面向壽命評(píng)價(jià)的礦用設(shè)備齒輪傳動(dòng)性能影響因素分析

石永森

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)翼城山凹煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 043500)

1 前言

隨著礦山生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的可靠度的依賴日益明顯，圍繞著礦山生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵零部件的壽命研究工作逐漸成為研究熱點(diǎn)[1]。而目前針對(duì)礦石機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命評(píng)價(jià)方法依然十分局限，缺少一種能夠以礦山機(jī)械生產(chǎn)實(shí)際情況為基礎(chǔ)，針對(duì)齒輪使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障展開(kāi)綜合壽命評(píng)價(jià)的方法[2]。

2 礦山機(jī)械傳動(dòng)齒輪故障類型

在礦山實(shí)際生產(chǎn)中，礦山機(jī)械運(yùn)行中各類零件故障現(xiàn)象在設(shè)備總故障中的占比情況如圖1所示，對(duì)于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)涉及的齒輪、軸、軸承、緊固件、密封件等，齒輪的故障形式最多占比最大，由此對(duì)齒輪故障形式、故障原因展開(kāi)討論就十分必要[3]。

圖1 礦山機(jī)械各類零件故障占比

圍繞著齒輪本身存在的磨損、點(diǎn)蝕、膠合、斷齒等故障展開(kāi)分析，其在礦山機(jī)械中各類故障出現(xiàn)的概率見(jiàn)表1。圖2所示為加工誤差引起的嚙合齒面膠合現(xiàn)象。

表1 煤礦機(jī)械齒輪各故障類型占比

圖2 嚙合齒面膠合

3 傳動(dòng)齒輪壽命評(píng)價(jià)原則

礦山生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械設(shè)備作業(yè)環(huán)境多樣，影響因素涉及設(shè)備類型、作業(yè)任務(wù)、作業(yè)環(huán)境、操作人員等方面[4-5]，具體如圖3所示。對(duì)于設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)而言影響其運(yùn)行性能的因素諸多，從壽命影響因素中確立能夠評(píng)價(jià)其壽命的指標(biāo)至關(guān)重要。為此必須在明確指標(biāo)、確立原則的基礎(chǔ)上明晰其中的指標(biāo)類型、結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，才能夠科學(xué)確立壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[6]，其中所要遵循的評(píng)價(jià)原則涉及全面、系統(tǒng)、實(shí)用、可比等方面。

圖3 傳動(dòng)齒輪壽命影響因素與評(píng)價(jià)原則

全面原則。礦山機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)十分復(fù)雜，任何因素都可能導(dǎo)致故障，影響工作壽命。因此，選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)必須綜合考慮影響壽命的因素，保證主要因素對(duì)系統(tǒng)壽命的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果更具代表性。

科學(xué)原則。對(duì)煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命評(píng)價(jià)，將指標(biāo)和指標(biāo)數(shù)據(jù)確定為客觀依據(jù)，只有以科學(xué)的依據(jù)為指導(dǎo)，才能保證指標(biāo)體系的客觀性和可靠性，從而保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)原則。煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命影響因素十分復(fù)雜，各因素對(duì)其壽命的影響相互疊加或抵消，因此，指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)必須層次分明，能將各影響因素的復(fù)雜關(guān)系清晰的表達(dá)出來(lái)，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其壽命狀態(tài)的關(guān)鍵。

實(shí)用原則。壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)必須考慮其工作操作的特點(diǎn),數(shù)據(jù)收集和處理考慮當(dāng)前的科技水平,實(shí)踐是關(guān)鍵指標(biāo)體系,沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的指標(biāo)體系對(duì)生活沒(méi)有任何意義的評(píng)價(jià)。

量化原則。采用定量化的指標(biāo)評(píng)定方法必須通過(guò)建立在實(shí)際統(tǒng)計(jì)上的煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)壽命影響因素，確立不同因素在齒輪壽命影響上的權(quán)重，并分層地確立各個(gè)指標(biāo)和相應(yīng)的影響因子，才有利于綜合量化地評(píng)定煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)壽命，指導(dǎo)設(shè)備的運(yùn)行，保證實(shí)際生產(chǎn)的安全可靠。

4 礦山機(jī)械傳動(dòng)齒輪壽命影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

齒輪在礦山機(jī)械運(yùn)行過(guò)程發(fā)揮的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用須具備傳動(dòng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確，就需要傳動(dòng)齒輪在運(yùn)行過(guò)程中避免或延遲上述各類故障發(fā)生的時(shí)間。為此有必要圍繞這傳動(dòng)齒輪故障產(chǎn)生的影響因素展開(kāi)討論[7]。

內(nèi)部因素：齒輪損傷、載荷特性。

外部因素：齒輪潤(rùn)滑、其他因素。

首先齒輪損傷是在傳動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種形式影響齒輪傳動(dòng)質(zhì)量的損壞現(xiàn)象。由于其對(duì)傳動(dòng)質(zhì)量的影響具有不同形式的表現(xiàn)，而且各種形式的損傷產(chǎn)生的效果是一種疊加或相消的結(jié)果。同時(shí)基于齒輪損傷影響傳動(dòng)性能程度的不同，因此以各類損傷形式影響效果顯著的因素作為分析對(duì)象。結(jié)合表2傳動(dòng)齒輪故障類型占比情況，對(duì)于點(diǎn)蝕損傷涉及點(diǎn)蝕面積在單輪齒面占比、點(diǎn)蝕深度同模數(shù)比作為評(píng)判指標(biāo)；對(duì)于齒面膠合損傷，分別以膠合面積同單個(gè)齒面面積之比、膠合深度同齒輪模數(shù)比作為評(píng)判指標(biāo)；對(duì)于齒根磨損以單個(gè)輪齒兩側(cè)磨損量同法向模數(shù)之比為評(píng)判指標(biāo)。

其次，礦山機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪潤(rùn)滑對(duì)齒輪連續(xù)工作中保持性能起關(guān)鍵作用，其是通過(guò)在齒輪不斷嚙合過(guò)程中形成的潤(rùn)滑油膜來(lái)避免嚙合齒面直接接觸造成的損傷，同時(shí)有助于保持傳動(dòng)箱低溫，降低傳動(dòng)噪聲，避免齒面生銹。但實(shí)際生產(chǎn)中受到實(shí)際工作環(huán)境、具體工況的不利影響，一方面潤(rùn)滑油容易受到井下潮濕環(huán)境的影響，在運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)生黏度下降不易附著輪齒表面的現(xiàn)象。另一方面容易受到機(jī)械零件損傷、傳動(dòng)箱體密封不嚴(yán)帶來(lái)的雜質(zhì)影響。正是基于此，傳動(dòng)箱體內(nèi)潤(rùn)滑油實(shí)時(shí)黏度、含水量、雜質(zhì)情況作為評(píng)判指標(biāo)。

再次，連續(xù)高強(qiáng)度傳動(dòng)，并伴有沖擊載荷給傳動(dòng)齒輪帶來(lái)交變應(yīng)力的作用，在達(dá)到齒輪交變應(yīng)力壽命周期時(shí)，細(xì)小裂紋會(huì)連片擴(kuò)大形成機(jī)械損傷。在礦石生產(chǎn)環(huán)境下產(chǎn)生的沖擊載荷也容易給傳動(dòng)齒輪帶來(lái)?yè)p傷。因此，對(duì)于齒輪疲勞破壞的壽命研究，Miner 理論雖有其一定的局限性，但可較好預(yù)測(cè)在隨機(jī)載荷的作用下齒輪的疲勞狀態(tài)。根據(jù) Miner 線性累計(jì)損傷理論研究齒輪疲勞強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系：假設(shè)齒輪在運(yùn)行中所受的載荷為1，2，…，m，各載荷作用下齒輪發(fā)生破壞的循環(huán)次數(shù)為1n，2n，…，mn。若齒輪發(fā)生破壞時(shí)吸收的能量為W，各載荷作用下齒輪吸收的能量分別為W1，W2，…，Wm，則W=W1+W2+…+Wm。結(jié)合S-N曲線，在固定載荷作用下，則

(1)

(2)

公式合并得

上述評(píng)判過(guò)程是從能量守恒角度出發(fā)，以假定輪齒破環(huán)時(shí)所吸收的能量為定值展開(kāi)的。同時(shí)結(jié)合傳動(dòng)齒輪疲勞損傷同交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)的特點(diǎn)可以將其作為間接評(píng)判齒輪損傷程度的依據(jù)，但由于除循環(huán)次數(shù)外齒輪疲勞壽命的影響因素還涉及其他外部因素，因此將齒輪齒輪循環(huán)次數(shù)同平均循環(huán)次數(shù)的比值作為礦石設(shè)備傳動(dòng)齒輪壽命評(píng)判指標(biāo)。

結(jié)合傳動(dòng)齒輪主要影響因素、評(píng)判原則同以上各齒輪壽命影響因素的主要指標(biāo)共同確立煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表2。

表2 礦山設(shè)備傳動(dòng)齒輪壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 工程實(shí)踐

以二級(jí)指標(biāo)構(gòu)建礦山機(jī)械傳動(dòng)齒輪壽命評(píng)價(jià)體系對(duì)某礦山刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)齒輪進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)，在進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)前先測(cè)得各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 各指標(biāo)原始與測(cè)量值

經(jīng)過(guò)綜合模糊評(píng)價(jià)此煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命指數(shù)為

表4為傳動(dòng)齒輪壽命等級(jí)。結(jié)合表4可知，其壽命狀況良好，且與其壽命定性評(píng)價(jià)結(jié)果相同。同時(shí)，符合此煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

表4 傳動(dòng)齒輪壽命等級(jí)

6 結(jié)論

結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際需要，本文對(duì)某礦區(qū)生產(chǎn)設(shè)備故障類型進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，明確了在礦山設(shè)備傳動(dòng)過(guò)程中常見(jiàn)的故障類型有磨損、點(diǎn)蝕、膠合、斷齒等，并對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析以出現(xiàn)占比的形式明確了各自的出現(xiàn)頻率。在分析采用系統(tǒng)觀點(diǎn)開(kāi)展的壽命評(píng)價(jià)中，確立了以全面、系統(tǒng)、實(shí)用、可比作為四種基本的評(píng)價(jià)原則。之后結(jié)合影響壽命的內(nèi)部因素(齒輪損傷、載荷特性)和外部因素(齒輪潤(rùn)滑、其他因素)，確立了采用模糊評(píng)價(jià)的一級(jí)指標(biāo)和12個(gè)二級(jí)指標(biāo)。最后，結(jié)合實(shí)例說(shuō)明綜合模糊評(píng)價(jià)此煤礦機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命指數(shù) 其壽命狀況良好，且與其壽命定性評(píng)價(jià)結(jié)果相同。