煤礦設(shè)備齒輪傳動系統(tǒng)壽命評價

紀(jì)澤峰

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

目前對于設(shè)備的壽命評價方法研究多用于電力、船舶、航天等領(lǐng)域，對于煤礦機械齒輪傳動系統(tǒng)的壽命評價研究還較少，且都只研究了某個特定狀態(tài)或工況下的壽命，得到的壽命結(jié)果往往不盡準(zhǔn)確[1-4]。據(jù)現(xiàn)有研究統(tǒng)計，如表1所示，煤礦機械的齒輪傳動系統(tǒng)中齒輪的故障比例達(dá)到61%，是所有傳動部件中最高的，因此有必要對齒輪傳動系統(tǒng)的壽命評價方法進(jìn)行研究，只有掌握了齒輪傳動系統(tǒng)的壽命評價方法，才能有效避免其故障帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡，同時對于其他煤礦機械的壽命評價工作也有一定的借鑒意義[5-6]。

表1 齒輪傳動系統(tǒng)中各零部件的故障比

1 影響齒輪傳動系統(tǒng)壽命因素

齒輪故障通常由齒輪折斷、齒面點蝕造成。齒輪折斷一般由于齒輪受力不均，齒根承受交變應(yīng)力造成疲勞斷裂所引起；齒面點蝕為輪齒嚙合時形成大的交變正應(yīng)力、切應(yīng)力引起的疲勞斷裂進(jìn)而造成金屬材料的剝落[7-8]。影響齒輪傳動系統(tǒng)使用壽命的因素眾多，大致可分為兩類：內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素指現(xiàn)有齒輪的損傷情況、受載情況；外部因素指的是齒輪潤滑等其他因素。在建立壽命評價方法時可將這些因素量化為指標(biāo)進(jìn)行考慮。

1.1 齒輪潤滑

齒輪傳動系統(tǒng)依靠輪齒嚙合時的相互作用力來驅(qū)使齒輪轉(zhuǎn)動，使得采煤機、運輸機等器械能夠獲得運動的動力，潤滑油在齒輪的嚙合過程中起著重要的作用。潤滑油在嚙合時為輪齒覆上一層薄薄的油膜，避免了輪齒的硬接觸造成齒面擠壓而損傷。但實際工作過程中，潤滑油中常?；烊霗C械雜質(zhì)、發(fā)生氧化或混入水分，使得潤滑油的物理機械性能發(fā)生變化，特別是造成潤滑油的黏度發(fā)生改變。黏度對于潤滑油是個相當(dāng)重要的指標(biāo)，黏度的變化將對傳動產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而對系統(tǒng)的壽命產(chǎn)生更大的影響。

1.2 齒輪損傷

齒輪長時間嚙合工作后難免會對齒面造成損傷，進(jìn)而影響整個傳動系統(tǒng)的工作性能，且齒面的受損程度將直接影響系統(tǒng)的工作壽命。但并不是產(chǎn)生齒輪損傷就一定會造成傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障，齒輪的各種損傷也并非單獨作用于傳動系統(tǒng)，本質(zhì)上傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障可以看作是各種損傷聯(lián)合作用的結(jié)果，也決定著系統(tǒng)的傳動質(zhì)量。

1.3 載荷特性及其他因素

齒輪在工作時受載情況也直接影響著齒輪的壽命，但井下載荷多變，因此只能簡要地考慮載荷特性及其他次要因素對于壽命的影響。

2 傳動系統(tǒng)壽命預(yù)測方法建立

2.1 評價方法

將第1章中的傳動系統(tǒng)壽命影響因素作為評價指標(biāo)，再依據(jù)構(gòu)建一般評價方法的指標(biāo)體系原則，確定齒輪傳動系統(tǒng)的壽命評價指標(biāo)如表2所示?？紤]指標(biāo)的重要性和重復(fù)性，明確規(guī)定為一級指標(biāo)和二級指標(biāo)兩種。由此構(gòu)建了齒輪傳動系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系，該體系包含4個一級指標(biāo)、8個二級指標(biāo)。

表2 傳動系統(tǒng)壽命評價指標(biāo)

2.2 壽命評價模型

根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果引入疲勞壽命指數(shù)來建立齒輪傳動系統(tǒng)壽命評價的數(shù)學(xué)模型，模型以各個指標(biāo)為參數(shù)，實現(xiàn)評價指標(biāo)的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。通過數(shù)學(xué)模型定性定量的表示各個指標(biāo)對于齒輪傳動系統(tǒng)壽命的影響，為后續(xù)不同傳動系統(tǒng)的壽命比較打下基礎(chǔ)。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：T為壽命指數(shù)；Fi為i指標(biāo)的值；Wi為i指標(biāo)層次排序。

由層次分析法得到Wi的值后，最終即可通過模型和Fi的賦值計算得到齒輪傳動系統(tǒng)的壽命指數(shù)。

2.3 失效判據(jù)

建立系統(tǒng)的失效判據(jù)從兩個方面進(jìn)行：（1）單個指標(biāo)的失效判定；（2）整個系統(tǒng)的失效判定。必須由單個指標(biāo)失效判據(jù)的建立，才能獲得整體壽命的等級判定，且事先須獲得對原始指標(biāo)的評級才能夠進(jìn)行計算。根據(jù)現(xiàn)有的國家技術(shù)要求和現(xiàn)場使用經(jīng)驗，單個指標(biāo)的失效判定如表3所示。齒輪傳動系統(tǒng)的壽命等級評價判據(jù)如表4所示。

表3 單個指標(biāo)的失效判據(jù)

表4 齒輪傳動系統(tǒng)壽命評價的失效判據(jù)

3 齒輪傳動系統(tǒng)壽命評價

以某煤礦采煤機齒輪傳動系統(tǒng)為例，進(jìn)行壽命評價的計算。根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗和層次分析法的計算，獲得單個指標(biāo)的原始值和層次排序值，如表5所示。

表5 單個指標(biāo)的原始值和層次排序值

由壽命指數(shù)的計算模型計算得齒輪傳動系統(tǒng)指數(shù)為：T=0.658，由表4可知設(shè)備齒輪傳動系統(tǒng)的壽命及運行狀態(tài)都保持良好的狀態(tài)，與實際情況相符，也證明了評價模型的準(zhǔn)確性和適用性。

4 結(jié)束語

本文對齒輪傳動系統(tǒng)的壽命評價進(jìn)行了研究，可以得到如下結(jié)論。

（1）根據(jù)現(xiàn)有研究對齒輪傳動系統(tǒng)的故障進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中齒輪故障是引起采煤機、輸送機等設(shè)備齒輪傳動系統(tǒng)故障的主要原因，對齒輪故障成因進(jìn)行分析，其中折斷、點蝕是最為主要的故障類型。

（2）明確了齒輪傳動系統(tǒng)壽命的影響因素，包括齒輪潤滑、齒輪損傷、載荷特性及其他因素。將這些因素作為一級指標(biāo)，分析了這些因素對于壽命是如何產(chǎn)生影響的。并將一級指標(biāo)細(xì)分為8個二級指標(biāo)，建立了系統(tǒng)壽命評價的指標(biāo)體系。

（3）依據(jù)指標(biāo)體系和多層分析方法，建立了系統(tǒng)的壽命指數(shù)計算模型。并實例驗證了計算模型，結(jié)果表明計算結(jié)果和現(xiàn)場使用效果一致，證明了該計算模型的準(zhǔn)確性和適用性，也為煤礦其他系統(tǒng)設(shè)備的壽命評價起到了一定的指導(dǎo)作用。