煤矿设备齿轮传动系统寿命评价

纪泽峰

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿，山西大同 037016）

0 引言

目前对于设备的寿命评价方法研究多用于电力、船舶、航天等领域，对于煤矿机械齿轮传动系统的寿命评价研究还较少，且都只研究了某个特定状态或工况下的寿命，得到的寿命结果往往不尽准确[1-4]。据现有研究统计，如表1所示，煤矿机械的齿轮传动系统中齿轮的故障比例达到61%，是所有传动部件中最高的，因此有必要对齿轮传动系统的寿命评价方法进行研究，只有掌握了齿轮传动系统的寿命评价方法，才能有效避免其故障带来的经济损失和人员伤亡，同时对于其他煤矿机械的寿命评价工作也有一定的借鉴意义[5-6]。

表1 齿轮传动系统中各零部件的故障比

1 影响齿轮传动系统寿命因素

齿轮故障通常由齿轮折断、齿面点蚀造成。齿轮折断一般由于齿轮受力不均，齿根承受交变应力造成疲劳断裂所引起；齿面点蚀为轮齿啮合时形成大的交变正应力、切应力引起的疲劳断裂进而造成金属材料的剥落[7-8]。影响齿轮传动系统使用寿命的因素众多，大致可分为两类：内部因素和外部因素。内部因素指现有齿轮的损伤情况、受载情况；外部因素指的是齿轮润滑等其他因素。在建立寿命评价方法时可将这些因素量化为指标进行考虑。

1.1 齿轮润滑

齿轮传动系统依靠轮齿啮合时的相互作用力来驱使齿轮转动，使得采煤机、运输机等器械能够获得运动的动力，润滑油在齿轮的啮合过程中起着重要的作用。润滑油在啮合时为轮齿覆上一层薄薄的油膜，避免了轮齿的硬接触造成齿面挤压而损伤。但实际工作过程中，润滑油中常常混入机械杂质、发生氧化或混入水分，使得润滑油的物理机械性能发生变化，特别是造成润滑油的黏度发生改变。黏度对于润滑油是个相当重要的指标，黏度的变化将对传动产生重要的影响，进而对系统的寿命产生更大的影响。

1.2 齿轮损伤

齿轮长时间啮合工作后难免会对齿面造成损伤，进而影响整个传动系统的工作性能，且齿面的受损程度将直接影响系统的工作寿命。但并不是产生齿轮损伤就一定会造成传统系统的故障，齿轮的各种损伤也并非单独作用于传动系统，本质上传统系统的故障可以看作是各种损伤联合作用的结果，也决定着系统的传动质量。

1.3 载荷特性及其他因素

齿轮在工作时受载情况也直接影响着齿轮的寿命，但井下载荷多变，因此只能简要地考虑载荷特性及其他次要因素对于寿命的影响。

2 传动系统寿命预测方法建立

2.1 评价方法

将第1章中的传动系统寿命影响因素作为评价指标，再依据构建一般评价方法的指标体系原则，确定齿轮传动系统的寿命评价指标如表2所示。考虑指标的重要性和重复性，明确规定为一级指标和二级指标两种。由此构建了齿轮传动系统的评价指标体系，该体系包含4个一级指标、8个二级指标。

表2 传动系统寿命评价指标

2.2 寿命评价模型

根据现有研究结果引入疲劳寿命指数来建立齿轮传动系统寿命评价的数学模型，模型以各个指标为参数，实现评价指标的通用化、标准化。通过数学模型定性定量的表示各个指标对于齿轮传动系统寿命的影响，为后续不同传动系统的寿命比较打下基础。其数学模型为：

式中：T为寿命指数；Fi为i指标的值；Wi为i指标层次排序。

由层次分析法得到Wi的值后，最终即可通过模型和Fi的赋值计算得到齿轮传动系统的寿命指数。

2.3 失效判据

建立系统的失效判据从两个方面进行：（1）单个指标的失效判定；（2）整个系统的失效判定。必须由单个指标失效判据的建立，才能获得整体寿命的等级判定，且事先须获得对原始指标的评级才能够进行计算。根据现有的国家技术要求和现场使用经验，单个指标的失效判定如表3所示。齿轮传动系统的寿命等级评价判据如表4所示。

表3 单个指标的失效判据

表4 齿轮传动系统寿命评价的失效判据

3 齿轮传动系统寿命评价

以某煤矿采煤机齿轮传动系统为例，进行寿命评价的计算。根据现场使用经验和层次分析法的计算，获得单个指标的原始值和层次排序值，如表5所示。

表5 单个指标的原始值和层次排序值

由寿命指数的计算模型计算得齿轮传动系统指数为：T=0.658，由表4可知设备齿轮传动系统的寿命及运行状态都保持良好的状态，与实际情况相符，也证明了评价模型的准确性和适用性。

4 结束语

本文对齿轮传动系统的寿命评价进行了研究，可以得到如下结论。

（1）根据现有研究对齿轮传动系统的故障进行了调研，发现系统中齿轮故障是引起采煤机、输送机等设备齿轮传动系统故障的主要原因，对齿轮故障成因进行分析，其中折断、点蚀是最为主要的故障类型。

（2）明确了齿轮传动系统寿命的影响因素，包括齿轮润滑、齿轮损伤、载荷特性及其他因素。将这些因素作为一级指标，分析了这些因素对于寿命是如何产生影响的。并将一级指标细分为8个二级指标，建立了系统寿命评价的指标体系。

（3）依据指标体系和多层分析方法，建立了系统的寿命指数计算模型。并实例验证了计算模型，结果表明计算结果和现场使用效果一致，证明了该计算模型的准确性和适用性，也为煤矿其他系统设备的寿命评价起到了一定的指导作用。