采煤機截割齒輪傳動系統的可靠性研究

□ 楊 越

太重煤機有限公司 太原 030032

1 研究背景

截割齒輪傳動系統是采煤機重要的傳動機構,截割齒輪傳動系統的穩定、可靠直接影響采煤作業的運行效率。目前,業界針對截割齒輪傳動系統的可靠性研究,主要停留在傳動齒輪本體的尺寸結構和材料性能,以及截割齒輪傳動系統外部激勵產生的影響方面,忽略了截割齒輪傳動系統內部激勵的影響,這導致在一定程度上降低了可靠性研究的準確度[1-4]。

筆者以TZZ1000/600/2F截割齒輪傳動系統為研究對象,分析截割齒輪傳動系統內部激勵對齒輪失效的影響。

2 齒輪動態可靠性模型

研究采煤機截割齒輪傳動系統內部激勵對齒輪可靠性的影響,首先需要建立截割齒輪傳動系統動態可靠性模型。

基于干涉理論,截割齒輪傳動系統可靠性模型在建立時可以依據齒輪應力與強度之間的關聯性。當齒輪的應力大于齒輪的強度時,截割齒輪傳動系統將處于失穩狀態[5-8]。

在采煤作業時,由于受環境等因素的影響,齒輪所受應力存在隨機波動及突變的情況。為保證齒輪應力分布曲線的準確性,需要對齒輪受力函數進行修正。另一方面,齒輪零件材質隨著采煤作業進行會產生強度損傷,需要結合實際情況優化齒輪疲勞強度模型。

對于齒輪的應力分布,考慮采煤機所處的工況,基于模擬負載下齒輪的載荷特征,將應力處理為一種確定的分布并保持不變。結合這一理論,利用波動中心法,建立修正后的齒輪應力概率密度分布函數:

(1)

(2)

式中:y為齒輪應力分布;μ0為波動應力的分量均值;λ、k分別為比例因數和形狀因數,由采煤作業應力增幅確定。

根據對式(1)、式(2)分析,可以判斷應力分布服從布爾分布。

齒輪在制造過程中,強度會受到不確定因素影響,加之齒輪自身的材料性能,這些影響因素隨機性較強,無法以函數的形式表征。因此,利用變異因數法,將影響齒輪自身材料性能的各類參數以正態分布的形式引入修正函數,建立新的強度模型:

σFS=σFlimYSTYNTYδrelTYRrelTYX

(3)

式中:σFS為齒輪強度;σFlim為齒輪疲勞強度;YST齒輪應力壽命修正因數;YNT為齒輪強度壽命修正因數;YδrelT為齒輪表面粗糙度偏差因數;YRrelT為齒輪尺寸偏差因數。

通過上述分析,建立新的截割齒輪傳動系統齒輪動態可靠性模型,如圖1所示。其中,r(x)為輪齒強度σ(u)的概率密度分布。

根據圖1建立可靠性模型函數:

(4)

3 內部激勵影響分析

結合上述采煤機截割齒輪傳動系統可靠性模型,利用MATLAB軟件分析在負載不變的情況下,截割齒輪傳動系統內部激勵的變化對系統可靠性的影響。

在齒輪嚙合過程中,截割齒輪傳動系統內部激勵包括嚙合剛度、傳動軸扭轉剛度等。齒輪的嚙合區域相對靈活,相較于其它內部激勵,嚙合剛度對系統的振動影響更大。因此,以嚙合剛度作為截割齒輪傳動系統內部激勵特征的研究對象。

將嚙合剛度作為變量,利用雨流計數法,可得不同嚙合剛度下齒輪的載荷應力,見表1。

表1 齒輪載荷應力

從表1中可以看出,隨著嚙合剛度的增大,截割齒輪傳動系統的受載均值在降低,載荷循環次數在增加,這說明隨著嚙合剛度的增大,齒輪承載應力增大。

不同嚙合剛度下截割齒輪傳動系統可靠性模型衰變過程如圖2所示。當嚙合剛度增幅為5%時,截割齒輪傳動系統的服役時間延長了0.57 a。當嚙合剛度增幅為10%時,截割齒輪傳動系統的服役時間延長了2.03 a。因此,可以得出結論,隨著嚙合剛度的增大,截割齒輪傳動系統的服役時間有效延長,可靠性提高。

4 現場試驗

為驗證上述仿真的正確性,在現場建立一套采煤機截割齒輪傳動系統進行模擬試驗,如圖3所示。

按照圖3所示將相關結構件連接。永磁同步電機通過變頻器連接,統計電機轉速及轉矩。扭矩傳感器連接采集卡,統計傳動軸轉矩和轉速。直齒輪減速器通過加速度傳感器連接動態信號測試分析系統,收集箱體的振動情況。磁粉式測功機將箱體負載及轉速數據收集至上位計算機。

齒輪嚙合轉動影響振動數據的采集,因此可以利用振動特性,以箱體振動近似反饋齒輪振動情況。

試驗時,減速器輸入轉速定義為230 r/min,負載在初始狀態為0。18 s后增加負載,在23 s時停止加載,試驗周期為30 s。

由于嚙合剛度是齒輪所受載荷與位移的比例函數,因此可以通過調整齒輪的負載變化,分析嚙合剛度變化對齒輪可靠性產生的影響。空載時試驗結果如圖4所示。

從圖4中可以看出,空載時截割齒輪傳動系統振動的主頻率為69 Hz,振動幅值最大為1.646 mm,其余頻率下振動幅值在0.4～1.1 mm之間波動。

負載為500 N·m時的試驗結果如圖5所示。從圖5中可以看出,此時截割齒輪傳動系統振動的主頻率仍然為69 Hz,但振動幅值最大為2.243 mm,其余頻率下振動幅值在0.4～1.1 mm之間波動。

結合上述試驗,對圖4與圖5進行對比分析。嚙合剛度對截割齒輪傳動系統的振動頻率沒有影響,主要影響的是主頻率的振動幅值。在其余參數不變的情況下,嚙合剛度減小會導致振動幅值增大,進而加劇齒輪之間的振動,影響齒輪的使用壽命。對此,增大齒輪嚙合剛度可以提高截割齒輪傳動系統的疲勞強度。

5 結束語

筆者以采煤機截割齒輪傳動系統為研究對象,研究截割齒輪傳動系統內部激勵對系統可靠性的影響,通過MATLAB軟件仿真和現場試驗,得出結論。

為保證計算的準確性,可以結合采煤機作業情況,優化傳統的截割齒輪傳動系統。優化時,通過變異因數法分析采煤作業環境等的影響,建立修正函數。

通過仿真分析計算得出,截割齒輪傳動系統內部嚙合剛度增大時,截割齒輪傳動系統的可靠性提高。

通過搭載試驗臺,建立一套截割齒輪傳動系統進行試驗。通過試驗驗證了嚙合剛度減小會降低截割齒輪傳動系統齒輪的疲勞強度,由此確定了截割齒輪傳動系統內部激勵與可靠性之間的關聯性。