可調式倒傘曝氣機專用減速機

李玲

摘要:可調式倒傘曝氣機專用減速機是污水處理設備—— 曝氣機的關鍵部件,以前國內少數減速機廠家在試生產此類減速機,但都無法滿足污水處理的動力效率要求;造成了該類減速機完全依賴進口。為了打破這種受制于人的局面,滿足市場需求,我們對減速機結構和齒輪材質進行全面的創新,使其能夠完全滿足污水處理的工藝要求,推進了我國可調式倒傘曝氣機專用減速機的重大技術裝備的自主研制,加快了發展和推進使用國產化動力設備,重點發展具有自主知識產權的技術基礎裝備。

關鍵詞:減速機結構創新自主研制

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

倒傘曝氣機作為一種有效的污水處理設備,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,在水循環流動過程中,使空氣的氧溶入水中并和有機物、微生物充分接觸、混合,供微生物質呼吸,使有機物得到氧化,從而改善被污染的生態環境,使水質凈化,創造出適合生物生長的環境。倒傘曝氣機專用減速機作為曝氣機設備中的關鍵部件,它能滿足曝氣機各種工藝要求,而可調式倒傘曝氣機專用減速機更能對提高設備的動力效率起到良好的重要作用(圖1)。

1結構組成

(1)主減速機構:由主變頻調速電機、增量型編碼器和主減速器組成。電機啟動,經主減速器實現減速,扭矩增大;通過帶增量型編碼器的變頻調速電機速度調節,可實現各種準確轉速輸出,以滿足曝氣機的工藝要求。減速器齒輪采用低碳高強度合金材料,經滲碳、淬火、磨齒等工藝加工而成。可大幅提高減速機承載能力。

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

(3)輸出機構:由內花鍵軸(與主減速器輸出齒輪固聯)、外花鍵軸、聯軸器、傳動軸等組成輸出機構。內外花鍵軸由高強度中碳合金鋼調質處理,內外花鍵軸間軸向為滑動聯接。外花鍵軸在傳遞扭矩的同時,可實現上下升降。

2工作原理

主變頻調速電機低頻啟動—經主減速器內花鍵軸、外花鍵軸、聯軸器和傳動軸帶動倒傘葉輪旋轉。通過變頻電機變頻調速,倒傘葉輪可以以不同的轉速旋轉。在倒傘葉輪以不同的轉速旋轉的同時,升降機構減速機輸出一定轉速和扭矩,經梯形螺桿、螺母等部件,使旋轉運動轉化為直線運動,通過軸承座、若干軸承、軸承套、聯接法蘭及與法蘭固聯的外花鍵軸、聯軸器、傳動軸、帶動倒傘葉輪上下直線運動。主減速機和升降機構及輸出機構的合成,可實現葉輪在曝氣池內以不同的浸沒深度和不同的轉速旋轉,以滿足曝氣機動力效率要求。

3曝氣機工作過程

污水在旋轉倒傘葉輪葉片的強力推進作用下,水幕從葉輪周邊甩出,形成水躍,裹進大量空氣,葉輪由下向上呈錐形擴大,運行時迫使污水上下循環流動,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壓,致使污水和空氣進行大面積接觸、混合,溶解大量氧氣,供給微生物吸收,達到凈化污水的目的。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能力,因此水質凈化的效果直接受到影響,該可調式曝氣機專用減速機具有升降和轉速調節功能,根據曝氣池污水液面高低,相應調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主要件設計計算要點

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

4.1 根據輸出轉速n12～n22,確定減速機總傳動比i和主調速電機變頻范圍(f1～f2)

在計算變頻調速電機頻率范圍時,要注意該類電機在5Hz～50Hz頻率范圍輸出恒轉矩,在50Hz～100Hz頻率范圍內輸出恒功率特性(主變頻調速電機極數為4極)。

同時要防止在頻率較低時電機出現爬行現象,在頻率較高時要滿足輸出轉矩要求。傳動比和電機頻率范圍計算公式如下:

f1=(1)

f2=(2)

n12為減速機輸出最低轉速(r/min);

n22為減速機輸出最高轉速(r/min);

f1為為減速機輸出最低轉速時電機電源頻率(Hz);

f2為為減速機輸出最高轉速時電機電源頻率(Hz);

i為減速機總傳動比。

通過反復設定試算,確定減速機傳動比i,并確定最佳的電機頻率范圍(f1～f2)。

4.1.1 傳動比分配。

根據分配傳動比的基本原則分配減速機各級傳動比。

i=i1×i2×.. ×in(3)

式中:

i為減速機總傳動比;

i1、i2、in為減速機各級傳動比。

4.1.2 計算轉矩T2n。

根據曝氣機的載荷種類確定減速機工況系數f,另考慮到減速機一旦失效會影響污水處理能力,因此須考慮安全系數SA,計算轉矩計算公式如下:

T2n=T2×f×SA (4)

式中:

T2n為減速機計算轉矩(N·m)；

T2為減速機輸出轉矩(N·m);

f為減速機工況系數(按減速器載荷分類中Ⅲ類選取);

SA為減速機安全系數(按重要設備選取)。

4.1.3 減速機主要尺寸的初步確定。

(1)按接觸強度和彎曲強度分別初步計算中心距和模數。

該減速機屬于硬齒面斜齒輪減速機,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,因此其齒面接觸強度和齒根彎曲強度較軟齒面齒輪減速機和中硬齒面齒輪減速機大幅提高。

按接觸強度計算每級中心距公式(見《齒輪傳動設計手冊》化學工業出版社出版,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矩(N·m);

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

σHP為許用接觸應力(MPa)。

按彎曲強度計算每級齒輪模數公式(見《齒輪傳動設計手冊》化學工業出版社出版,朱孝錄主編,(2～25))如下:

mn=12.5 (6)

式中:

mn為齒輪法向模數(mm);

Tn為每級主動小齒輪的計算轉矩(N·m);

YFS為復合齒形系數 按相關手冊選取或計算;

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

Z1為每級主動小齒輪齒數;

σFP為許用彎曲強度(Mpa)。

(2)齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度校核。

簡化計算定出主要尺寸后,根據計算轉矩、各級齒輪模數、齒數、各級轉數、及齒輪材質等對各級齒輪進行強度校核,并根據校核計算結果重新調整初定尺寸。

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承受工作力大小、方向、工作轉數等,采用不同的軸承類型(如圓錐滾子軸承、調心滾子軸承、FAG滿滾子圓柱軸承)。該減速機中,輸入軸轉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,因此選用調心滾子軸承,輸出軸轉數低但徑向力和軸向力都很大,因此配置大負荷圓錐滾子軸承。倒傘葉輪工作時產生的徑向力由輸出軸支撐軸承承受,軸向力由升降機構內推力調心滾子軸承承受。軸承類型和型號初選后,經齒輪參數初算,齒輪嚙合力的大小和方向可定,根據軸承的跨距和力在軸上作用點,可對軸承的工作壽命進行計算,如工作壽命不夠,應選用同內徑負荷能力較大的規格。一般該類減速機軸承工作壽命按額定負荷計算應達到35000h。

參考文獻

[1] 朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2004,7.

[2] 成大先.機械設計設計手冊.（第3卷—4版)[M].北京:化學工業出版社,2002,1.