周江建，劉宇晨

(江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210009 )

0 引言

時代的進(jìn)步不僅促進(jìn)了煙草生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展，還增加了各個煙草生產(chǎn)商之間的競爭。在提升煙草產(chǎn)品質(zhì)量的同時，企業(yè)也注意到煙草車間傳送設(shè)備對于煙草質(zhì)量的影響，因此對于煙草傳送設(shè)備提出嚴(yán)格的要求[1-2]。

煙草車間是生產(chǎn)煙草的重要場所，車間內(nèi)的設(shè)備運行狀態(tài)決定了煙草成品的質(zhì)量，因此對于車間設(shè)備的要求很嚴(yán)格。煙草傳送設(shè)備在運行過程中齒輪會出現(xiàn)磨損情況。一旦出現(xiàn)磨損，煙草設(shè)備的正常運行速度、效率都將降低，并且如果齒輪出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，會將磨損顆粒帶入煙草的生產(chǎn)產(chǎn)品內(nèi)，降低產(chǎn)品的合格率[3]。

綜上所述，本文主要通過分析煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損的機(jī)理和傳送設(shè)備運行時零件之間的受力，建立設(shè)備齒輪磨損特征指標(biāo)，進(jìn)一步完善煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警的方法，降低煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損帶來的負(fù)面影響。

1 齒輪振動磨損力學(xué)模型及受力分析

煙草車間傳送設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中大部分零件都具有關(guān)聯(lián)性，設(shè)備的齒輪振動磨損可能形成的原因有很多。齒輪振動運行的原理是：設(shè)備將發(fā)電機(jī)提供的電能轉(zhuǎn)化為力矩，力矩推動齒輪不斷地進(jìn)入和退出嚙合，帶動齒箱的運轉(zhuǎn)，完成傳輸裝置的運行。齒輪振動磨損的主要原因是齒輪退出嚙合過早或者過遲，導(dǎo)致下一周期的齒輪運行發(fā)生變化，影響齒輪的運行速度，導(dǎo)致齒輪間的摩擦力、力矩、嚙合力發(fā)生變化，對齒間面形成不同程度的沖擊和摩擦。設(shè)定齒輪傳動裝置，分析主動輪Z1和從動輪Z2，設(shè)置主動輪的偏心質(zhì)量為m1，從動輪的偏心質(zhì)量為m2[4-5]。因為齒輪振動具有非線性，根據(jù)物體振動守恒定理原理，構(gòu)建簡化的齒輪振動磨損的力學(xué)模型，齒輪振動磨損力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 齒輪振動磨損力學(xué)模型

觀察圖1，確定主動齒輪和從動齒輪的基圓半徑，根據(jù)主動輪和從動輪的轉(zhuǎn)動慣量分析驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。由線性阻尼、時變嚙合剛度、齒輪偏心距得到齒輪的嚙合線方向。模型數(shù)學(xué)公式如下：

(1)

式中：f表示齒輪振動運行的摩擦力；T(t)表示齒輪振動運行的力矩；Fn表示齒輪振動運行的嚙合力；μa表示齒輪的摩擦系數(shù)[6-7]。

設(shè)備的每對齒輪在嚙合時，根據(jù)齒輪振動磨損力學(xué)模型，齒輪嚙合過程的瞬時摩擦系數(shù)大小和齒輪嚙合接觸點有關(guān)系。正常的齒輪每一周期的接觸點相同，但是受到振動磨損的齒輪，每一周期的嚙合接觸點不同，導(dǎo)致齒輪間的摩擦系數(shù)不同，齒輪的動能就會發(fā)生非周期的變化。具體的摩擦系數(shù)可以表示為

(2)

式中：μ2a-μ1a表示齒輪接觸點的瞬時摩擦系數(shù)；pa表示動態(tài)法向載荷；ta表示潤滑油油膜厚度；v表示嚙合接觸點的滑動速度；σa表示齒輪的時變剛度[8]。

齒輪在振動磨損狀態(tài)時齒側(cè)間隙的動態(tài)嚙合力受到主動輪的運行角速度、線速度、嚙合線的角度以及每對齒輪之間的角度影響，根據(jù)齒面摩擦力和庫侖定律計算原理，計算嚙合動態(tài)受力公式如式(3)所示。

(3)

式中：γ表示齒輪摩擦方向系數(shù)；Fk表示齒面間的摩擦力；a表示齒面荷載；Fc表示齒輪磨損表面的彈性嚙合力；Fn表示齒輪間的阻力；μ表示齒輪間的動摩擦系數(shù)[9]。

齒輪嚙合示意圖如圖2所示。

圖2 齒輪嚙合示意圖

圖2中，對齒輪1附加向上的應(yīng)力，對齒輪2附加向下的應(yīng)力，兩個齒輪咬合部分形成順時針旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力，促使齒輪不斷運轉(zhuǎn)的是作用在主動輪和從動輪上的力矩。如果力矩過大，會使齒輪速度變大，增加齒輪的磨損；如果力矩過小，會導(dǎo)致齒輪不運轉(zhuǎn)，影響設(shè)備的工作，所以齒輪的力矩要控制適當(dāng)，力矩計算公式如下：

T(t)=Tm+TaTsin(ωTt+φt)

(4)

式中：ωT表示從動齒輪上的工作力矩的變化圓頻率；φt表示從動齒輪上工作力矩的初始相位角；Tm是驅(qū)動力矩常數(shù)；TaT表示齒輪轉(zhuǎn)動恒量和幅值弦變量之和。

2 齒輪振動磨損特征分析

煙草車間的傳送設(shè)備在運行過程中避免不了由于煙草質(zhì)量或者其他原因出現(xiàn)振動磨損，這種振動會使設(shè)備的齒輪表面受到?jīng)_擊，加速齒輪表面的磨損和齒輪變形，過度的齒輪磨損會造成齒輪的斷裂和斷齒[10-11]。

齒輪振動磨損一方面是因為設(shè)備的齒輪在生產(chǎn)過程中很難保證設(shè)備的各個齒輪都是同樣尺寸，所以對于全新的齒輪，需要一段磨合階段，在磨合階段，齒輪之間不斷地摩擦和抗擊，齒輪就會出現(xiàn)磨痕。另一方面，在運行過程中一旦齒輪內(nèi)卷入顆?；蛘咂渌∥锲?，伴隨著齒輪的運行，相應(yīng)的齒輪表面會產(chǎn)生劃痕。齒輪和齒箱的振動特征也與正常的齒輪運行特征不同，齒輪的振動磨損特征為齒輪振幅變大、振動能量增加、齒輪咬合頻率和倍率降低三方面[12]。齒箱的振動磨損特征為運行頻率降低，存在異常的波動幅度。齒輪相對振動速度響應(yīng)時域波形如圖3所示，齒輪相對振動速度頻譜圖如圖4所示，振動信號相平面圖如圖5所示。

圖3 齒輪振動速度響應(yīng)時域波形

圖4 齒輪振動速度頻譜圖

圖5 振動信號相平面圖

齒輪面發(fā)生磨損時，各個齒輪的運行阻力增加，運行的反阻力會加速齒輪的運行，導(dǎo)致齒輪運行速度為非規(guī)律的變速，最終齒輪振動的振幅增大。另外齒輪的振動能量也會增加，因為齒輪內(nèi)如果發(fā)生非均勻磨損，局部的幾個輪齒出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，或者全部輪齒都發(fā)生磨損，但部分輪齒的磨損程度更嚴(yán)重時，齒輪所在的轉(zhuǎn)軸及其倍頻的調(diào)制頻率會出現(xiàn)嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，頻域上表現(xiàn)為在嚙合頻率及其倍頻附近產(chǎn)生幅值小且稀疏的邊頻帶[13]。齒輪內(nèi)部出現(xiàn)磨損，只有增加齒輪運行的動力才能保證齒輪正常完成相應(yīng)的工作，所以齒輪必須提供比原先大得多的能量，這也會加速齒輪表面的磨損。齒箱和齒輪振動磨損特征具有連帶關(guān)系，齒箱中一對齒輪發(fā)生振動磨損，整體的齒輪運行就會出現(xiàn)波動和異常，在磨損初期，受磨損阻力的影響，傳送設(shè)備提供正常的動力無法使帶有阻力的齒輪以正常的速度運行，齒輪整體的運行頻率降低[14]。

根據(jù)對煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損特征的分析，本文通過提取齒輪的磨損特征指標(biāo)，有利于對齒輪磨損程度的分析[15]。煙草車間傳送設(shè)備齒輪故障樹分析如圖6所示。

圖6 煙草車間傳送設(shè)備齒輪故障樹

設(shè)備齒輪磨損指標(biāo)的提取首先通過密度采樣法將齒輪的運行相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集，然后根據(jù)EMD技術(shù)對數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行真實數(shù)據(jù)分化處理，預(yù)留齒輪振動運行的磨損信息。EMD技術(shù)首先將各個數(shù)據(jù)參數(shù)按照參數(shù)的來源分為若干個變量；然后將各個分量與正常齒輪運行數(shù)據(jù)的分量進(jìn)行對比，提出所有不同的分量；最后對分量進(jìn)行重構(gòu)，排除齒輪運行參數(shù)的無效信息，可以得到齒輪振動磨損特征指標(biāo)。對磨損特征指標(biāo)進(jìn)行分析，判斷齒輪磨損的程度和齒輪磨損的結(jié)構(gòu)，提高煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損判斷的效率。齒輪磨損分量程度的對比公式如下：

(5)

式中：s表示齒輪參數(shù)的樣本；i表示采集的齒輪參數(shù)值；J(s,t)表示正常齒輪運行參數(shù)和磨損齒輪運行參數(shù)的散度值；N表示參數(shù)的分量個數(shù)。

根據(jù)對煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損力學(xué)的分析、模型構(gòu)建以及齒輪磨損特征提取方法的研究，本文總結(jié)出傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法的工作流程，如圖7所示。

圖7 煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法流程

1)采集傳送設(shè)備運行的摩擦系數(shù)、運行速度、頻率等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)本文構(gòu)建的齒輪振動摩擦力學(xué)模型，分析齒輪振動磨損的受力情況，計算出齒輪運行過程中的摩擦力、力矩、嚙合力，為齒輪磨損程度的分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

2)對設(shè)備齒輪振動磨損的受力情況進(jìn)行探討，通過比樣采樣法提取出有效的振動信號參數(shù)并分解信號，完成傳送設(shè)備齒輪磨損特征的提取。根據(jù)齒輪磨損分量程度的對比公式，得出齒輪運行磨損的狀態(tài)和磨損結(jié)構(gòu)位置點；

3)根據(jù)齒輪磨損的結(jié)構(gòu)位置和磨損程度，向設(shè)備管理人員提出最合理的預(yù)警方案，完成預(yù)警工作，保證煙草車間傳輸設(shè)備的正常工作。

3 實驗分析

為了驗證煙草車間傳輸設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法是否具有應(yīng)用意義，本文進(jìn)行對比試驗分析，對比方法為煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損模擬預(yù)警方法。為了保證試驗的公平性，選擇兩臺具有相同運行時間的煙草傳送設(shè)備進(jìn)行試驗，并且兩種預(yù)警方法在試驗前1 h選擇相應(yīng)的處理傳送設(shè)備。因為煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損情況通過肉眼無法鑒別，所以本文兩臺設(shè)備會連接兩臺計算機(jī)。計算機(jī)在實驗前對傳輸設(shè)備齒輪的磨損情況進(jìn)行檢查，得出結(jié)果提交給工作人員。在試驗結(jié)束后對比試驗結(jié)果與計算機(jī)試驗前的檢查結(jié)果，通過結(jié)果的匹配度，得出煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法的準(zhǔn)確性。設(shè)定實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

在試驗前，通過抽簽選擇兩種預(yù)警方法工作的設(shè)備，然后輔助計算機(jī)檢測設(shè)備齒輪的磨損度，計算機(jī)后臺會全程記錄兩種預(yù)警方法的相關(guān)預(yù)警數(shù)據(jù)，用于最終的結(jié)果分析。當(dāng)兩種預(yù)警方法都提交預(yù)警結(jié)論后，終止試驗，進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)匯總，得出試驗結(jié)論。本文在試驗前和試驗過程中，最大限度地剔除了外界因素對于試驗的影響，保證試驗的科學(xué)性和公平性，所以得出的實驗結(jié)果具有可信性。

數(shù)據(jù)篩選結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)篩選結(jié)果

預(yù)警響應(yīng)時間實驗結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)警響應(yīng)時間實驗結(jié)果 單位：s

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，本文研究的煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法比煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損模擬預(yù)警方法的預(yù)警效率高，完成時間短。本文研究的預(yù)警方法構(gòu)建了設(shè)備齒輪振動磨損模型，對于齒輪運行的受力分析合理掌握，了解每個齒輪的受力情況，在準(zhǔn)確的齒輪相關(guān)磨損數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以快速地分析出齒輪磨損的原因和程度，然后根據(jù)齒輪的磨損程度，得出最合理有效的預(yù)警方案和結(jié)論。然而傳統(tǒng)的預(yù)警方法對于齒輪磨損程度進(jìn)行實時的測量和討論，降低了齒輪磨損程度計算的效率，并延長預(yù)警的時間。除此之外，本文的預(yù)警方法對于齒輪磨損進(jìn)行特征指標(biāo)提取，根據(jù)指標(biāo)反饋的數(shù)據(jù)，可以合理地推測出齒輪的磨損程度，為齒輪磨損預(yù)警方案提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確保預(yù)警結(jié)論的準(zhǔn)確率。

綜上所述，本文研究的煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法具有有效性和準(zhǔn)確性，并有很好的實際應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

齒輪磨損預(yù)警可以防范風(fēng)險、降低裝備運營成本，本文提出煙草車間傳送設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法。首先分析了煙草車間傳輸設(shè)備齒輪磨損機(jī)理，建立齒輪磨損的力學(xué)模型，為齒輪磨損的力學(xué)分析建立基礎(chǔ)；然后根據(jù)以上分析提出傳輸設(shè)備齒輪磨損特征指標(biāo)，完成煙草車間傳輸設(shè)備齒輪磨損智能預(yù)警方法的研究；最后通過對比試驗分析得出本文研究的預(yù)警方法具有高效性和準(zhǔn)確性，符合煙草車間傳輸設(shè)備齒輪磨損預(yù)警規(guī)范，可以投入使用。