采煤机截割齿轮传动系统的可靠性研究

□ 杨 越

太重煤机有限公司 太原 030032

1 研究背景

截割齿轮传动系统是采煤机重要的传动机构,截割齿轮传动系统的稳定、可靠直接影响采煤作业的运行效率。目前,业界针对截割齿轮传动系统的可靠性研究,主要停留在传动齿轮本体的尺寸结构和材料性能,以及截割齿轮传动系统外部激励产生的影响方面,忽略了截割齿轮传动系统内部激励的影响,这导致在一定程度上降低了可靠性研究的准确度[1-4]。

笔者以TZZ1000/600/2F截割齿轮传动系统为研究对象,分析截割齿轮传动系统内部激励对齿轮失效的影响。

2 齿轮动态可靠性模型

研究采煤机截割齿轮传动系统内部激励对齿轮可靠性的影响,首先需要建立截割齿轮传动系统动态可靠性模型。

基于干涉理论,截割齿轮传动系统可靠性模型在建立时可以依据齿轮应力与强度之间的关联性。当齿轮的应力大于齿轮的强度时,截割齿轮传动系统将处于失稳状态[5-8]。

在采煤作业时,由于受环境等因素的影响,齿轮所受应力存在随机波动及突变的情况。为保证齿轮应力分布曲线的准确性,需要对齿轮受力函数进行修正。另一方面,齿轮零件材质随着采煤作业进行会产生强度损伤,需要结合实际情况优化齿轮疲劳强度模型。

对于齿轮的应力分布,考虑采煤机所处的工况,基于模拟负载下齿轮的载荷特征,将应力处理为一种确定的分布并保持不变。结合这一理论,利用波动中心法,建立修正后的齿轮应力概率密度分布函数:

(1)

(2)

式中:y为齿轮应力分布;μ0为波动应力的分量均值;λ、k分别为比例因数和形状因数,由采煤作业应力增幅确定。

根据对式(1)、式(2)分析,可以判断应力分布服从布尔分布。

齿轮在制造过程中,强度会受到不确定因素影响,加之齿轮自身的材料性能,这些影响因素随机性较强,无法以函数的形式表征。因此,利用变异因数法,将影响齿轮自身材料性能的各类参数以正态分布的形式引入修正函数,建立新的强度模型:

σFS=σFlimYSTYNTYδrelTYRrelTYX

(3)

式中:σFS为齿轮强度;σFlim为齿轮疲劳强度;YST齿轮应力寿命修正因数;YNT为齿轮强度寿命修正因数;YδrelT为齿轮表面粗糙度偏差因数;YRrelT为齿轮尺寸偏差因数。

通过上述分析,建立新的截割齿轮传动系统齿轮动态可靠性模型,如图1所示。其中,r(x)为轮齿强度σ(u)的概率密度分布。

根据图1建立可靠性模型函数:

(4)

3 内部激励影响分析

结合上述采煤机截割齿轮传动系统可靠性模型,利用MATLAB软件分析在负载不变的情况下,截割齿轮传动系统内部激励的变化对系统可靠性的影响。

在齿轮啮合过程中,截割齿轮传动系统内部激励包括啮合刚度、传动轴扭转刚度等。齿轮的啮合区域相对灵活,相较于其它内部激励,啮合刚度对系统的振动影响更大。因此,以啮合刚度作为截割齿轮传动系统内部激励特征的研究对象。

将啮合刚度作为变量,利用雨流计数法,可得不同啮合刚度下齿轮的载荷应力,见表1。

表1 齿轮载荷应力

从表1中可以看出,随着啮合刚度的增大,截割齿轮传动系统的受载均值在降低,载荷循环次数在增加,这说明随着啮合刚度的增大,齿轮承载应力增大。

不同啮合刚度下截割齿轮传动系统可靠性模型衰变过程如图2所示。当啮合刚度增幅为5%时,截割齿轮传动系统的服役时间延长了0.57 a。当啮合刚度增幅为10%时,截割齿轮传动系统的服役时间延长了2.03 a。因此,可以得出结论,随着啮合刚度的增大,截割齿轮传动系统的服役时间有效延长,可靠性提高。

4 现场试验

为验证上述仿真的正确性,在现场建立一套采煤机截割齿轮传动系统进行模拟试验,如图3所示。

按照图3所示将相关结构件连接。永磁同步电机通过变频器连接,统计电机转速及转矩。扭矩传感器连接采集卡,统计传动轴转矩和转速。直齿轮减速器通过加速度传感器连接动态信号测试分析系统,收集箱体的振动情况。磁粉式测功机将箱体负载及转速数据收集至上位计算机。

齿轮啮合转动影响振动数据的采集,因此可以利用振动特性,以箱体振动近似反馈齿轮振动情况。

试验时,减速器输入转速定义为230 r/min,负载在初始状态为0。18 s后增加负载,在23 s时停止加载,试验周期为30 s。

由于啮合刚度是齿轮所受载荷与位移的比例函数,因此可以通过调整齿轮的负载变化,分析啮合刚度变化对齿轮可靠性产生的影响。空载时试验结果如图4所示。

从图4中可以看出,空载时截割齿轮传动系统振动的主频率为69 Hz,振动幅值最大为1.646 mm,其余频率下振动幅值在0.4～1.1 mm之间波动。

负载为500 N·m时的试验结果如图5所示。从图5中可以看出,此时截割齿轮传动系统振动的主频率仍然为69 Hz,但振动幅值最大为2.243 mm,其余频率下振动幅值在0.4～1.1 mm之间波动。

结合上述试验,对图4与图5进行对比分析。啮合刚度对截割齿轮传动系统的振动频率没有影响,主要影响的是主频率的振动幅值。在其余参数不变的情况下,啮合刚度减小会导致振动幅值增大,进而加剧齿轮之间的振动,影响齿轮的使用寿命。对此,增大齿轮啮合刚度可以提高截割齿轮传动系统的疲劳强度。

5 结束语

笔者以采煤机截割齿轮传动系统为研究对象,研究截割齿轮传动系统内部激励对系统可靠性的影响,通过MATLAB软件仿真和现场试验,得出结论。

为保证计算的准确性,可以结合采煤机作业情况,优化传统的截割齿轮传动系统。优化时,通过变异因数法分析采煤作业环境等的影响,建立修正函数。

通过仿真分析计算得出,截割齿轮传动系统内部啮合刚度增大时,截割齿轮传动系统的可靠性提高。

通过搭载试验台,建立一套截割齿轮传动系统进行试验。通过试验验证了啮合刚度减小会降低截割齿轮传动系统齿轮的疲劳强度,由此确定了截割齿轮传动系统内部激励与可靠性之间的关联性。