面向寿命评价的矿用设备齿轮传动性能影响因素分析

石永森

(阳泉煤业集团翼城山凹煤业有限公司， 山西 临汾 043500)

1 前言

随着矿山生产自动化程度的提高，对生产过程的可靠度的依赖日益明显，围绕着矿山生产设备关键零部件的寿命研究工作逐渐成为研究热点[1]。而目前针对矿石机械齿轮传动系统的寿命评价方法依然十分局限，缺少一种能够以矿山机械生产实际情况为基础，针对齿轮使用过程中出现的故障展开综合寿命评价的方法[2]。

2 矿山机械传动齿轮故障类型

在矿山实际生产中，矿山机械运行中各类零件故障现象在设备总故障中的占比情况如图1所示，对于齿轮传动系统涉及的齿轮、轴、轴承、紧固件、密封件等，齿轮的故障形式最多占比最大，由此对齿轮故障形式、故障原因展开讨论就十分必要[3]。

图1 矿山机械各类零件故障占比

围绕着齿轮本身存在的磨损、点蚀、胶合、断齿等故障展开分析，其在矿山机械中各类故障出现的概率见表1。图2所示为加工误差引起的啮合齿面胶合现象。

表1 煤矿机械齿轮各故障类型占比

图2 啮合齿面胶合

3 传动齿轮寿命评价原则

矿山生产过程中机械设备作业环境多样，影响因素涉及设备类型、作业任务、作业环境、操作人员等方面[4-5]，具体如图3所示。对于设备传动系统而言影响其运行性能的因素诸多，从寿命影响因素中确立能够评价其寿命的指标至关重要。为此必须在明确指标、确立原则的基础上明晰其中的指标类型、结构和相互关系，才能够科学确立寿命评价指标体系[6]，其中所要遵循的评价原则涉及全面、系统、实用、可比等方面。

图3 传动齿轮寿命影响因素与评价原则

全面原则。矿山机械齿轮传动系统十分复杂，任何因素都可能导致故障，影响工作寿命。因此，选择评价指标体系时必须综合考虑影响寿命的因素，保证主要因素对系统寿命的影响，使评价结果更具代表性。

科学原则。对煤矿机械齿轮传动系统的寿命评价，将指标和指标数据确定为客观依据，只有以科学的依据为指导，才能保证指标体系的客观性和可靠性，从而保证评价结果的准确性。

系统原则。煤矿机械齿轮传动系统的寿命影响因素十分复杂，各因素对其寿命的影响相互叠加或抵消，因此，指标体系的结构必须层次分明，能将各影响因素的复杂关系清晰的表达出来，是准确评价其寿命状态的关键。

实用原则。寿命评价指标必须考虑其工作操作的特点,数据收集和处理考虑当前的科技水平,实践是关键指标体系,没有实用价值的指标体系对生活没有任何意义的评价。

量化原则。采用定量化的指标评定方法必须通过建立在实际统计上的煤矿机械齿轮传动寿命影响因素，确立不同因素在齿轮寿命影响上的权重，并分层地确立各个指标和相应的影响因子，才有利于综合量化地评定煤矿机械齿轮传动寿命，指导设备的运行，保证实际生产的安全可靠。

4 矿山机械传动齿轮寿命影响因素与评价指标

齿轮在矿山机械运行过程发挥的传递运动和动力的作用须具备传动平稳、准确，就需要传动齿轮在运行过程中避免或延迟上述各类故障发生的时间。为此有必要围绕这传动齿轮故障产生的影响因素展开讨论[7]。

内部因素：齿轮损伤、载荷特性。

外部因素：齿轮润滑、其他因素。

首先齿轮损伤是在传动系统长期运行过程中产生的各种形式影响齿轮传动质量的损坏现象。由于其对传动质量的影响具有不同形式的表现，而且各种形式的损伤产生的效果是一种叠加或相消的结果。同时基于齿轮损伤影响传动性能程度的不同，因此以各类损伤形式影响效果显著的因素作为分析对象。结合表2传动齿轮故障类型占比情况，对于点蚀损伤涉及点蚀面积在单轮齿面占比、点蚀深度同模数比作为评判指标；对于齿面胶合损伤，分别以胶合面积同单个齿面面积之比、胶合深度同齿轮模数比作为评判指标；对于齿根磨损以单个轮齿两侧磨损量同法向模数之比为评判指标。

其次，矿山机械齿轮传动系统中的齿轮润滑对齿轮连续工作中保持性能起关键作用，其是通过在齿轮不断啮合过程中形成的润滑油膜来避免啮合齿面直接接触造成的损伤，同时有助于保持传动箱低温，降低传动噪声，避免齿面生锈。但实际生产中受到实际工作环境、具体工况的不利影响，一方面润滑油容易受到井下潮湿环境的影响，在运行一段时间后产生黏度下降不易附着轮齿表面的现象。另一方面容易受到机械零件损伤、传动箱体密封不严带来的杂质影响。正是基于此，传动箱体内润滑油实时黏度、含水量、杂质情况作为评判指标。

再次，连续高强度传动，并伴有冲击载荷给传动齿轮带来交变应力的作用，在达到齿轮交变应力寿命周期时，细小裂纹会连片扩大形成机械损伤。在矿石生产环境下产生的冲击载荷也容易给传动齿轮带来损伤。因此，对于齿轮疲劳破坏的寿命研究，Miner 理论虽有其一定的局限性，但可较好预测在随机载荷的作用下齿轮的疲劳状态。根据 Miner 线性累计损伤理论研究齿轮疲劳强度与循环次数间的关系：假设齿轮在运行中所受的载荷为1，2，…，m，各载荷作用下齿轮发生破坏的循环次数为1n，2n，…，mn。若齿轮发生破坏时吸收的能量为W，各载荷作用下齿轮吸收的能量分别为W1，W2，…，Wm，则W=W1+W2+…+Wm。结合S-N曲线，在固定载荷作用下，则

(1)

(2)

公式合并得

上述评判过程是从能量守恒角度出发，以假定轮齿破环时所吸收的能量为定值展开的。同时结合传动齿轮疲劳损伤同交变应力循环次数有关的特点可以将其作为间接评判齿轮损伤程度的依据，但由于除循环次数外齿轮疲劳寿命的影响因素还涉及其他外部因素，因此将齿轮齿轮循环次数同平均循环次数的比值作为矿石设备传动齿轮寿命评判指标。

结合传动齿轮主要影响因素、评判原则同以上各齿轮寿命影响因素的主要指标共同确立煤矿机械传动齿轮寿命评价指标体系，见表2。

表2 矿山设备传动齿轮寿命评价指标

5 工程实践

以二级指标构建矿山机械传动齿轮寿命评价体系对某矿山刮板输送机的传动齿轮进行寿命评价，在进行寿命评价前先测得各项指标数值见表3。

表3 各指标原始与测量值

经过综合模糊评价此煤矿机械齿轮传动系统的寿命指数为

表4为传动齿轮寿命等级。结合表4可知，其寿命状况良好，且与其寿命定性评价结果相同。同时，符合此煤矿机械齿轮传动系统的实际运行状态。

表4 传动齿轮寿命等级

6 结论

结合矿山生产实际需要，本文对某矿区生产设备故障类型进行基本统计分析的基础上，明确了在矿山设备传动过程中常见的故障类型有磨损、点蚀、胶合、断齿等，并对其进行了统计分析以出现占比的形式明确了各自的出现频率。在分析采用系统观点开展的寿命评价中，确立了以全面、系统、实用、可比作为四种基本的评价原则。之后结合影响寿命的内部因素(齿轮损伤、载荷特性)和外部因素(齿轮润滑、其他因素)，确立了采用模糊评价的一级指标和12个二级指标。最后，结合实例说明综合模糊评价此煤矿机械齿轮传动系统的寿命指数 其寿命状况良好，且与其寿命定性评价结果相同。