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電機新聞

抽油用減速機的抖動剖析

 

1、新型三環減速器結構、工作原理及特點

1.1結構及工作原理

新型減速器1。其工作原理為,電機軸上的小帶輪通過嚙合傳動,帶動同步帶運動,同步帶再通過嚙合傳動,帶動兩大帶輪同步旋轉,實現一級減速、均載和功率分流。相同的大帶輪使三環減速器的曲柄軸同步旋轉,傳動環板上的內齒圈與輸出軸上的外齒輪相嚙合,形成了大傳動比,實現了二級減速及動力傳遞。三環減速器輪齒嚙合的均載由彈性均載環實現。采用平頂圓弧齒同步帶傳動作為一級減速的目的是進行功率分流并形成雙軸輸入以克服死點,同時還可增加減速器的傳動比,并使內齒環板的運動速度下降,這樣,能夠使減速器在重載高速的條件下,環板引起的振動較小。

1.2結構特點及用于抽油機應注意的問題

我們設計新型三環減速器由于在結構上采用了對稱布置的承載能力高(多齒嚙合)的內嚙合傳動,并利用了內齒環板上的內齒圈的空間體積,使完全相同(5和7可看作為一塊)的兩塊內齒環板均勻地分擔輸出軸外齒輪上的載荷,這使每個輪齒所受的負荷較小。減速器是機械采油用抽油機的重要部件,目前,主要采用雙圓弧齒輪減速器,該部件采用的是兩級外嚙合傳動,傳動過程中的嚙合齒數較小,單齒受力較大,一級傳動輪齒易發生破壞。同時,嚙合使得減速器的體積和重量大。安裝在輸出軸軸承外圈和軸承孔座之間的彈性均載環的彈性變形使得輸出軸上的外齒輪浮動,可以補償減速器的制造、安裝誤差和傳動中的變形,實現三環減速器的均載和減振。針對抽油機的工況,我們認為,帶有同步帶傳動的完全平衡均載減振的新型三環減速器完全可用于抽油機,一級同步帶傳動既能實現三環傳動所需的同步輸入,又可通過調整大小兩同步帶輪的尺寸比例(調一級傳動比),實現調整抽油機的沖次,滿足生產需要。剎車裝置布置在輸入軸無帶輪一側。輸出軸處在減速器的中心,兩根曲柄分別對稱安裝在輸出軸的兩外伸端上,這使得減速器受力合理。為避免曲柄轉動時與輸入軸端的同步帶輪相碰,應使輸出軸的外伸端向外伸出長一些。

2、抽油機曲柄軸受力分析

(1)對于應用較多的曲柄平衡的抽油機,其曲柄軸轉矩

(2)作用在抽油機曲柄與連桿聯接點上力

(3)水平分力

(4)連桿力

(5)游梁擺動角加速度

其表達式詳見文獻。

3、振動分析

3.1動力學模型

抽油機曲柄軸的彎曲和扭轉剛度較高,而設計的彈性支撐的剛度較低,又由于重載工況下,內嚙合時,嚙合的齒數較多,嚙合剛度波動小,可看成定值,且嚙合剛度遠高于彈性支撐剛度,故曲柄軸可簡化成水平布置的軸對稱剛性轉子在兩個完全相同的彈性支撐中回轉的形式,且輪齒的嚙合點受到嚙合力的作用。

設彈性支撐的剛度和阻尼分別為k和c,輸出軸與曲柄和平衡塊構成的轉子的主中心軸慣性矩為H,赤道慣性矩為B,質量為Q,R為中心對回轉軸線的偏心距,L為中心到支撐點的距離,左右彈性支撐上相應兩點的坐標。

依據牛頓第二定律和慣性中心運動的理論以及在相對運動中對于慣性中心的力矩理論方程中的慣性矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣均為非對角陣,故該方程是一個相互耦合的二階常微分方程組。

3.2激振力的處理

方程右端的激振力是復雜周期函數,依據傅里葉級數展開原理,可將非簡諧的周期性激振力展成多個頻率成整倍數關系的簡諧激振力函數之和。由前面分析知,連桿力分力、慣性力和曲柄軸扭矩均為曲柄轉角的函數,由于曲柄軸轉速恒定,故激振力為時間的函數,設為pl(t)(l=1,2,3,4),其周期為T,考慮到激振力函數復雜且連桿力中的懸點載荷W難以用數學表達式描述,積分難以實現,采用求和的方法求系數更為有效,以n0作為一個周期的等分區間數(一般取n0=36),時間區間為t=Tn0,則它的傅里葉級數。

上式中的各系數可通過自編的簡單計算機求和程序求得,均分網格n0越多,計算精度越高,取n0=36時的計算精度已足夠高。

3.3動態響應的求解方法

假如新型三環減速器的均載機構均載效果好,均載系數接近

對于對稱的新型三環減速器,觀察方程。

將上述關系代入式根據疊加原理,對上式求解可得系統在x和y方向的總響應分別。

若均載效果較差時,則需考慮Κ1,Κ2,Κ3,Κ4的影響,即使均載較好,均載系數的影響也是不可忽略的,這時需要對方程進行以復模態為基礎的復模態分析。

3.4幾點討論

(1)固有頻率的變化安裝彈性均載環后,系統的質量不變,但是系統的剛度較安裝均載環前降低許多,由Ξn=2kQ知,系統無阻尼固有頻率也隨之降低,即彈性作用降低了沖擊力的幅值,使振動減弱。

(2)同步帶傳動的影響新型三環減速(國產減速機重點工程挑大梁)器增加了一級同步帶傳動,帶的彈性作用可有效地吸收部分高速軸運動時產生的振動,同時實現了兩曲柄軸的扭矩分布均勻,克服了單軸輸入時的高速軸受到的水平方向的雙向沖擊,這使得新型三環減速器的受力合理,傳動效率高,產生的沖擊力變小。

(3)新型結構對振動的影響采用一級傳動后,二級傳動的輸入軸的轉速降低,二級傳動中的單片內齒環板所產生的慣性力和慣性力矩較原三環減速器的要小的多(僅為一級帶傳動比的平方分之一),整機的慣性力和慣性力矩為零,使得慣性力(力矩)引起的振動減弱。

4、結論

    本文依據功率分流、彈性環均載減振、同步齒形帶緩沖及吸振和機構動力平衡原理,設計出了一種具有圓弧齒同步帶傳動的完全平衡、均載減振,偏心相位差為180(的新型三環減速器。依據振動理論建立了具有彈性支撐的輸出軸的動力學分析模型,采用周期函數的傅里葉級數展開,將復雜的激振力分解成為多個頻率成整倍數關系的簡諧激勵函數,其系數采用在區間內均分后再求和的方法得到。依據牛頓第二定律和慣性中心運動的理論以及在相對運動中對于慣性中心的力矩理論,導出了相互耦和的運動微分方程,并給出了動態響應表達式,結果表明,輸出軸兩端支撐同步,保證了輪齒的良好嚙合。樣機的傳動效率達93以上,載荷分配不均勻系數小于1.1,振動加速度值也小于同等傳動能力的一般三環減速器。該新型減速器可用作抽油機的傳動裝置。


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