版,朱孝錄主編,表(2～48))選取);

Z1為每級主動小齒輪齒數(shù);

σFP為許用彎曲強(qiáng)度(Mpa)。

(2)齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。

簡化計算定出主要尺寸后,根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩、各級齒輪模數(shù)、齒數(shù)、各級轉(zhuǎn)數(shù)、及齒輪材質(zhì)等對各級齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核,并根據(jù)校核計算結(jié)果重新調(diào)整初定尺寸。

4.2 軸承的類型選擇

減速器上多選用滾動軸承,選用滾動軸承時根據(jù)承受工作力大小、方向、工作轉(zhuǎn)數(shù)等,采用不同的軸承類型(如圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、FAG滿滾子圓柱軸承)。該減速機(jī)中,輸入軸轉(zhuǎn)速高且只有一對斜齒輪的嚙合力作用在軸和軸承上,所以可以成對配置能同時承受徑向力和軸向力圓錐滾子軸承。中間軸有兩對同旋向的斜齒輪嚙合力作用在軸承上,軸向力可以抵消一部分,但徑向力較大,因此選用調(diào)心滾子軸承,輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)低但徑向力和軸向力都很大,因此配置大負(fù)荷圓錐滾子軸承。倒傘葉輪工作時產(chǎn)生的徑向力由輸出軸支撐軸承承受,軸向力由升降機(jī)構(gòu)內(nèi)推力調(diào)心滾子軸承承受。軸承類型和型號初選后,經(jīng)齒輪參數(shù)初算,齒輪嚙合力的大小和方向可定,根據(jù)軸承的跨距和力在軸上作用點,可對軸承的工作壽命進(jìn)行計算,如工作壽命不夠,應(yīng)選用同內(nèi)徑負(fù)荷能力較大的規(guī)格。一般該類減速機(jī)軸承工作壽命按額定負(fù)荷計算應(yīng)達(dá)到35000h。

參考文獻(xiàn)

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