面向壽命評價的礦用設備齒輪傳動性能影響因素分析

石永森

(陽泉煤業集團翼城山凹煤業有限公司， 山西 臨汾 043500)

1 前言

隨著礦山生產自動化程度的提高，對生產過程的可靠度的依賴日益明顯，圍繞著礦山生產設備關鍵零部件的壽命研究工作逐漸成為研究熱點[1]。而目前針對礦石機械齒輪傳動系統的壽命評價方法依然十分局限，缺少一種能夠以礦山機械生產實際情況為基礎，針對齒輪使用過程中出現的故障展開綜合壽命評價的方法[2]。

2 礦山機械傳動齒輪故障類型

在礦山實際生產中，礦山機械運行中各類零件故障現象在設備總故障中的占比情況如圖1所示，對于齒輪傳動系統涉及的齒輪、軸、軸承、緊固件、密封件等，齒輪的故障形式最多占比最大，由此對齒輪故障形式、故障原因展開討論就十分必要[3]。

圖1 礦山機械各類零件故障占比

圍繞著齒輪本身存在的磨損、點蝕、膠合、斷齒等故障展開分析，其在礦山機械中各類故障出現的概率見表1。圖2所示為加工誤差引起的嚙合齒面膠合現象。

表1 煤礦機械齒輪各故障類型占比

圖2 嚙合齒面膠合

3 傳動齒輪壽命評價原則

礦山生產過程中機械設備作業環境多樣，影響因素涉及設備類型、作業任務、作業環境、操作人員等方面[4-5]，具體如圖3所示。對于設備傳動系統而言影響其運行性能的因素諸多，從壽命影響因素中確立能夠評價其壽命的指標至關重要。為此必須在明確指標、確立原則的基礎上明晰其中的指標類型、結構和相互關系，才能夠科學確立壽命評價指標體系[6]，其中所要遵循的評價原則涉及全面、系統、實用、可比等方面。

圖3 傳動齒輪壽命影響因素與評價原則

全面原則。礦山機械齒輪傳動系統十分復雜，任何因素都可能導致故障，影響工作壽命。因此，選擇評價指標體系時必須綜合考慮影響壽命的因素，保證主要因素對系統壽命的影響，使評價結果更具代表性。

科學原則。對煤礦機械齒輪傳動系統的壽命評價，將指標和指標數據確定為客觀依據，只有以科學的依據為指導，才能保證指標體系的客觀性和可靠性，從而保證評價結果的準確性。

系統原則。煤礦機械齒輪傳動系統的壽命影響因素十分復雜，各因素對其壽命的影響相互疊加或抵消，因此，指標體系的結構必須層次分明，能將各影響因素的復雜關系清晰的表達出來，是準確評價其壽命狀態的關鍵。

實用原則。壽命評價指標必須考慮其工作操作的特點,數據收集和處理考慮當前的科技水平,實踐是關鍵指標體系,沒有實用價值的指標體系對生活沒有任何意義的評價。

量化原則。采用定量化的指標評定方法必須通過建立在實際統計上的煤礦機械齒輪傳動壽命影響因素，確立不同因素在齒輪壽命影響上的權重，并分層地確立各個指標和相應的影響因子，才有利于綜合量化地評定煤礦機械齒輪傳動壽命，指導設備的運行，保證實際生產的安全可靠。

4 礦山機械傳動齒輪壽命影響因素與評價指標

齒輪在礦山機械運行過程發揮的傳遞運動和動力的作用須具備傳動平穩、準確，就需要傳動齒輪在運行過程中避免或延遲上述各類故障發生的時間。為此有必要圍繞這傳動齒輪故障產生的影響因素展開討論[7]。

內部因素：齒輪損傷、載荷特性。

外部因素：齒輪潤滑、其他因素。

首先齒輪損傷是在傳動系統長期運行過程中產生的各種形式影響齒輪傳動質量的損壞現象。由于其對傳動質量的影響具有不同形式的表現，而且各種形式的損傷產生的效果是一種疊加或相消的結果。同時基于齒輪損傷影響傳動性能程度的不同，因此以各類損傷形式影響效果顯著的因素作為分析對象。結合表2傳動齒輪故障類型占比情況，對于點蝕損傷涉及點蝕面積在單輪齒面占比、點蝕深度同模數比作為評判指標；對于齒面膠合損傷，分別以膠合面積同單個齒面面積之比、膠合深度同齒輪模數比作為評判指標；對于齒根磨損以單個輪齒兩側磨損量同法向模數之比為評判指標。

其次，礦山機械齒輪傳動系統中的齒輪潤滑對齒輪連續工作中保持性能起關鍵作用，其是通過在齒輪不斷嚙合過程中形成的潤滑油膜來避免嚙合齒面直接接觸造成的損傷，同時有助于保持傳動箱低溫，降低傳動噪聲，避免齒面生銹。但實際生產中受到實際工作環境、具體工況的不利影響，一方面潤滑油容易受到井下潮濕環境的影響，在運行一段時間后產生黏度下降不易附著輪齒表面的現象。另一方面容易受到機械零件損傷、傳動箱體密封不嚴帶來的雜質影響。正是基于此，傳動箱體內潤滑油實時黏度、含水量、雜質情況作為評判指標。

再次，連續高強度傳動，并伴有沖擊載荷給傳動齒輪帶來交變應力的作用，在達到齒輪交變應力壽命周期時，細小裂紋會連片擴大形成機械損傷。在礦石生產環境下產生的沖擊載荷也容易給傳動齒輪帶來損傷。因此，對于齒輪疲勞破壞的壽命研究，Miner 理論雖有其一定的局限性，但可較好預測在隨機載荷的作用下齒輪的疲勞狀態。根據 Miner 線性累計損傷理論研究齒輪疲勞強度與循環次數間的關系：假設齒輪在運行中所受的載荷為1，2，…，m，各載荷作用下齒輪發生破壞的循環次數為1n，2n，…，mn。若齒輪發生破壞時吸收的能量為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。結合S-N曲線，在固定載荷作用下，則

(1)

(2)

公式合并得

上述評判過程是從能量守恒角度出發，以假定輪齒破環時所吸收的能量為定值展開的。同時結合傳動齒輪疲勞損傷同交變應力循環次數有關的特點可以將其作為間接評判齒輪損傷程度的依據，但由于除循環次數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次數同平均循環次數的比值作為礦石設備傳動齒輪壽命評判指標。

結合傳動齒輪主要影響因素、評判原則同以上各齒輪壽命影響因素的主要指標共同確立煤礦機械傳動齒輪壽命評價指標體系，見表2。

表2 礦山設備傳動齒輪壽命評價指標

5 工程實踐

以二級指標構建礦山機械傳動齒輪壽命評價體系對某礦山刮板輸送機的傳動齒輪進行壽命評價，在進行壽命評價前先測得各項指標數值見表3。

表3 各指標原始與測量值

經過綜合模糊評價此煤礦機械齒輪傳動系統的壽命指數為

表4為傳動齒輪壽命等級。結合表4可知，其壽命狀況良好，且與其壽命定性評價結果相同。同時，符合此煤礦機械齒輪傳動系統的實際運行狀態。

表4 傳動齒輪壽命等級

6 結論

結合礦山生產實際需要，本文對某礦區生產設備故障類型進行基本統計分析的基礎上，明確了在礦山設備傳動過程中常見的故障類型有磨損、點蝕、膠合、斷齒等，并對其進行了統計分析以出現占比的形式明確了各自的出現頻率。在分析采用系統觀點開展的壽命評價中，確立了以全面、系統、實用、可比作為四種基本的評價原則。之后結合影響壽命的內部因素(齒輪損傷、載荷特性)和外部因素(齒輪潤滑、其他因素)，確立了采用模糊評價的一級指標和12個二級指標。最后，結合實例說明綜合模糊評價此煤礦機械齒輪傳動系統的壽命指數 其壽命狀況良好，且與其壽命定性評價結果相同。