沙坪洗煤厂减速机的可靠性分析

李伟

（山西省晋神能源有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 况

减速机是洗煤厂设备的重要部件，其可靠性影响着洗煤厂各设备的性能，进而影响生产效率。本文以沙坪洗煤厂为例，对其减速机的可靠性进行分析。

1.1 可靠性概念

所谓零部件、产品、系统的可靠性指的是在规定的生产工艺及生产时间内可实现正常功能的能力。减速机的可靠性指的是在规定负荷或其他工况下可保证正常运转的寿命和能力。针对减速机可靠性的考评包括对产品的承载能力、传动比范围、传动效率、传动的平稳性以及使用寿命等。其中，前五项为减速机的性能指标，寿命为减速机的根本可靠性指标。

常规状态下，产品的可靠性可通过相关的可靠性试验完成，根据试验项目的不同可分为筛选试验、环境应力试验、寿命试验等。产品的可靠性分析实际上是一个产品性能的量化评价，一般流程如图1所示。

图1 产品可靠性评估流程Fig.1 Product reliability assessment process

1.2 减速机故障类型

为保证减速机的可靠性指标满足实际生产的需求，需根据减速机在日常生产过程中的故障类型及原因对零部件进行优化设计，在提升产品性能的同时提升产品的可靠性。

根据减速机故障发生的界域可将其故障类型分为内部故障和外部故障。内部故障产生的原因主要归结于减速机的设计、制造以及装配；外部故障是由于工作环境所导致的，比如减速机润滑系统的阻塞、减速机的过载超载运行等。

根据减速机故障的影响程度划分故障类型，见表1。

表1 基于减速机故障影响程度划分的故障类型Table 1 Fault types based on the classification of reducer fault influence degree

根据减速机故障发生的频率划分故障类型，见表2。

表2 基于减速机故障发生频率划分的故障类型Table 2 Fault types based on the frequency division of reducer fault occurrence

分析表1、表2可知，减速机发生频率较高的故障类型为齿轮齿面出现点蚀、磨损等；减速机故障影响严重的故障类型为齿面、齿轮轮毂等出现点蚀。因此，对于减速机而言，齿轮为其核心零件。

此次减速机可靠性分析分为单一零件可靠性和整个系统的可靠性。

2 减速机单一零件的可靠性分析

采用随机抽样法并结合ANSYS有限元分析软件中的DPS模块对关键零件的可靠性进行分析。以沙坪洗煤厂减速机的一级斜齿轮为研究对象，分析其可靠性。

2.1 随机参数模型的定义

随机参数模型包括减速机材料参数、几何参数以及所承受载荷参数。材料参数为关键零部件材料的弹性模量、泊松比以及密度等；几何参数为减速机关键零部件的结构尺寸等；载荷参数为减速机所工作的工况、环境载荷以及材料的强度极限等。

2.2 一级斜齿轮的可靠性分析

影响一级斜齿轮可靠性的主要参数为一级斜齿轮的结构参数、材料参数以及载荷参数。根据沙坪洗煤厂减速机的实际情况，确定参数如下。

（1）结构参数。该齿轮的圆周速度为6.1 m/s，齿轮齿厚的上偏差为-0.08 mm，下偏差为-0.155 mm。主动轮分度圆的直径为67.02 mm，对应标准差为0.012 5 mm；从动轮分度圆的直径为289.4 mm，对应标准差为0.021 7 mm。主动轮顶圆直径为73.02 mm，对应标准差为0.0123 mm；从动轮顶圆直径为295.4 mm，对应标准差为0.021 7 mm；主动轮根圆直径为59.52 mm，对应标准差为0.012 3 mm；从动轮根圆直径为281.9 mm，对应标准差为0.021 7 mm；从动轮齿宽为46.91 mm，对应标准差为0.008 6 mm；节圆齿厚为4.680 mm，对应标准差为0.012 5 mm；中心距为178.2 mm，对应标准差为0.010 5 mm。

（2）材料参数。减速机一级斜齿轮材料弹性模量为2×105MPa，标准差为1.167×103MPa；泊松比平均值为0.29，标准差为0.03；密度平均值为7.88×103kg/m3，标准差为103kg/m3。根据上述减速机齿轮的结构参数和材料参数，在三维建模软件中搭建一级斜齿轮的三维结构模型，导入有限元软件中，根据材料参数对结构模型中各部件的参数进行设置，建立的有限元模型如图2所示。

图2 减速机一级斜齿轮有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of primary helical gear of reducer

（3）载荷参数。根据洗煤厂减速机的实际运行工况，在正常工况下功率的平均值为25 kW，标准差为1.67 kW；一级斜齿轮转速的平均值1 710 r/min，标准差为24 r/min；一级斜齿轮转矩的平均值为139.62 Nm，标准差为9.53 Nm；一级斜齿轮的接触疲劳极限平均值为2 106 MPa，标准差为87 MPa。根据减速机在实际工作中一级斜齿轮的约束及载荷情况，在有限元仿真模型中添加约束和相应载荷，如图3所示。

图3 添加载荷和约束的有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model with load and constraint added

2.3 一级斜齿轮的可靠性结果

基于ANSYS中的DPS模块采用抽样法对减速机一级斜齿轮的可靠性进行分析。设定抽样次数为200次，置信水平为95%，通过偏差系数、峰度系数一级极限状态函数的概率对可靠性结果进行分析。

经分析可得，一级斜齿轮的偏差系数为-1.2，即随机参数为偏左分布，一级斜齿轮的峰度系数为1.3，一级斜齿轮极限状态函数的概率为83.6%，即得出一级斜齿轮在正常工作状态其接触强度的可靠性度为86.3%。

此外，经分析可知影响一级斜齿轮可靠性的关键参数为从动轮分度圆的直径。因此，可适当对从动轮分度圆的直径进行调整，提升一级斜齿轮可靠性。

3 减速机系统的可靠性分析

3.1 系统可靠性分析理论

减速机整个系统可靠性不能简单将各零部件的可靠性相乘而得，还需充分考虑减速机各零部件及分系统之间的相对关系。采用RD理论对减速机系统的可靠性进行定量和定性分析，步骤如下：①确定减速机中关键零部件及分系统的主要失效形式；②确定减速机系统中关键零部件及分系统的可靠度；③对关键零部件及分系统的失效等级进行排序，并得出主次失效模式之间的相关系数；④根据主次失效模式的可靠度和相关系数得出减速机系统的可靠度。

3.2 减速机系统分析

减速机系统主要由斜齿轮、箱体、齿轮轴承以及齿轮键等组成。沙坪洗煤厂减速机系统总体结构如图4所示。

图4 减速机总体结构示意Fig.4 Generalstructure diagram of reducer

由图4可知，减速机为四级传动结构，每级传动结构包含有2个齿轮、1根传动轴、2对传动轴承、1个端盖和透盖等。根据实际情况，该减速机的失效形式为齿轮的点蚀和折断。根据单一零部件可靠性分析的思路，得出减速机关键零部件的可靠度。

齿轮1和齿轮2接触强度的可靠度为83.6%，齿轮2弯曲强度的可靠度为99.8%，齿轮轴1弯曲强度的可靠度为1，键1的可靠度为1，齿轮轴2的弯曲强度的可靠度为1；齿轮3和齿轮3接触强度的可靠度为1；齿轮4弯曲强度的可靠度为99.8%；齿轮轴3弯曲强度的可靠度为1；键2的可靠度为1；齿轮5和齿轮6接触强度的可靠度为1；齿轮6弯曲强度的可靠度为1；齿轮轴4弯曲强度的可靠度为1；键3的可靠度为1；齿轮7和齿轮8接触强度的可靠度为1；齿轮8弯曲强度的可靠度为99.8%；输出弯曲强度的可靠度为1。

导致减速机各零部件失效的主要因素包括有零部件自身尺寸因素、实际运行中所承受的载荷因素以及零部件制造时所采用材料的因素。在三者影响因素中，尺寸因素所导致的变异系数较小，可忽略；减速机中各个零部件所采用的原材料种类不同，无法将由于材料因素所导致零部件失效的情况关联一起。

因此，对减速机系统可靠性分析时，各零部件可靠性分析结果需重点考虑由于零部件载荷所导致其失效的关联性。分别列出减速机各零部件由于载荷因素所导致的失效模式；基于理论计算罗列出减速机各零部件由于载荷因素所导致失效模式的功能函数；将各零部件失效模式的功能函数对应的相关系数代入对应计算公式中进行可靠度的设计。

减速机系统的主要失效模式为齿轮1和齿轮2接触疲劳强度的失效，对应可靠度为83.6%；次要失效模式为齿轮2弯曲疲劳强度的失效，对应可靠度为99.8%。二者之间的相关系数为0.025。

综合分析得出，减速机系统的可靠为73.2%，即在当前齿轮结构、材料的条件下在当前工况下可正常运行的概率为73.2%。

4 结 语

对沙坪洗煤厂减速机减速机关键零部件及其系统的可靠性进行分析。以减速机一级斜齿轮为研究对象，采用ANSYS分析软件中的DPS模块对可靠性进行分析，得出斜齿轮接触强度的可靠度为83.6%；根据RS理论分析减速机关键零部件的失效模式及主次关系，确定主次失效模式之间相关系数，得出减速机系统的可靠度为73.2%。