多工况下机械传动系统的可靠性设计与性能分析

在冶金、矿山、烧结球团等重工业领域，机械传动系统广泛应用于破碎、输送、轧制、回转及提升等核心工段，其运行状态直接关系到整条生产线的产能与稳定性。与普通工业设备相比，这些系统普遍处于高负载、高频振动、多污染源交织的恶劣环境中，频繁承受冲击载荷、热膨胀与介质侵蚀等多重耦合作用。近年来，尽管传动元件的制造精度与材料性能不断提升，但在复杂工况下发生的早期疲劳、振动共振、润滑失效等问题仍然频繁出现，严重制约了设备的连续稳定运行。在此背景下，围绕多工况下传动系统的可靠性设计与性能提升，已成为重工装备制造与运维领域亟需突破的关键技术瓶颈。

一、多工况对机械传动系统性能的影响

在矿山选矿、烧结球团和冶轧等重工业场景中，机械传动系统运行于复杂多变的工况环境。例如，矿石破碎机在处理硬岩或高冲击矿料时，齿轮与轴承频繁承受冲击载荷，峰值载荷可达额定扭矩的 2.5 倍；烧结主抽风机在高温高粉尘的环境下运行，轴承处长期暴露于 300^∘C 以上气流影响，同时存在微粒侵入的润滑失效风险；而轧钢机传动系统则面临高速、高扭矩连续运行需求，其中精轧段的齿轮轴转速可达2000 rpm 以上，扭矩在 2×10⁵ N·m级别，存在高频振动耦合、局部疲劳集中的风险[1]。此外，设备运行频繁启停，例如烧结布料系统在每个生产周期内启停 10~15 次，对联轴器与轴系的动态响应形成强烈冲击。运行环境方面，如球团回转窑区域常年高温、高湿、高粉尘，致使润滑油品热降解快，密封失效率高，机械系统极易发生非计划性故障。

（二）多工况下的失效模式与机理

重工传动系统在复杂环境中表现出典型的多源失效特征，常见于齿轮、轴承、联轴器及润滑系统等多个关键部位。其中，齿轮传动常因接触应力超过材料屈服极限而出现表面点蚀，尤其在润滑油膜不足以支撑载荷时，易形成局部胶合现象；如冶轧线高速齿轮箱中就频繁发生此类问题，而烧结风机中的蜗轮蜗杆机构因油膜稀薄和运行温升快，更易发生齿面剥落。轴承部分，在球团提升设备中，圆柱滚子轴承承受着轴向与径向的复合载荷，一旦载荷分布不均或润滑条件不良，便容易出现疲劳剥落与滚道塑性变形，高温环境下更是导致润滑油碳化结焦，引起轴承烧蚀 [2]。联轴器与传动轴在矿用皮带机等设备中同样面临严峻考验，起动阶段液力偶合器释放巨大冲击力，若联轴器长期处于不平衡状态，将加剧扭振疲劳；尤其在非线性载荷作用下，轴系共振频率一旦接近激励频率，极易导致疲劳裂纹扩展乃至断轴事故。此外，润滑系统常因密封结构设计不当或维护不及时而遭受灰尘与水汽侵入，从而引发润滑油品质下降，进而造成齿轮胶合、轴承高温烧毁等一系列连锁失效问题，严重影响传动系统的运行可靠性。

（三）多工况下的动态响应与系统稳定性分析

多工况运行导致系统频繁处于非稳态状态，其动态特性不容忽视。通过建立基于载荷谱的动态模型（包括等效力矩函数 M(t)、振动响应函数 A(t) 与热负载函数 Q(t)），可对系统在不同工况下的响应进行预测分析。以冶轧主传动系统为例，其主减速器在高速轧制启动时，由电机瞬间释放高扭矩，导致系统激发次阶振动模态。在模态分析中，发现系统在 1200 Hz 和 1650 Hz处存在明显共振峰，若齿轮轴支承刚度未充分优化，极易发生低频共振破坏。此外，热力耦合分析显示，传动腔内局部温升超过油品临界分解温度（如矿物油 120℃），将导致油膜失效，齿轮齿面摩擦系数急剧上升，进而引起啮合不稳定和齿面损伤。

二、机械传动系统的可靠性设计策

（一）可靠性建模与评估方法

机械传动系统的可靠性设计需建立在充分的历史故障数据和实际载荷工况的统计分析基础之上。首先通过 FMEA（Failure Mode and EffectsAnalysis）方法系统识别系统中潜在的高风险部件和典型失效模式，对每一故障模式分配严重度、发生频率与可探测性评分，建立风险优先级（RPN）评价模型。随后，结合现场运行数据，通过Weibull 分布函数对关键部件（如齿轮、轴承）的失效寿命进行拟合分析，提取其形状参数 β 和特征寿命 η，用于寿命分布评估与维修周期预测。例如，某钢厂冷轧主传动齿轮箱长期运行数据表明，其主减速齿轮的疲劳失效寿命服从β=1.6、η=4800 小时的Weibull 分布，据此可合理安排更换计划与检修间隔，避免突发停机。同时，为反映工况中载荷随时间变化的实际情况，需引入载荷谱建模。通过对实测载荷时间序列进行雨流计数法处理，获得各阶次循环应力的分布频次，构建完整的载荷历程。结合有限元平台（如Ansys Workbench）进行等效应力与寿命仿真分析可对结构局部疲劳敏感区域进行精确识别与优化，提高整个系统的设计可靠性与结构裕度。

（二）传动系统构型优化

面对冶金、矿山等不同重工场景下多变的负载特性与运行要求，传动系统结构设计必须具有针对性和工况适应性。对于冶轧主传动设备，优选采用行星齿轮机构作为减速核心，其多齿同时啮合特性有效分散扭矩负荷，提高传动效率和承载能力，同时具备较小的体积重量比，特别适用于空间受限且需要高扭矩输出的场合 [3]。在矿用提升机或输送系统中，推荐使用伞齿轮 + 行星组合结构，实现空间紧凑布置与高速比需求的平衡，适应长时间重载连续作业，对极端环境下的运行稳定性表现尤为突出。在齿轮参数选择方面，斜齿轮相较于直齿轮能提供更大的啮合重合度，减小啮合冲击，提升运转平稳性与噪声控制性能。建议齿形修缘处理以减小啮合初期干涉应力峰，同时优化齿根过渡半径以降低应力集中。对多级减速系统可采取模块化设计策略，例如将高速级封闭于油冷隔热腔中，低速级布置于外壳油池区，并分设润滑循环路径，以保证每级机构在其最佳温控状态下运行，从而延长整体系统的无故障工作时间。

（三）关键零部件选型与材料工艺优化

机械传动系统的核心零件如齿轮、轴承、联轴器，其选型与材料工艺直接决定了系统整体的寿命与稳定性及运行可靠性。齿轮方面，应优先选用渗碳淬火处理的中低碳合金钢，如 20CrMnTiH 或 18CrNiMo7-6，其经精密齿面磨削后表面硬度可达HRC5862，心部保持足够韧性，适用于高接触强度与高频变载工况，能有效抵抗点蚀、胶合等常见失效形式。渗碳层深度控制在1.2-1.6mm 之间，以兼顾疲劳强度与经济性，避免加工成本过高而影响批量应用。对于高负载大模数齿轮，还应考虑引入残余压应力强化处理工艺，如喷丸或激光冲击强化技术，以提高齿根抗裂纹扩展能力 [4]。轴承方面，推荐使用调心滚子轴承或高负荷角接触球轴承，并优先选择SKF、FAG 等具备高温抗疲劳认证的产品系列，例如SKF 22322 系列，动态载荷能力可达560 kN以上，适合冶轧主传动或矿山设备等高载持续运行场景。润滑通道应预留充分空间，并进行迷宫式防污染结构设计，以防止灰尘和腐蚀性颗粒侵入，保持润滑系统清洁稳定。针对设备中长期暴露于酸碱气体或微粒冲蚀区域的部位，如矿浆搅拌机主轴或烧结主风机轴颈，建议采用碳化钨喷涂、陶瓷涂层或激光熔覆 Ni-Cr 合金等耐磨抗蚀表面强化技术，大幅提升零件表面耐久性和维护周期。

（四）润滑与密封系统的可靠性设计

在复杂环境下，润滑与密封系统往往是机械传动可靠性的关键瓶颈，直接影响系统的稳定性与寿命。为确保设备长期高效运行，建议采用循环油润滑系统，配置带有油温控制阈值（如85℃）的电子温控器，以及高精度在线过滤器和油质粘度监测仪，实现对润滑油状态的实时监控和动态管理。对于对油品品质要求较高的高速重载系统，可选用合成PAO 基础油润滑剂，其氧化安定性、剪切稳定性及高温粘度指数均优于传统矿物油，在高温高载工况下依然能维持可靠油膜。密封系统方面，应根据运行工况采用多级密封设计策略，高温高尘区域建议采用“迷宫密封 + 接触式双道密封”的组合结构，其中迷宫部分有效阻挡大颗粒物，接触密封层则防止微粒和水汽入侵，保障内部清洁与油脂封闭性[5]。对部分污染严重的工况场合（如烧结布料系统），可增设自动补脂装置，实现润滑脂的定量间歇式补给，防止密封脂干涸造成轴承早期失效。此外，推荐在齿轮箱、轴承座等关键部位加装智能传感器，实现油位、温度、振动等参数的一体化监测，构建多维度早期预警机制，全面提升系统的故障感知能力与运维智能化水平。

三、机械传动系统的性能分析与验证

（一）多工况仿真建模与计算分析

针对典型冶轧减速系统的运行状态，采用参数化建模手段构建其三维几何与装配模型，结合实际生产数据采集的载荷谱进行仿真加载，开展瞬态动力学响应分析。载荷输入考虑轧制起停、变速换辊等多种典型工况的扭矩变化，确保模拟结果具备工程参考价值。在热力分析中，利用Fluent 模块对齿轮箱内部油温场进行流体 - 固体耦合模拟，结果显示在长时间高负载运行下，齿面最高温升区间集中在90~110℃之间，逼近润滑油热稳定极限，验证了设置油冷却系统和优化散热结构的必要性。此外，通过 ANSYS TransientStructural 模块进行扭矩阶跃响应分析，在齿轮扭矩突变加载过程中观测到齿根区域最大应力集中达 550 MPa，已接近选用材料（如 20CrMnTiH）屈服强度的 85% 左右，说明该区域存在疲劳破坏隐患，需通过增大过渡圆角半径、齿根喷丸强化或形状优化等方式降低应力集中因子，提高疲劳寿命和抗断裂能力。

（二）实验平台与现场测试验证

在实验平台搭建方面，采用刚性主轴与多级加载装置构建动态加载系统，配置 0~500 N·m 可调电磁加载器，实现对工况变载的精准模拟。同步安装三维振动传感器、红外测温仪与应变片阵列，对齿轮啮合状态、振动响应与温升过程进行实时监测。在模拟球团回转窑运行条件下，对比测试新型渗碳合金钢齿轮与传统45钢齿轮的耐磨性能，3000小时连续运行后结果表明，前者齿面磨损率平均下降 42% ，齿顶轮廓保持精度更高，具备更优寿命表现。在现场应用测试中，以烧结主抽风机为对象，部署无线温振监测模块，实时采集轴承温度、振动加速度与频谱数据。通过对 FFT 结果分析，发现在实施轴承润滑结构优化与密封系统升级后，系统在额定转速运行下的振动幅值降低至原有的 50% 左右，轴承温度稳定控制在 75℃以下，设备整体运行更加平稳可靠，显著减少了运行中的维护频次和突发停机事件。

（三）案例分析：冶轧主传动系统应用实践

某大型钢铁企业粗轧主传动系统原设计采用直齿轮 + 固定轴承的传统结构，长期运行过程中频繁出现齿面点蚀、冲击噪声大、齿轮箱温升高等典型问题，不仅影响轧制精度，还加重了后期运维负担。针对上述问题，技术团队对系统进行全面改造，采用多级斜齿轮结构以提高啮合平稳性，并引入动压油膜润滑系统替代原有飞溅润滑，提高润滑效率与油膜稳定性。同时在齿轮参数上进行了优化，将原齿轮模数由m=12 减小至m=10，提升啮合精度，并将啮合角由标准 20^∘ 优化至25°，以增强齿面接触强度和载荷分布合理性。现场监测数据显示，经过结构和参数双重优化后，系统运行状态显著改善：齿轮箱振动峰值下降 36% ，运行噪声下降约 8 dB；油温从原先的 95℃稳定降至 80℃左右；平均无故障运行周期由原先的 2800 小时延长至 6200 小时以上，系统可靠性大幅提升，为该类冶轧设备的大修周期延长提供了数据支撑和改造示范。

总结：

本文围绕冶金、矿山、烧结球团等重工行业的实际应用背景，系统研究了多工况条件下机械传动系统的可靠性设计与性能表现。从典型工况的失效机理出发，分析了传动系统在高载荷、高温振动等复杂环境中的关键技术挑战，并提出了从结构设计、材料工艺、润滑密封到性能仿真与实验验证的一体化优化思路。研究结果表明，采用可靠性主导的设计方法与多物理场仿真分析技术，能显著提升系统运行稳定性与使用寿命。该研究为提升重工装备核心部件的工程适应性和维护效率提供了理论基础和实践参考，具备良好的推广应用价值。

参考文献

[1] 吴杨帆 , 吴萌岭 , 田春 , 等 . 多工况融合电机械制动关键部件疲劳寿命分析 [J]. 机电工程技术 ,2022,51(04):60-64.

[2] 沈鹏飞 . 多工况下的混合并联式液压 - 机械无级变速器能量管理调速策略研究 [D]. 重庆大学 ,2021.002083.

[3] 李佳 . 设备工况条件对机械设备（泵，阀）选型的影响 [J]. 科技创新与应用 ,2020,(21):52-53.

[4] 于地 . 基于少参数 CNN 的多工况机械故障诊断方法 [J]. 南方农机 ,2023,54(19):156-158.

[5] 张琪 . 机械传动系统的优化设计与分析 [J]. 中国设备工程 ,2024,(20):118-120.