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第6章 減速器樣機(jī)的加工制造及試驗(yàn)研究
6.1減速器樣機(jī)的加工制造
經(jīng)過對減速器在靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和可靠性等方面的全面分析和仿真研究后，最后確定樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用CAXA2000軟件繪制出減速器的裝配圖和全部零件圖。
由于中心輪齒形的形位精度和表面粗糙度要求很高，而且齒面沿軸線長度為較長（143mm)，所以需要在數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床上加工，而且機(jī)床的裝夾高度要大于整個中心輪的軸線長度（234mm)，并在加工前換絲。滾柱活齒應(yīng)在熱處理后通過無心磨床來保證表面粗糙度。為解決加工輸入軸兩個偏心的工作表面時，車床無法裝夾的問題，設(shè)計(jì)出專用的夾具，加工前通過實(shí)測保證工作表面的中心線與夾盤旋轉(zhuǎn)軸線同軸，從而保證加工質(zhì)量�；铨X架經(jīng)過熱處理和銑削后需要對活齒槽內(nèi)表面拋光以保證活齒在活齒槽中順利地往復(fù)運(yùn)動。
本樣機(jī)的中心輪齒形在東安發(fā)動機(jī)有限公司的航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)用慢走絲線切割機(jī)床加工。其余零件的加工及樣機(jī)裝配在哈爾濱飛機(jī)制造有限公司完成。加工后的輸入軸、中心輪、活齒架和減速器樣機(jī)分別見圖6-1、圖6-2、圖6-3和圖6-4。
旋轉(zhuǎn)密封采用外圈橡膠、內(nèi)部全包并帶副唇的TC型密封，安裝時將開口對準(zhǔn)外側(cè)高壓端。靜密封采用O型密封圈，二者的材料均選用丁氰橡膠，其工作溫度在-40℃～120℃之間，抗油性、耐磨性、機(jī)械性具佳。
由于樣機(jī)各關(guān)鍵件的精度較高，為保證加工精度，在加工過程中采用德國ZEISS公司生產(chǎn)的UMC850型全能測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)見圖6-5。
6.2減速器樣機(jī)的試驗(yàn)研究
為驗(yàn)證減速器樣機(jī)的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對其進(jìn)行試驗(yàn)研究。由于現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)用過高（30～40萬），而該減速器又是第一臺樣機(jī)，所以應(yīng)該在試驗(yàn)井上進(jìn)行。本試驗(yàn)是在中國石油天然氣集團(tuán)公司的指定測試井、大慶騰高采油技術(shù)開發(fā)有限公司的試驗(yàn)井上進(jìn)行的。
由于電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的效率從本質(zhì)上要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)和地面驅(qū)動螺桿泵采油系統(tǒng)，而減速器作為電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的一個組成部分，其效率提升對整個系統(tǒng)的效率提升作用不十分明顯，另一方面，立式的試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅螺桿泵、減速器和電機(jī)三項(xiàng)的地面總高度就達(dá)到3.128m,如果測試樣機(jī)的效率，還要在樣機(jī)的輸入和輸出端上各安裝一個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀，從而使得整個系統(tǒng)的地面高度達(dá)到4m多，己超出了實(shí)驗(yàn)室吊車的吊裝高度。所以，本章不進(jìn)行效率測試，只進(jìn)行振動試驗(yàn)研究。
6.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成
試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見框圖6-6。電機(jī)采用Sland MACHINERYCo.,LTD上海分公司生產(chǎn)的型號為SD225Y4200M-30-5.95B3的電機(jī)，額定功率為30KW；螺桿泵采用大慶騰高采油技術(shù)有限公司的GLB120-12（左）型螺桿泵，它的排量為12Oml/轉(zhuǎn)，級數(shù)為12。試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場見圖6-7。
6.2.2 振動測試與分析系統(tǒng)
測試系統(tǒng)由東芝Satellite Pro Series 筆記本計(jì)算機(jī)、IOtech-Daq/216B 的PCMCLA總線A/D卡、IOtech-DBK4 的信號調(diào)理卡、IOtech-DBK10的擴(kuò)展箱、KISTLER 的序號為C136140和C136145振動傳感器等部分組成（圖6-8）。
6.2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)專用支承架的設(shè)計(jì)
為避免電機(jī)的重量（300kg）直接作用在減速器樣機(jī)的輸入軸上，同時為增加試驗(yàn)系統(tǒng)（高3.128m）的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一個專用支承架。為保證電機(jī)容易吊裝和電機(jī)輸出軸與減速器輸入軸同心，支承架上表面內(nèi)孔直徑要略大于電機(jī)止口直徑。材料選用45號鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。加工后的支承架見圖6-9所示。
6.2.4試驗(yàn)系統(tǒng)加載方式
本試驗(yàn)井的加載是通過將并下的水舉升到地面時，人為設(shè)置流水的阻力實(shí)現(xiàn)的。其加載原理見圖6-10所示。其中水箱的水由于重力的作用通過流出管流到地下。螺桿泵工作時，將井下的水舉升到地面并通過流入管送回水箱中，在流入管的管道上設(shè)有閥門和壓力表，通過它們來調(diào)整流入管內(nèi)水的壓力來實(shí)現(xiàn)加載。具體結(jié)構(gòu)照片見圖6-11。
6.2.5 測試原理及振動測試方案
減速器上各測點(diǎn)的振動信號由測試系統(tǒng)測得。系統(tǒng)的激振能源是整個機(jī)械傳動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程本身產(chǎn)生的。測試原理是：傳動系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的激振力作用在減速器上的2個加速度傳感器上，傳感器將機(jī)械振動量（加速度）的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，然后輸至電荷放大器，放大器將傳感器輸出的很微弱的電信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器需要的量程范圍后送至A/D轉(zhuǎn)換器，信號通過A/D轉(zhuǎn)換器后，已由模擬量變成了離散的數(shù)字量，這些數(shù)字信號傳到計(jì)算機(jī)后，應(yīng)用振動分析軟件對這些數(shù)字信號分析和處理，以獲得需要的信息。
滾柱活齒減速器是由輸入偏心軸、活齒、活齒架、中心輪和滾動軸承等構(gòu)件組成的用以改變轉(zhuǎn)速的一種機(jī)械傳動裝置，工作過程中由于軸微小的彎曲變形、零件的制造和安裝誤差和嚙合剛度、嚙合力和慣性力的變化，將引起振動的產(chǎn)生�；铨X的嚙合沖吉、慣性沖南昌等一部分通過活齒架和輸出軸傳到支承軸承和軸承座，然后作用到殼體上，另一部分直接作用在中心輪而導(dǎo)致殼體的振動。同時，由于減速器采用徑向間隙較小且軸承與箱體間的相對運(yùn)動也較小的滾動軸承作支承，所以選用殼體振動測試方法進(jìn)行測試。殼體振動測試可以獲得較寬的動態(tài)范圍和頻率范圍。
測點(diǎn)布置方案是關(guān)系到測量結(jié)果的一件重要工作，應(yīng)選擇信號傳遞路線最短、最能反應(yīng)減速器振動的部位作為測點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中測點(diǎn)對稱布置在減速器外殼與活齒中點(diǎn)在同一水平線的兩個點(diǎn)1 、2 上，用以采集第一排活齒引起殼體振動的信號。同樣，測點(diǎn)3 、4 采集第二排活齒引起殼體振動的信號。測點(diǎn)5 、6 布置在輸出軸的支承軸承所對應(yīng)的殼體位置上，用以測量輸出軸軸承座的徑向振動。各測點(diǎn)的位置示意圖見圖6-12，實(shí)際測試時傳感器的位置見圖6-13。
6.2.6 試驗(yàn)過程及振動測試數(shù)據(jù)的處理
6.2.6.1 減速器的跑合 將裝配完好的滾柱活齒減速器樣機(jī)及測試儀器按試驗(yàn)系統(tǒng)的連接順序在試驗(yàn)臺上逐一連接并予以定位，先不安裝下聯(lián)軸器上的圓柱銷，用手轉(zhuǎn)動電機(jī)輸出軸上的半聯(lián)軸器以檢查各回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動是否靈活。若有異常，予以調(diào)整，直至無任何異常，安裝圓柱銷并可進(jìn)行跑合試驗(yàn)。首先，注入適量20＃機(jī)油，空載跑合4小時，然后加滿載的20％載荷跑合2小時，接下來再加滿載的50％載荷跑合2小時。跑合試驗(yàn)后，將減速器里的潤滑油排放掉，不允許有任何磨粒遺留，然后重新加入46＃機(jī)油，為后續(xù)試驗(yàn)作準(zhǔn)備。20＃機(jī)油的粘度小，便于沖走跑合中產(chǎn)生的金屬磨粒，而46＃機(jī)油粘度稍高，便于形成油膜。
根據(jù)美國因家標(biāo)準(zhǔn)ANSIS2.17-1980推薦的有關(guān)振動參數(shù)相宜的測振頻率范圍，這里選5000Hz，加速度單位：m/s2。
6.2.6.2振動測試數(shù)據(jù)的處理，振動信號的采集和外理軟件的性能直接關(guān)系到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)采用的是IOtech開發(fā)的軟件DaqView7.2，它與IOtech測試系統(tǒng)具有很好的兼容性，軟件界面見圖6-14。
由于試驗(yàn)井測試加載條件所限（無變頻率調(diào)速裝置及試驗(yàn)用反轉(zhuǎn)螺桿泵定子、轉(zhuǎn)子間隙過大），對樣機(jī)只能在輸入轉(zhuǎn)速n=1470rpm、輸出扭矩T=50,195,330N·m工況下進(jìn)行振動測試。設(shè)每秒鐘采樣點(diǎn)為500個，每個樣本采集時間為4秒。表6-1所示是在不同載荷情況下，在6個測振點(diǎn)所測到的最大加速度值。
表6-1測振點(diǎn)最大加速度值
| 載荷（N·m） |
測點(diǎn)1 |
測點(diǎn)2 |
測點(diǎn)3 |
測點(diǎn)4 |
測點(diǎn)5 |
測點(diǎn)6 |
| 50 |
2.372 |
-3.586 |
2.122 |
-4.110 |
2.708 |
4.500 |
| 195 |
2.372 |
-3.586 |
-2.158 |
-3.999 |
-2.794 |
-4.345 |
| 330 |
-1.692 |
-3.414 |
-2.074 |
-3.469 |
2.999 |
4.291 |
由表6-1可看出，在轉(zhuǎn)速恒定時，隨著負(fù)載的增加，各個測點(diǎn)的振動基本呈減小趨勢，這符合一般減速器的振動規(guī)律。另外，各測點(diǎn)的最大加速度值較低，表明整個減速器的振動水平較低，也證明了慣性力和慣性力矩基本達(dá)到了平衡，與設(shè)計(jì)相符合。
采用IOtech的PostView處理程序得到的一組輸入轉(zhuǎn)速n=1470rpm、輸出扭矩T=5ON·m時的各測點(diǎn)振動加速度圖譜如圖6-15所示。其中橫坐標(biāo)為信號采集的時間，為便于觀察，只顯示O～1.5875�？v坐標(biāo)為測點(diǎn)加速度的值。圖中可以看出，各曲線總體上隨時間表現(xiàn)出一定的周期性，這與滾柱活齒傳動的結(jié)構(gòu)及工作原理相吻合，局部的微小變化是由于活齒在活齒槽內(nèi)存在很小的間隙而使得活齒的運(yùn)動存在微小的不確定性造成的。
6.3 本章小結(jié)
1.在理論分析的基礎(chǔ)上最后確定減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制出減速器的裝配圖和零件圖。與哈爾濱飛機(jī)制造公司和東安發(fā)動機(jī)公司合作加工制造出一臺樣機(jī)；
2.設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)、加工了與該減速器配套的試驗(yàn)輔助裝置，組裝了試驗(yàn)系統(tǒng)。在中國石油天然氣集團(tuán)公司的指定測試并、大慶騰高采油技術(shù)開發(fā)有限公司的試驗(yàn)井上對減速器樣機(jī)進(jìn)行了振動測試。測試結(jié)果表明電動潛油螺桿泵采油系統(tǒng)用滾柱活齒減速器的振動水平較低，其振動指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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