采煤機搖臂齒輪箱振動測試與分析

朱保明

（山西省陽泉市大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

在礦井開采工作中，采煤機割煤的效率直接決定了礦井的效益。在采煤機不同的構件中，搖臂齒輪箱是最為重要的組成部件之一，承受著割煤動力傳輸的任務，但齒輪箱發生故障的概率較高［1-2］。據各大礦井采煤機不同部件事故率的統計結果，齒輪箱的事故率占到了35.1%，而且隨著礦井機械化和自動化開采水平的提高，該值大有逐年升高的趨勢。采煤機搖臂齒輪箱的運行方式較為特殊，我國主要大型礦井通過油液鐵譜分析的法對其運行穩定性的狀態進行監測，但該方法操作較為繁瑣，監測結果受人為影響的成分較大，且監測時間較長，無法快速精確判定齒輪箱的工作狀態［3］。近些年來我國礦井生產中采煤機運行狀態監測和故障診斷水平得到了較快的發展，基于此，本文對采煤機搖臂齒輪箱進行了振動測試和故障監測研究，為礦井工作面的正常開采提供一定的指導。

1 齒輪箱加載實驗臺測試

該測試主要是在地面進行采煤機搖臂齒輪箱在礦井實際作業的模擬，從而測試齒輪箱的運行穩定性狀況。主要依據指標為：在長時間運行后重要部位的升溫情況、載荷作用下有無異響以及二級行星架輸出軸位置漏油情況。通過對搖臂齒輪箱的振動信號進行采集分析可得其穩定性情況。加載實驗臺組成構件主要包括負載系統、測試系統、供電柜、控制系統以及拖動系統等。信號接收流程為：電網輸出的能量可通過變壓器輸送到齒輪箱以及調壓器，然后相關的負載電機會運行發電、輸出電能，再通過負載變頻器可反饋到整個系統的電網中。加載實驗臺的工作原理見圖1。

圖1 加載實驗臺的工作原理

在采煤機搖臂齒輪箱振動測試過程中，傳感器要緊密貼在測試部位處；由于軸承座一般情況是最優的測試位置，故將測試部位設置在軸承座附近，這是因為軸承座附近可以體現搖臂齒輪箱的許多振動信號。部分測點布置情況見圖2。

圖2 部分測點布置情況

為了精確獲得搖臂齒輪箱振動測試的結果，需要先對實驗臺的固有頻率進行測試，通過matlab數據處理軟件對采集到的信號進行歸納處理，得到頻率頻譜見圖3。

圖3 固有頻率頻譜

從圖中可以看出，實驗臺的固有頻率較為單一，在頻率為192 Hz的位置幅值峰的強度明顯，故實驗臺的固有頻率為192 Hz，雖然在該位置兩側較近的位置出現了較為對稱的峰值點，但峰值強度極低，說明周圍測試環境對測試本身的影響很小。

2 齒輪箱齒輪故障的測試結果

齒輪是齒輪箱傳動的主要構件，當采煤機搖臂齒輪箱內齒輪發生故障時，采集到的頻率變化顯著，當輸入軸的轉速達到1490 rad/min時，該位置齒輪穩定性大大降低，由于工作的疲勞而形成剝落，此時齒輪的嚙合頻率為645 Hz，時域波形見圖4，而頻率頻譜見圖5。在圖5中，以輸入軸的轉動頻率和高次諧波為調制頻率的固有頻率調制而形成的變頻帶，頻率調制顯現現象較為顯著，圖6顯示了齒輪的包絡譜圖，從圖中可以發現，齒輪箱齒輪由于疲勞發生剝落時頻率峰值十分顯著，振動強烈。

圖4 齒輪剝落時的時域波形

圖5 齒輪剝落時的頻率頻譜

圖6 齒輪剝落時的包絡譜

在齒輪箱齒輪傳動過程中，當齒輪端部漸開時會發生一定的相對滑動，由于工作面的工作條件較為惡劣，在各種因素的作用下齒輪齒面會發生磨損，隨著采煤機割煤工作的不斷進行，齒輪間嚙合作用減弱，齒間的間隙擴大，則齒間的作用力增強，在局部位置容易形成應力集中，不利于采煤機工作穩定性的進行。當齒輪發生較為明顯的磨損時，齒輪的嚙合頻率為692Hz，時域波形見圖7，與圖4相比，振動的幅值要相對較小，說明齒輪發生磨損時的工作穩定性要高于齒輪發生剝落時的工作穩定性。該狀態下的頻率頻譜見圖8，從圖中可以發現，與齒輪發生剝落狀態相比，該狀態下齒輪頻率較為單一，而且幅值峰的強度也相對較低，究其原因，當齒輪發生剝落時表面更加不平，對幅值峰強度的影響效果顯著，而齒輪發生磨損時只表現為齒面的輕微剝蝕，故對幅值峰強度的影響相對較小。

圖7 齒輪磨損時的時域波形

圖8 齒輪磨損時的頻率頻譜

3 齒輪箱齒輪故障的現場測試

上文對采煤機搖臂齒輪箱齒輪發生故障時進行了振動研究，采煤機在實際的工作環境中受到礦井粉塵、水體以及頂底板條件的影響較大，條件較為惡劣。考慮到現場測試的安全性，本次在采煤機空載條件下進行了齒輪箱振動信號的測試與研究。檢測時間為2017年7月11日～10月9日共3個月，在此期間可得到搖臂行星頭油樣的鐵譜測試結果，其中某一天的鐵譜見圖9。.

圖9 油樣的鐵譜測試結果

從圖中可以發現，鐵譜圖中存在較多的粒徑不等的氧化物和層狀結構的磨粒，由此說明本次所研究的搖臂行星頭潤滑效果較差，局部范圍內無法形成潤滑效果，可能是齒輪間存在硬度較大的顆粒影響了齒輪的正常咬合，總體上齒輪間的磨損嚴重，可以通過及時清理齒面或者更換潤滑油的方式來處理［4-5］。而在測試期間得到了潤滑油溫度變化趨勢見圖10，從圖中可以看出，潤滑油的溫度較為穩定，在42°～52°之間變化，變化幅度較小，說明齒輪箱運行穩定。

圖10 潤滑油溫度變化趨勢

圖11測點布置

圖12 共振解調頻譜

從圖12中可以看出，在高速區齒輪運行正常，穩定性較高；而在低速區的共振解調頻譜圖中，在頻率為195 Hz的位置波峰較大，該位置為故障頻率所在處，同時存在兩次的諧波頻率，由此說明在低速區齒輪的故障嚴重，而該位置表面的溫度最高超過了100°，故需要對搖臂的低速區進行重點監控。

4 結語

本文主要通過實驗臺測試以及現場測試結合的方法對采煤機搖臂齒輪箱進行了振動測試和故障監測研究，為礦井工作面的正常開采提供一定的依據。實驗臺的固有頻率為192 Hz，雖然在該位置兩側較近的位置出現了強度極低的峰值，說明周圍測試環境對測試本身的影響很小，與齒輪發生剝落狀態相比，齒輪發生磨損時頻率較為單一，而且幅值峰的強度也相對較低，穩定性相對較高。現場測試結果顯示，搖臂行星頭潤滑效果較差，局部范圍內無法形成潤滑效果，其中，在低速區齒輪的故障嚴重，需要進行重點監控。