煤礦設備齒輪傳動系統壽命評價

紀澤峰

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

目前對于設備的壽命評價方法研究多用于電力、船舶、航天等領域，對于煤礦機械齒輪傳動系統的壽命評價研究還較少，且都只研究了某個特定狀態或工況下的壽命，得到的壽命結果往往不盡準確[1-4]。據現有研究統計，如表1所示，煤礦機械的齒輪傳動系統中齒輪的故障比例達到61%，是所有傳動部件中最高的，因此有必要對齒輪傳動系統的壽命評價方法進行研究，只有掌握了齒輪傳動系統的壽命評價方法，才能有效避免其故障帶來的經濟損失和人員傷亡，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 齒輪傳動系統中各零部件的故障比

1 影響齒輪傳動系統壽命因素

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力、切應力引起的疲勞斷裂進而造成金屬材料的剝落[7-8]。影響齒輪傳動系統使用壽命的因素眾多，大致可分為兩類：內部因素和外部因素。內部因素指現有齒輪的損傷情況、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進行考慮。

1.1 齒輪潤滑

齒輪傳動系統依靠輪齒嚙合時的相互作用力來驅使齒輪轉動，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，潤滑油中常常混入機械雜質、發生氧化或混入水分，使得潤滑油的物理機械性能發生變化，特別是造成潤滑油的黏度發生改變。黏度對于潤滑油是個相當重要的指標，黏度的變化將對傳動產生重要的影響，進而對系統的壽命產生更大的影響。

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，進而影響整個傳動系統的工作性能，且齒面的受損程度將直接影響系統的工作壽命。但并不是產生齒輪損傷就一定會造成傳統系統的故障，齒輪的各種損傷也并非單獨作用于傳動系統，本質上傳統系統的故障可以看作是各種損傷聯合作用的結果，也決定著系統的傳動質量。

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 傳動系統壽命預測方法建立

2.1 評價方法

將第1章中的傳動系統壽命影響因素作為評價指標，再依據構建一般評價方法的指標體系原則，確定齒輪傳動系統的壽命評價指標如表2所示。考慮指標的重要性和重復性，明確規定為一級指標和二級指標兩種。由此構建了齒輪傳動系統的評價指標體系，該體系包含4個一級指標、8個二級指標。

表2 傳動系統壽命評價指標

2.2 壽命評價模型

根據現有研究結果引入疲勞壽命指數來建立齒輪傳動系統壽命評價的數學模型，模型以各個指標為參數，實現評價指標的通用化、標準化。通過數學模型定性定量的表示各個指標對于齒輪傳動系統壽命的影響，為后續不同傳動系統的壽命比較打下基礎。其數學模型為：

式中：T為壽命指數；Fi為i指標的值；Wi為i指標層次排序。

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的壽命指數。

2.3 失效判據

建立系統的失效判據從兩個方面進行：（1）單個指標的失效判定；（2）整個系統的失效判定。必須由單個指標失效判據的建立，才能獲得整體壽命的等級判定，且事先須獲得對原始指標的評級才能夠進行計算。根據現有的國家技術要求和現場使用經驗，單個指標的失效判定如表3所示。齒輪傳動系統的壽命等級評價判據如表4所示。

表3 單個指標的失效判據

表4 齒輪傳動系統壽命評價的失效判據

3 齒輪傳動系統壽命評價

以某煤礦采煤機齒輪傳動系統為例，進行壽命評價的計算。根據現場使用經驗和層次分析法的計算，獲得單個指標的原始值和層次排序值，如表5所示。

表5 單個指標的原始值和層次排序值

由壽命指數的計算模型計算得齒輪傳動系統指數為：T=0.658，由表4可知設備齒輪傳動系統的壽命及運行狀態都保持良好的狀態，與實際情況相符，也證明了評價模型的準確性和適用性。

4 結束語

本文對齒輪傳動系統的壽命評價進行了研究，可以得到如下結論。

（1）根據現有研究對齒輪傳動系統的故障進行了調研，發現系統中齒輪故障是引起采煤機、輸送機等設備齒輪傳動系統故障的主要原因，對齒輪故障成因進行分析，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，分析了這些因素對于壽命是如何產生影響的。并將一級指標細分為8個二級指標，建立了系統壽命評價的指標體系。

（3）依據指標體系和多層分析方法，建立了系統的壽命指數計算模型。并實例驗證了計算模型，結果表明計算結果和現場使用效果一致，證明了該計算模型的準確性和適用性，也為煤礦其他系統設備的壽命評價起到了一定的指導作用。