第6章 减速器样机的加工制造及试验研究

6.1减速器样机的加工制造

经过对减速器在静力学、运动学、动力学和可靠性等方面的全面分析和仿真研究后，最后确定样机的结构参数，利用CAXA2000软件绘制出减速器的装配图和全部零件图。

由于中心轮齿形的形位精度和表面粗糙度要求很高，而且齿面沿轴线长度为较长（143mm)，所以需要在数控慢走丝线切割机床上加工，而且机床的装夹高度要大于整个中心轮的轴线长度（234mm)，并在加工前换丝。滚柱活齿应在热处理后通过无心磨床来保证表面粗糙度。为解决加工输入轴两个偏心的工作表面时，车床无法装夹的问题，设计出专用的夹具，加工前通过实测保证工作表面的中心线与夹盘旋转轴线同轴，从而保证加工质量。活齿架经过热处理和铣削后需要对活齿槽内表面抛光以保证活齿在活齿槽中顺利地往复运动。

本样机的中心轮齿形在东安发动机有限公司的航空发动机生产用慢走丝线切割机床加工。其余零件的加工及样机装配在哈尔滨飞机制造有限公司完成。加工后的输入轴、中心轮、活齿架和减速器样机分别见图6-1、图6-2、图6-3和图6-4。

旋转密封采用外圈橡胶、内部全包并带副唇的TC型密封，安装时将开口对准外侧高压端。静密封采用O型密封圈，二者的材料均选用丁氰橡胶，其工作温度在-40℃～120℃之间，抗油性、耐磨性、机械性具佳。

由于样机各关键件的精度较高，为保证加工精度，在加工过程中采用德国ZEISS公司生产的UMC850型全能测量系统，该系统见图6-5。

6.2减速器样机的试验研究

为验证减速器样机的性能指标是否满足设计要求，应对其进行试验研究。由于现场试验费用过高（30～40万），而该减速器又是第一台样机，所以应该在试验井上进行。本试验是在中国石油天然气集团公司的指定测试井、大庆腾高采油技术开发有限公司的试验井上进行的。

由于电动潜油螺杆泵采油系统的效率从本质上要远高于传统的游梁式抽油机系统和地面驱动螺杆泵采油系统，而减速器作为电动潜油螺杆泵采油系统的一个组成部分，其效率提升对整个系统的效率提升作用不十分明显，另一方面，立式的试验系统结构仅螺杆泵、减速器和电机三项的地面总高度就达到3.128m,如果测试样机的效率，还要在样机的输入和输出端上各安装一个转矩转速仪，从而使得整个系统的地面高度达到4m多，己超出了实验室吊车的吊装高度。所以，本章不进行效率测试，只进行振动试验研究。

6.2.1 试验系统的组成

试验系统结构见框图6-6。电机采用Sland MACHINERYCo.,LTD上海分公司生产的型号为SD225Y₄200M-30-5.95B₃的电机，额定功率为30KW；螺杆泵采用大庆腾高采油技术有限公司的GLB120-12（左）型螺杆泵，它的排量为12Oml/转，级数为12。试验系统现场见图6-7。

6.2.2 振动测试与分析系统

测试系统由东芝Satellite Pro Series 笔记本计算机、IOtech-Daq/216B 的PCMCLA总线A/D卡、IOtech-DBK4 的信号调理卡、IOtech-DBK10的扩展箱、KISTLER 的序号为C136140和C136145振动传感器等部分组成（图6-8）。

6.2.3 试验系统专用支承架的设计

为避免电机的重量（300kg）直接作用在减速器样机的输入轴上，同时为增加试验系统（高3.128m）的稳定性，设计一个专用支承架。为保证电机容易吊装和电机输出轴与减速器输入轴同心，支承架上表面内孔直径要略大于电机止口直径。材料选用45号钢并经调质处理。加工后的支承架见图6-9所示。

6.2.4试验系统加载方式

本试验井的加载是通过将并下的水举升到地面时，人为设置流水的阻力实现的。其加载原理见图6-10所示。其中水箱的水由于重力的作用通过流出管流到地下。螺杆泵工作时，将井下的水举升到地面并通过流入管送回水箱中，在流入管的管道上设有阀门和压力表，通过它们来调整流入管内水的压力来实现加载。具体结构照片见图6-11。

6.2.5 测试原理及振动测试方案

减速器上各测点的振动信号由测试系统测得。系统的激振能源是整个机械传动系统运转过程本身产生的。测试原理是：传动系统运转时所产生的激振力作用在减速器上的2个加速度传感器上，传感器将机械振动量（加速度）的变化转换成电量的变化，然后输至电荷放大器，放大器将传感器输出的很微弱的电信号放大到A/D转换器需要的量程范围后送至A/D转换器，信号通过A/D转换器后，已由模拟量变成了离散的数字量，这些数字信号传到计算机后，应用振动分析软件对这些数字信号分析和处理，以获得需要的信息。

滚柱活齿减速器是由输入偏心轴、活齿、活齿架、中心轮和滚动轴承等构件组成的用以改变转速的一种机械传动装置，工作过程中由于轴微小的弯曲变形、零件的制造和安装误差和啮合刚度、啮合力和惯性力的变化，将引起振动的产生。活齿的啮合冲吉、惯性冲南昌等一部分通过活齿架和输出轴传到支承轴承和轴承座，然后作用到壳体上，另一部分直接作用在中心轮而导致壳体的振动。同时，由于减速器采用径向间隙较小且轴承与箱体间的相对运动也较小的滚动轴承作支承，所以选用壳体振动测试方法进行测试。壳体振动测试可以获得较宽的动态范围和频率范围。

测点布置方案是关系到测量结果的一件重要工作，应选择信号传递路线最短、最能反应减速器振动的部位作为测点。本实验中测点对称布置在减速器外壳与活齿中点在同一水平线的两个点1 、2 上，用以采集第一排活齿引起壳体振动的信号。同样，测点3 、4 采集第二排活齿引起壳体振动的信号。测点5 、6 布置在输出轴的支承轴承所对应的壳体位置上，用以测量输出轴轴承座的径向振动。各测点的位置示意图见图6-12，实际测试时传感器的位置见图6-13。

6.2.6 试验过程及振动测试数据的处理

6.2.6.1 减速器的跑合  将装配完好的滚柱活齿减速器样机及测试仪器按试验系统的连接顺序在试验台上逐一连接并予以定位，先不安装下联轴器上的圆柱销，用手转动电机输出轴上的半联轴器以检查各回转副转动是否灵活。若有异常，予以调整，直至无任何异常，安装圆柱销并可进行跑合试验。首先，注入适量20＃机油，空载跑合4小时，然后加满载的20％载荷跑合2小时，接下来再加满载的50％载荷跑合2小时。跑合试验后，将减速器里的润滑油排放掉，不允许有任何磨粒遗留，然后重新加入46＃机油，为后续试验作准备。20＃机油的粘度小，便于冲走跑合中产生的金属磨粒，而46＃机油粘度稍高，便于形成油膜。

根据美国因家标准ANSIS2.17-1980推荐的有关振动参数相宜的测振频率范围，这里选5000Hz，加速度单位：m/s²。

6.2.6.2振动测试数据的处理，振动信号的采集和外理软件的性能直接关系到测试结果的准确性，本实验采用的是IOtech开发的软件DaqView7.2，它与IOtech测试系统具有很好的兼容性，软件界面见图6-14。

由于试验井测试加载条件所限（无变频率调速装置及试验用反转螺杆泵定子、转子间隙过大），对样机只能在输入转速n=1470rpm、输出扭矩T=50,195,330N·m工况下进行振动测试。设每秒钟采样点为500个，每个样本采集时间为4秒。表6-1所示是在不同载荷情况下，在6个测振点所测到的最大加速度值。

表6-1测振点最大加速度值

由表6-1可看出，在转速恒定时，随着负载的增加，各个测点的振动基本呈减小趋势，这符合一般减速器的振动规律。另外，各测点的最大加速度值较低，表明整个减速器的振动水平较低，也证明了惯性力和惯性力矩基本达到了平衡，与设计相符合。

采用IOtech的PostView处理程序得到的一组输入转速n=1470rpm、输出扭矩T=5ON·m时的各测点振动加速度图谱如图6-15所示。其中横坐标为信号采集的时间，为便于观察，只显示O～1.5875。纵坐标为测点加速度的值。图中可以看出，各曲线总体上随时间表现出一定的周期性，这与滚柱活齿传动的结构及工作原理相吻合，局部的微小变化是由于活齿在活齿槽内存在很小的间隙而使得活齿的运动存在微小的不确定性造成的。

6.3 本章小结

1.在理论分析的基础上最后确定减速器的结构参数并绘制出减速器的装配图和零件图。与哈尔滨飞机制造公司和东安发动机公司合作加工制造出一台样机；

2.设计了试验方案，设计、加工了与该减速器配套的试验辅助装置，组装了试验系统。在中国石油天然气集团公司的指定测试并、大庆腾高采油技术开发有限公司的试验井上对减速器样机进行了振动测试。测试结果表明电动潜油螺杆泵采油系统用滚柱活齿减速器的振动水平较低，其振动指标完全达到了设计要求。

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