采煤機搖臂齒輪箱故障與可靠性分析

梁 斌

（陽煤寺家莊公司， 山西 昔陽 045300）

引言

某礦區近幾年屢發采煤機搖臂齒輪箱故障，自2011年起至2017年，故障發生率從28.2%逐漸上升，2017年12月統計全年采煤機搖臂齒輪故障率高達40.0%（如表1所示），故障區域多集中于高速區齒輪軸承、低速區行星齒輪系統以及冷卻密封故障等方面，其中以行星輪斷齒、大圓錐軸承故障、浮動密封受損導致漏油、內齒圈斷齒最為常見。

1 采煤機搖臂齒輪箱故障分析

采煤機搖臂齒輪箱故障是影響煤礦生產的一個重要因素，其故障率在近年來不斷升高。搖臂齒輪故障發生率隨著采煤機老化逐漸發展為劣化[1]。從采煤機截割部結構分析來看，搖臂齒輪箱是動力傳動系統的關鍵部件，其故障發生率往往對綜采面生產效率產生嚴重制約。同時，搖臂齒輪箱進口價格極為高昂，井下綜采作業面也難以完成零部件的現場更換工作，特別是搖臂部件的更換費時費力，大部分情況下只能采取停機拆解的方法運載至地面再行更換搖臂，這對煤礦企業均衡生產計劃產生嚴重影響[2]。所以，采取有效方法對搖臂齒輪箱運行狀態和實際工況做出預判和評估，預防突發性齒輪箱故障，降低非計劃停機率，保障搖臂齒輪箱運行可靠性，成為煤礦企業提高作業效率、控制生產成本的一個重要途徑。

2 采煤機搖臂齒輪箱故障診斷方法

采煤機搖臂齒輪箱安裝方式以及工作方式較為特殊，截割滾筒、搖臂齒輪箱以及截割電機均于截割部連接安裝，采煤機截割部和機身之間的連接由搖臂耳座銷軸完成。隨著生產工藝變化和工作面采高變化，搖臂齒輪箱與截割部隨著液壓油缸的調節而相應調整，這一工作方式同普通工業固定齒輪箱存在明顯差異，其與普通工業齒輪箱相比，搖臂齒輪箱所用故障診斷方法也相對滯后?，F階段，大部分煤礦企業多利用定期采集齒輪箱潤滑油樣本來監測、評估搖臂齒輪箱運行狀態，主要是通過鐵譜分析來評估齒輪箱運行趨勢，可在一定程度上指導實踐。但是鐵譜分析結果可能受到主客觀人為因素的影響，其準確性以及實時性不佳，難以滿足搖臂齒輪箱故障診斷分析要求，尤其對于突發性搖臂齒輪箱故障的診斷顯得更為乏力。一般來說，采用鐵譜分析明確的故障往往是一些嚴重故障，檢測人員很難就故障類型做出及時有效的判斷和評價。目前最佳監測方法是離線狀態下采集采煤機搖臂齒輪箱振動信號，也可于在線狀態下將在線振動傳感器安裝在采煤機搖臂齒輪箱內部，收集齒輪箱振動信號，通過現代信號處理技術將其中異常振動信號提取出來，結合信號頻率、信號幅值等特性對齒輪箱故障部位做出快速準確判別，以便于及時處理故障劣化現象并做出有效預防工作，確保工作狀態下搖臂齒輪箱的可靠性?？紤]到煤礦井下作業環境比較惡劣，生產條件較差，這對搖臂齒輪箱運行和故障監測工作造成較大影響，特別是振動信號采集受到較大制約。隨著以本安電子技術為代表的信號監測技術不斷發展，其安全管理水平不斷提升，井下信號采集分析精準性也隨之提升[3]。

表1 某礦區2011—2017年電牽引采煤機搖臂齒輪箱故障率統計

3 采煤機搖臂齒輪箱可靠性分析

所謂可靠性分析，主要是確保設備長期安全無故障運行的一種分析處理過程，而設備可靠性(這里主要為煤礦機電設備)則是在規定的時間以及環境下實現某種特定功能的性能。運行過程中，機電設備可靠性可能受到機電設備設計、整個制作流程、作業環境、后期運行和運維條件等因素的影響，所以設備可靠性分析也應有所側重。通常情況下設備可靠性包括本質與使用兩類，本質可靠性主要包括設備設計、設備制造、安裝直至試運轉完成這一過程中設備本身所凸顯的可靠性，我們將其稱之為“先天可靠性”；使用可靠性則包括運行狀態下設備運維管理以及技改等諸多環節中設備的可靠性，即我們所說的“后天可靠性”[4]。

如果本質可靠性與使用可靠性中的某一項性能比較低，或兩項性能均處于低值，那么設備出現故障幾率較大。針對故障采取相應的對策，關鍵在于從本質可靠性以及使用可靠性兩個方面有效識別故障原因。如果設備的本質可靠性較高，那么后期提高其使用可靠性也變得相對簡單；倘若本質可靠性比較差，即便后期再努力，也很難從根本上提高設備的使用可靠性。從本質意義上來看，要想有效避免設備故障，就要充分關注和改善機電設備的本質可靠性，這才是提高設備使用性能最有效的對策，也就是我們所說的重視并優化設備設計、制造以及安裝調試流程，確保設備生產質量。就普通工礦企業而言，采用針對性的管理措施確保設備使用可靠性是最重要和最現實的做法。

4 加強搖臂齒輪箱可靠性的有效措施

4.1 優化搖臂齒輪箱結構設計

首先，應對搖臂齒輪箱結構進行優化，并加強結構部件的硬度和強度；其次，積極解決浮動密封受損引起的漏油故障，對浮動密封形式加以改進，做好密封結構的優化處理；最后，對齒輪箱內部不同軸孔之間的配合關系進行優化。

4.2 加強對設備的運維管理

首先，對采煤機操作規程加以規范，確保各項操作規程得到執行和落實，嚴禁違規操作行為；其次，落實均衡生產制度，做好設備日常運維管理，實施精細化檢修模式；最后，加強管理，落實現場運行檢查與監督機制。

4.3 運用先進的設備狀態監測技術

1）就現階段的設備管理而言，設備狀態監測的意義越來越重要。生產企業充分意識到開展關鍵重點設備狀態監測工作的意義和重要性，對設備技術狀態作出預判評估，降低非計劃停機率，提高使用效率，為安全生產提供必要保障，創造出更多的經濟效益[6]。對采煤機而言，油液鐵譜分析是比較常用的監測技術手段，其主要是對油液中是否含有磨損顆粒、磨損嚴重情況進行檢查，以評估齒輪箱工況。

2）嚴格落實信息化點檢制度，加強設備監測管理。

3）積極引入振動信號采集、機械振動監測以及信號分析處理技術，實現齒輪箱工況的精密診斷。

5 結語

采煤機各組成部分中，搖臂齒輪箱是工作面割煤動力的直接傳動部件，其運行狀況健康與否將對采煤機開機率產生重要影響。因此，加強搖臂齒輪可靠性，有助于企業提高作業效率，控制生產成本。