煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警方法研究

周江建，劉宇晨

(江蘇中煙工業有限責任公司，江蘇 南京 210009 )

0 引言

時代的進步不僅促進了煙草生產行業的發展，還增加了各個煙草生產商之間的競爭。在提升煙草產品質量的同時，企業也注意到煙草車間傳送設備對于煙草質量的影響，因此對于煙草傳送設備提出嚴格的要求[1-2]。

煙草車間是生產煙草的重要場所，車間內的設備運行狀態決定了煙草成品的質量，因此對于車間設備的要求很嚴格。煙草傳送設備在運行過程中齒輪會出現磨損情況。一旦出現磨損，煙草設備的正常運行速度、效率都將降低，并且如果齒輪出現嚴重的磨損，會將磨損顆粒帶入煙草的生產產品內，降低產品的合格率[3]。

綜上所述，本文主要通過分析煙草車間傳送設備齒輪磨損的機理和傳送設備運行時零件之間的受力，建立設備齒輪磨損特征指標，進一步完善煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警的方法，降低煙草車間傳送設備齒輪磨損帶來的負面影響。

1 齒輪振動磨損力學模型及受力分析

煙草車間傳送設備內部結構復雜，其中大部分零件都具有關聯性，設備的齒輪振動磨損可能形成的原因有很多。齒輪振動運行的原理是：設備將發電機提供的電能轉化為力矩，力矩推動齒輪不斷地進入和退出嚙合，帶動齒箱的運轉，完成傳輸裝置的運行。齒輪振動磨損的主要原因是齒輪退出嚙合過早或者過遲，導致下一周期的齒輪運行發生變化，影響齒輪的運行速度，導致齒輪間的摩擦力、力矩、嚙合力發生變化，對齒間面形成不同程度的沖擊和摩擦。設定齒輪傳動裝置，分析主動輪Z1和從動輪Z2，設置主動輪的偏心質量為m1，從動輪的偏心質量為m2[4-5]。因為齒輪振動具有非線性，根據物體振動守恒定理原理，構建簡化的齒輪振動磨損的力學模型，齒輪振動磨損力學模型如圖1所示。

圖1 齒輪振動磨損力學模型

觀察圖1，確定主動齒輪和從動齒輪的基圓半徑，根據主動輪和從動輪的轉動慣量分析驅動轉矩和負載轉矩。由線性阻尼、時變嚙合剛度、齒輪偏心距得到齒輪的嚙合線方向。模型數學公式如下：

(1)

式中：f表示齒輪振動運行的摩擦力；T(t)表示齒輪振動運行的力矩；Fn表示齒輪振動運行的嚙合力；μa表示齒輪的摩擦系數[6-7]。

設備的每對齒輪在嚙合時，根據齒輪振動磨損力學模型，齒輪嚙合過程的瞬時摩擦系數大小和齒輪嚙合接觸點有關系。正常的齒輪每一周期的接觸點相同，但是受到振動磨損的齒輪，每一周期的嚙合接觸點不同，導致齒輪間的摩擦系數不同，齒輪的動能就會發生非周期的變化。具體的摩擦系數可以表示為

(2)

式中：μ2a-μ1a表示齒輪接觸點的瞬時摩擦系數；pa表示動態法向載荷；ta表示潤滑油油膜厚度；v表示嚙合接觸點的滑動速度；σa表示齒輪的時變剛度[8]。

齒輪在振動磨損狀態時齒側間隙的動態嚙合力受到主動輪的運行角速度、線速度、嚙合線的角度以及每對齒輪之間的角度影響，根據齒面摩擦力和庫侖定律計算原理，計算嚙合動態受力公式如式(3)所示。

(3)

式中：γ表示齒輪摩擦方向系數；Fk表示齒面間的摩擦力；a表示齒面荷載；Fc表示齒輪磨損表面的彈性嚙合力；Fn表示齒輪間的阻力；μ表示齒輪間的動摩擦系數[9]。

齒輪嚙合示意圖如圖2所示。

圖2 齒輪嚙合示意圖

圖2中，對齒輪1附加向上的應力，對齒輪2附加向下的應力，兩個齒輪咬合部分形成順時針旋轉的應力，促使齒輪不斷運轉的是作用在主動輪和從動輪上的力矩。如果力矩過大，會使齒輪速度變大，增加齒輪的磨損；如果力矩過小，會導致齒輪不運轉，影響設備的工作，所以齒輪的力矩要控制適當，力矩計算公式如下：

T(t)=Tm+TaTsin(ωTt+φt)

(4)

式中：ωT表示從動齒輪上的工作力矩的變化圓頻率；φt表示從動齒輪上工作力矩的初始相位角；Tm是驅動力矩常數；TaT表示齒輪轉動恒量和幅值弦變量之和。

2 齒輪振動磨損特征分析

煙草車間的傳送設備在運行過程中避免不了由于煙草質量或者其他原因出現振動磨損，這種振動會使設備的齒輪表面受到沖擊，加速齒輪表面的磨損和齒輪變形，過度的齒輪磨損會造成齒輪的斷裂和斷齒[10-11]。

齒輪振動磨損一方面是因為設備的齒輪在生產過程中很難保證設備的各個齒輪都是同樣尺寸，所以對于全新的齒輪，需要一段磨合階段，在磨合階段，齒輪之間不斷地摩擦和抗擊，齒輪就會出現磨痕。另一方面，在運行過程中一旦齒輪內卷入顆粒或者其他小物品，伴隨著齒輪的運行，相應的齒輪表面會產生劃痕。齒輪和齒箱的振動特征也與正常的齒輪運行特征不同，齒輪的振動磨損特征為齒輪振幅變大、振動能量增加、齒輪咬合頻率和倍率降低三方面[12]。齒箱的振動磨損特征為運行頻率降低，存在異常的波動幅度。齒輪相對振動速度響應時域波形如圖3所示，齒輪相對振動速度頻譜圖如圖4所示，振動信號相平面圖如圖5所示。

圖3 齒輪振動速度響應時域波形

圖4 齒輪振動速度頻譜圖

圖5 振動信號相平面圖

齒輪面發生磨損時，各個齒輪的運行阻力增加，運行的反阻力會加速齒輪的運行，導致齒輪運行速度為非規律的變速，最終齒輪振動的振幅增大。另外齒輪的振動能量也會增加，因為齒輪內如果發生非均勻磨損，局部的幾個輪齒出現嚴重的磨損，或者全部輪齒都發生磨損，但部分輪齒的磨損程度更嚴重時，齒輪所在的轉軸及其倍頻的調制頻率會出現嚙合頻率調制現象，頻域上表現為在嚙合頻率及其倍頻附近產生幅值小且稀疏的邊頻帶[13]。齒輪內部出現磨損，只有增加齒輪運行的動力才能保證齒輪正常完成相應的工作，所以齒輪必須提供比原先大得多的能量，這也會加速齒輪表面的磨損。齒箱和齒輪振動磨損特征具有連帶關系，齒箱中一對齒輪發生振動磨損，整體的齒輪運行就會出現波動和異常，在磨損初期，受磨損阻力的影響，傳送設備提供正常的動力無法使帶有阻力的齒輪以正常的速度運行，齒輪整體的運行頻率降低[14]。

根據對煙草車間傳送設備齒輪磨損特征的分析，本文通過提取齒輪的磨損特征指標，有利于對齒輪磨損程度的分析[15]。煙草車間傳送設備齒輪故障樹分析如圖6所示。

圖6 煙草車間傳送設備齒輪故障樹

設備齒輪磨損指標的提取首先通過密度采樣法將齒輪的運行相關數據參數進行采集，然后根據EMD技術對數據參數進行真實數據分化處理，預留齒輪振動運行的磨損信息。EMD技術首先將各個數據參數按照參數的來源分為若干個變量；然后將各個分量與正常齒輪運行數據的分量進行對比，提出所有不同的分量；最后對分量進行重構，排除齒輪運行參數的無效信息，可以得到齒輪振動磨損特征指標。對磨損特征指標進行分析，判斷齒輪磨損的程度和齒輪磨損的結構，提高煙草車間傳送設備齒輪磨損判斷的效率。齒輪磨損分量程度的對比公式如下：

(5)

式中：s表示齒輪參數的樣本；i表示采集的齒輪參數值；J(s,t)表示正常齒輪運行參數和磨損齒輪運行參數的散度值；N表示參數的分量個數。

根據對煙草車間傳送設備齒輪磨損力學的分析、模型構建以及齒輪磨損特征提取方法的研究，本文總結出傳送設備齒輪磨損智能預警方法的工作流程，如圖7所示。

圖7 煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警方法流程

1)采集傳送設備運行的摩擦系數、運行速度、頻率等相關參數，根據本文構建的齒輪振動摩擦力學模型，分析齒輪振動磨損的受力情況，計算出齒輪運行過程中的摩擦力、力矩、嚙合力，為齒輪磨損程度的分析奠定數據基礎；

2)對設備齒輪振動磨損的受力情況進行探討，通過比樣采樣法提取出有效的振動信號參數并分解信號，完成傳送設備齒輪磨損特征的提取。根據齒輪磨損分量程度的對比公式，得出齒輪運行磨損的狀態和磨損結構位置點；

3)根據齒輪磨損的結構位置和磨損程度，向設備管理人員提出最合理的預警方案，完成預警工作，保證煙草車間傳輸設備的正常工作。

3 實驗分析

為了驗證煙草車間傳輸設備齒輪磨損智能預警方法是否具有應用意義，本文進行對比試驗分析，對比方法為煙草車間傳送設備齒輪磨損模擬預警方法。為了保證試驗的公平性，選擇兩臺具有相同運行時間的煙草傳送設備進行試驗，并且兩種預警方法在試驗前1 h選擇相應的處理傳送設備。因為煙草車間傳送設備齒輪磨損情況通過肉眼無法鑒別，所以本文兩臺設備會連接兩臺計算機。計算機在實驗前對傳輸設備齒輪的磨損情況進行檢查，得出結果提交給工作人員。在試驗結束后對比試驗結果與計算機試驗前的檢查結果，通過結果的匹配度，得出煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警方法的準確性。設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

在試驗前，通過抽簽選擇兩種預警方法工作的設備，然后輔助計算機檢測設備齒輪的磨損度，計算機后臺會全程記錄兩種預警方法的相關預警數據，用于最終的結果分析。當兩種預警方法都提交預警結論后，終止試驗，進行試驗數據匯總，得出試驗結論。本文在試驗前和試驗過程中，最大限度地剔除了外界因素對于試驗的影響，保證試驗的科學性和公平性，所以得出的實驗結果具有可信性。

數據篩選結果如圖8所示。

圖8 數據篩選結果

預警響應時間實驗結果如表2所示。

表2 預警響應時間實驗結果 單位：s

根據上述實驗結果可知，本文研究的煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警方法比煙草車間傳送設備齒輪磨損模擬預警方法的預警效率高，完成時間短。本文研究的預警方法構建了設備齒輪振動磨損模型，對于齒輪運行的受力分析合理掌握，了解每個齒輪的受力情況，在準確的齒輪相關磨損數據基礎上，可以快速地分析出齒輪磨損的原因和程度，然后根據齒輪的磨損程度，得出最合理有效的預警方案和結論。然而傳統的預警方法對于齒輪磨損程度進行實時的測量和討論，降低了齒輪磨損程度計算的效率，并延長預警的時間。除此之外，本文的預警方法對于齒輪磨損進行特征指標提取，根據指標反饋的數據，可以合理地推測出齒輪的磨損程度，為齒輪磨損預警方案提供準確的數據基礎，確保預警結論的準確率。

綜上所述，本文研究的煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警方法具有有效性和準確性，并有很好的實際應用效果。

4 結語

齒輪磨損預警可以防范風險、降低裝備運營成本，本文提出煙草車間傳送設備齒輪磨損智能預警方法。首先分析了煙草車間傳輸設備齒輪磨損機理，建立齒輪磨損的力學模型，為齒輪磨損的力學分析建立基礎；然后根據以上分析提出傳輸設備齒輪磨損特征指標，完成煙草車間傳輸設備齒輪磨損智能預警方法的研究；最后通過對比試驗分析得出本文研究的預警方法具有高效性和準確性，符合煙草車間傳輸設備齒輪磨損預警規范，可以投入使用。