沙坪洗煤廠減速機的可靠性分析

李偉

（山西省晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 況

減速機是洗煤廠設備的重要部件，其可靠性影響著洗煤廠各設備的性能，進而影響生產(chǎn)效率。本文以沙坪洗煤廠為例，對其減速機的可靠性進行分析。

1.1 可靠性概念

所謂零部件、產(chǎn)品、系統(tǒng)的可靠性指的是在規(guī)定的生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)時間內(nèi)可實現(xiàn)正常功能的能力。減速機的可靠性指的是在規(guī)定負荷或其他工況下可保證正常運轉(zhuǎn)的壽命和能力。針對減速機可靠性的考評包括對產(chǎn)品的承載能力、傳動比范圍、傳動效率、傳動的平穩(wěn)性以及使用壽命等。其中，前五項為減速機的性能指標，壽命為減速機的根本可靠性指標。

常規(guī)狀態(tài)下，產(chǎn)品的可靠性可通過相關的可靠性試驗完成，根據(jù)試驗項目的不同可分為篩選試驗、環(huán)境應力試驗、壽命試驗等。產(chǎn)品的可靠性分析實際上是一個產(chǎn)品性能的量化評價，一般流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品可靠性評估流程Fig.1 Product reliability assessment process

1.2 減速機故障類型

為保證減速機的可靠性指標滿足實際生產(chǎn)的需求，需根據(jù)減速機在日常生產(chǎn)過程中的故障類型及原因?qū)α悴考M行優(yōu)化設計，在提升產(chǎn)品性能的同時提升產(chǎn)品的可靠性。

根據(jù)減速機故障發(fā)生的界域可將其故障類型分為內(nèi)部故障和外部故障。內(nèi)部故障產(chǎn)生的原因主要歸結(jié)于減速機的設計、制造以及裝配；外部故障是由于工作環(huán)境所導致的，比如減速機潤滑系統(tǒng)的阻塞、減速機的過載超載運行等。

根據(jù)減速機故障的影響程度劃分故障類型，見表1。

表1 基于減速機故障影響程度劃分的故障類型Table 1 Fault types based on the classification of reducer fault influence degree

根據(jù)減速機故障發(fā)生的頻率劃分故障類型，見表2。

表2 基于減速機故障發(fā)生頻率劃分的故障類型Table 2 Fault types based on the frequency division of reducer fault occurrence

分析表1、表2可知，減速機發(fā)生頻率較高的故障類型為齒輪齒面出現(xiàn)點蝕、磨損等；減速機故障影響嚴重的故障類型為齒面、齒輪輪轂等出現(xiàn)點蝕。因此，對于減速機而言，齒輪為其核心零件。

此次減速機可靠性分析分為單一零件可靠性和整個系統(tǒng)的可靠性。

2 減速機單一零件的可靠性分析

采用隨機抽樣法并結(jié)合ANSYS有限元分析軟件中的DPS模塊對關鍵零件的可靠性進行分析。以沙坪洗煤廠減速機的一級斜齒輪為研究對象，分析其可靠性。

2.1 隨機參數(shù)模型的定義

隨機參數(shù)模型包括減速機材料參數(shù)、幾何參數(shù)以及所承受載荷參數(shù)。材料參數(shù)為關鍵零部件材料的彈性模量、泊松比以及密度等；幾何參數(shù)為減速機關鍵零部件的結(jié)構尺寸等；載荷參數(shù)為減速機所工作的工況、環(huán)境載荷以及材料的強度極限等。

2.2 一級斜齒輪的可靠性分析

影響一級斜齒輪可靠性的主要參數(shù)為一級斜齒輪的結(jié)構參數(shù)、材料參數(shù)以及載荷參數(shù)。根據(jù)沙坪洗煤廠減速機的實際情況，確定參數(shù)如下。

（1）結(jié)構參數(shù)。該齒輪的圓周速度為6.1 m/s，齒輪齒厚的上偏差為-0.08 mm，下偏差為-0.155 mm。主動輪分度圓的直徑為67.02 mm，對應標準差為0.012 5 mm；從動輪分度圓的直徑為289.4 mm，對應標準差為0.021 7 mm。主動輪頂圓直徑為73.02 mm，對應標準差為0.0123 mm；從動輪頂圓直徑為295.4 mm，對應標準差為0.021 7 mm；主動輪根圓直徑為59.52 mm，對應標準差為0.012 3 mm；從動輪根圓直徑為281.9 mm，對應標準差為0.021 7 mm；從動輪齒寬為46.91 mm，對應標準差為0.008 6 mm；節(jié)圓齒厚為4.680 mm，對應標準差為0.012 5 mm；中心距為178.2 mm，對應標準差為0.010 5 mm。

（2）材料參數(shù)。減速機一級斜齒輪材料彈性模量為2×105MPa，標準差為1.167×103MPa；泊松比平均值為0.29，標準差為0.03；密度平均值為7.88×103kg/m3，標準差為103kg/m3。根據(jù)上述減速機齒輪的結(jié)構參數(shù)和材料參數(shù)，在三維建模軟件中搭建一級斜齒輪的三維結(jié)構模型，導入有限元軟件中，根據(jù)材料參數(shù)對結(jié)構模型中各部件的參數(shù)進行設置，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 減速機一級斜齒輪有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of primary helical gear of reducer

（3）載荷參數(shù)。根據(jù)洗煤廠減速機的實際運行工況，在正常工況下功率的平均值為25 kW，標準差為1.67 kW；一級斜齒輪轉(zhuǎn)速的平均值1 710 r/min，標準差為24 r/min；一級斜齒輪轉(zhuǎn)矩的平均值為139.62 Nm，標準差為9.53 Nm；一級斜齒輪的接觸疲勞極限平均值為2 106 MPa，標準差為87 MPa。根據(jù)減速機在實際工作中一級斜齒輪的約束及載荷情況，在有限元仿真模型中添加約束和相應載荷，如圖3所示。

圖3 添加載荷和約束的有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model with load and constraint added

2.3 一級斜齒輪的可靠性結(jié)果

基于ANSYS中的DPS模塊采用抽樣法對減速機一級斜齒輪的可靠性進行分析。設定抽樣次數(shù)為200次，置信水平為95%，通過偏差系數(shù)、峰度系數(shù)一級極限狀態(tài)函數(shù)的概率對可靠性結(jié)果進行分析。

經(jīng)分析可得，一級斜齒輪的偏差系數(shù)為-1.2，即隨機參數(shù)為偏左分布，一級斜齒輪的峰度系數(shù)為1.3，一級斜齒輪極限狀態(tài)函數(shù)的概率為83.6%，即得出一級斜齒輪在正常工作狀態(tài)其接觸強度的可靠性度為86.3%。

此外，經(jīng)分析可知影響一級斜齒輪可靠性的關鍵參數(shù)為從動輪分度圓的直徑。因此，可適當對從動輪分度圓的直徑進行調(diào)整，提升一級斜齒輪可靠性。

3 減速機系統(tǒng)的可靠性分析

3.1 系統(tǒng)可靠性分析理論

減速機整個系統(tǒng)可靠性不能簡單將各零部件的可靠性相乘而得，還需充分考慮減速機各零部件及分系統(tǒng)之間的相對關系。采用RD理論對減速機系統(tǒng)的可靠性進行定量和定性分析，步驟如下：①確定減速機中關鍵零部件及分系統(tǒng)的主要失效形式；②確定減速機系統(tǒng)中關鍵零部件及分系統(tǒng)的可靠度；③對關鍵零部件及分系統(tǒng)的失效等級進行排序，并得出主次失效模式之間的相關系數(shù)；④根據(jù)主次失效模式的可靠度和相關系數(shù)得出減速機系統(tǒng)的可靠度。

3.2 減速機系統(tǒng)分析

減速機系統(tǒng)主要由斜齒輪、箱體、齒輪軸承以及齒輪鍵等組成。沙坪洗煤廠減速機系統(tǒng)總體結(jié)構如圖4所示。

圖4 減速機總體結(jié)構示意Fig.4 Generalstructure diagram of reducer

由圖4可知，減速機為四級傳動結(jié)構，每級傳動結(jié)構包含有2個齒輪、1根傳動軸、2對傳動軸承、1個端蓋和透蓋等。根據(jù)實際情況，該減速機的失效形式為齒輪的點蝕和折斷。根據(jù)單一零部件可靠性分析的思路，得出減速機關鍵零部件的可靠度。

齒輪1和齒輪2接觸強度的可靠度為83.6%，齒輪2彎曲強度的可靠度為99.8%，齒輪軸1彎曲強度的可靠度為1，鍵1的可靠度為1，齒輪軸2的彎曲強度的可靠度為1；齒輪3和齒輪3接觸強度的可靠度為1；齒輪4彎曲強度的可靠度為99.8%；齒輪軸3彎曲強度的可靠度為1；鍵2的可靠度為1；齒輪5和齒輪6接觸強度的可靠度為1；齒輪6彎曲強度的可靠度為1；齒輪軸4彎曲強度的可靠度為1；鍵3的可靠度為1；齒輪7和齒輪8接觸強度的可靠度為1；齒輪8彎曲強度的可靠度為99.8%；輸出彎曲強度的可靠度為1。

導致減速機各零部件失效的主要因素包括有零部件自身尺寸因素、實際運行中所承受的載荷因素以及零部件制造時所采用材料的因素。在三者影響因素中，尺寸因素所導致的變異系數(shù)較小，可忽略；減速機中各個零部件所采用的原材料種類不同，無法將由于材料因素所導致零部件失效的情況關聯(lián)一起。

因此，對減速機系統(tǒng)可靠性分析時，各零部件可靠性分析結(jié)果需重點考慮由于零部件載荷所導致其失效的關聯(lián)性。分別列出減速機各零部件由于載荷因素所導致的失效模式；基于理論計算羅列出減速機各零部件由于載荷因素所導致失效模式的功能函數(shù)；將各零部件失效模式的功能函數(shù)對應的相關系數(shù)代入對應計算公式中進行可靠度的設計。

減速機系統(tǒng)的主要失效模式為齒輪1和齒輪2接觸疲勞強度的失效，對應可靠度為83.6%；次要失效模式為齒輪2彎曲疲勞強度的失效，對應可靠度為99.8%。二者之間的相關系數(shù)為0.025。

綜合分析得出，減速機系統(tǒng)的可靠為73.2%，即在當前齒輪結(jié)構、材料的條件下在當前工況下可正常運行的概率為73.2%。

4 結(jié) 語

對沙坪洗煤廠減速機減速機關鍵零部件及其系統(tǒng)的可靠性進行分析。以減速機一級斜齒輪為研究對象，采用ANSYS分析軟件中的DPS模塊對可靠性進行分析，得出斜齒輪接觸強度的可靠度為83.6%；根據(jù)RS理論分析減速機關鍵零部件的失效模式及主次關系，確定主次失效模式之間相關系數(shù)，得出減速機系統(tǒng)的可靠度為73.2%。