采煤機齒輪箱機械傳動部件集成系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

田志平

（沈陽煤業(yè)（集團）機械制造有限公司，遼寧 沈陽 110123）

引言

齒輪箱是采煤機的核心機構(gòu)，主要用于將電機的輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動力控制行走機構(gòu)或者搖臂機構(gòu)的運行，其工作的穩(wěn)定性和安全性直接決定了采煤機的運行可靠性和井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟性。采煤機的齒輪箱機械傳動部件主要包括了齒輪機構(gòu)和行星機構(gòu)等，涉及的零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了降低設(shè)計的難度，目前均采用對各個機構(gòu)的受力和運行狀態(tài)進行獨立分析和監(jiān)測的方式，但其實際運行狀態(tài)和監(jiān)測結(jié)果與實際存在著一定的差異性，導(dǎo)致了采煤機齒輪箱機械傳動部件在運行時的故障率高、可靠性差，已經(jīng)成為影響采煤機穩(wěn)定運行的首要因素。因此結(jié)合仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，本文提出了一種新的采煤機齒輪箱機械傳動部件集成設(shè)計和監(jiān)測方案。

1 齒輪箱三維建模

為了對齒輪箱的運行狀態(tài)進行集成設(shè)計分析，利用三維建模軟件按齒輪箱的實際結(jié)構(gòu)進行三維建模，在建模的過程中考慮到集成分析難度和精確性需求，采用了適度優(yōu)化的方案，將齒輪箱的靜態(tài)部分進行簡化處理，將參與傳遞的動態(tài)部分按實際狀態(tài)進行建模，既能夠降低建模工作量，又能夠在兼顧仿真分析結(jié)果的情況下有效地提升仿真分析準(zhǔn)確性[1]。

建模完成后在對各個零件的屬性進行定義時，為了便于分析中不斷調(diào)整各零件參數(shù)，獲取最佳的設(shè)計效果，對各零件的參數(shù)設(shè)置了相關(guān)聯(lián)屬性，通過改變指定零件的參數(shù)，與之相關(guān)聯(lián)的零件參數(shù)能夠自動發(fā)生變化，從而滿足自動調(diào)整分析的需求，采煤機齒輪箱機械傳動機構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 齒輪箱傳動機構(gòu)三維模型

在進行仿真分析前，利用SMRT-SIZE 命令來對三維模型進行網(wǎng)格劃分[2]，其劃分方式可采用自由網(wǎng)格劃分方法，在傳動齒輪輪齒和傳動軸等受力集中的位置采用六面體網(wǎng)格劃分的方式，滿足分析效率和仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確性的需求。

由于傳動過程中齒輪箱傳動機構(gòu)各個齒輪的受力方向為沿著嚙合線四周分布，為了簡化受力分析，采用受力平均簡化的方式，將其受力方向統(tǒng)一到沿著嚙合線方向。在齒輪和傳動軸連接的位置各個載荷是以均布的方式作用在連接位置，傳動軸在受力過程中將受到扭轉(zhuǎn)力矩和花鍵作用在上面的均布力，是各種載荷的最終集聚位置，因此最容易出現(xiàn)故障，傳動軸的受力分析如圖2 所示。

圖2 傳動軸受力（MPa）分析示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，在采煤機滿負荷工作的狀態(tài)下，齒輪軸上最大的載荷出現(xiàn)在齒輪嚙合位置，約為98.6 MPa，作用在齒輪軸中部凹槽處的載荷次之，約為86.3 MPa。而采用獨立受力分析時，最大載荷是分布在齒輪軸凹槽處，因此造成了對齒輪軸凹槽處過渡保護，對齒輪嚙合點位置保護不足，在長期滿負荷受力情況下出現(xiàn)變形、破損等。由此可見采用集成仿真分析的方式能夠真實地反應(yīng)出齒輪箱內(nèi)零件的受力狀態(tài)，為進行合理的優(yōu)化提供參考。

2 集成NEST 監(jiān)測系統(tǒng)

采煤機齒輪箱在運行過程中處于密封狀態(tài)，傳統(tǒng)監(jiān)測方案無法進行準(zhǔn)確的監(jiān)測，導(dǎo)致無法及時發(fā)現(xiàn)齒輪箱的運行異常狀態(tài)，給采煤機的正常運行造成了較大的隱患。因此本文提出了一種新的集成NEST[3]（非線性狀態(tài)估計）監(jiān)測系統(tǒng)，其集成監(jiān)測流程如圖3 所示[4]。

圖3 集成NEST 監(jiān)測原理

由圖3 可知，該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)處理、分析模型構(gòu)架及實時監(jiān)測三個部分。在數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)系統(tǒng)對采煤機齒輪箱在不同階段的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行對比檢測，并從中確認(rèn)異常參數(shù)的輸入狀態(tài)變量和輸出狀態(tài)變量，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行近期和遠期分類。在分析模型架構(gòu)建立時依據(jù)聚類有效性來設(shè)置具體的指標(biāo)，分析算法選擇參數(shù)回歸算法，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)信息進行逐類對比，提升數(shù)據(jù)分析的速度和有效性，避免出現(xiàn)遺漏和數(shù)據(jù)沖突。實時監(jiān)測部分，主要是對齒輪箱的運轉(zhuǎn)振動情況、溫度等進行綜合監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果的實際值和系統(tǒng)正常運行時的理論值對比，將差值進行處理及交換，構(gòu)建出實時動態(tài)監(jiān)測和報警機制，實現(xiàn)自動監(jiān)測和預(yù)警。

通過運行集成設(shè)計和監(jiān)測的原理，實現(xiàn)了對采煤機齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計和智能監(jiān)測，優(yōu)化后新的采煤機齒輪箱的運行故障數(shù)量由最初的30.6 次/月，降低到了目前的2.1 次/月，運行故障率平均下降93.2%以上，顯著提升了采煤機的運行穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）采用集成仿真分析的方式能夠真實反應(yīng)齒輪箱內(nèi)零件的受力狀態(tài)，為進行合理的優(yōu)化提供參考；

2）集成NEST（非線性狀態(tài)估計）監(jiān)測系統(tǒng)，包括了數(shù)據(jù)處理、分析模型構(gòu)架及實時監(jiān)測3 個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對齒輪箱運行狀態(tài)的自動監(jiān)測和預(yù)警；

3）新的集成設(shè)計和監(jiān)測方案能夠?qū)X輪箱的運行故障率降低93.2%以上，顯著提升了采煤機的運行穩(wěn)定性。