采煤機搖臂齒輪箱故障診斷技術分析

王小佩

（西山煤電集團屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，承擔著工作面煤層的截割和落煤任務。在當前高效率、高安全生產發展方向的大背景下，結合工作面高強度、大功率的生產需求，對采煤機的性能提出了更高的要求。經實踐表明，采煤機搖臂齒輪箱為其相對薄弱的環節，在實際生產中頻繁地出現事故。據統計可知，由于搖臂齒輪箱故障導致采煤機故障的比例高達34.2%，該項指標已經影響到采煤機的開機率，進而影響工作面高效率的生產[1]。本文重點針對采煤機薄弱環節齒輪箱的故障診斷技術進行研究。

1 采煤機搖臂齒輪箱結構及其故障分析

1.1 采煤機搖臂齒輪箱結構

普通電牽引采煤機由截割部、牽引部、電氣控制箱等組成。采煤機搖臂齒輪箱為其截割部的重要組成部分，其作為動力傳遞的關鍵部件，將截割部電機動力傳遞至截割滾筒，進而完成落煤和裝煤的任務。采煤機搖臂齒輪箱的三維結構如圖1 所示。

圖1 采煤機搖臂齒輪箱三維結構

如圖1 所示，采煤機搖臂齒輪箱內部為截割部的動力傳動系統，主要包括有兩級直齒圓柱齒輪和兩級行星齒輪。上述齒輪輪系組成了采煤機截割部搖臂的減速系統，共包括有兩個直齒輪組成的一級直齒輪減速輪系、6 個直齒輪組成的二級直齒輪減速輪系、3 個行星齒輪組成的一級行星齒輪減速輪系、3 個行星齒輪組成的二級行星齒輪減速輪系。其中，在二級直齒輪減速輪系的中間4 個齒輪不發揮減速的作用，僅發揮傳遞動力的作用，主要目的是增加搖臂的長度，以適應綜采工作面采高的要求[2]。同時，整個搖臂齒輪采用飛濺的方式進行潤滑。

1.2 搖臂齒輪箱故障

通過對實踐生產中采煤機截割部搖臂齒輪箱故障類型進行統計，其頻發的故障主要表現為高速區一級減速直齒輪及軸承的故障、低速區二級行星減速輪系的故障以及浮動油封。其中，高速區一級減速直齒輪及軸承的故障占齒輪箱所有故障的42%；低速區二級行星減速輪系的故障占齒輪箱所有故障的30%；浮動油封故障的占比為29%。具體介紹如下：

1.2.1 高速區一級減速直齒輪系

高速區一級減速直齒輪及軸承的故障主要表現為齒輪齒面出現不同程度的磨損、點蝕、擦傷或者膠合等。在實際生產中的直接表現為高速區齒輪出現較強烈的振動并發出較大的噪聲，從而引發軸承故障，最終需要通過更換齒輪或者軸承消除故障。

1.2.2 低速區二級行星減速輪系

低速區二級行星減速輪系的故障主要表現為行星齒輪、內齒圈斷裂。導致上述故障的主要原因為行星輪系受到了較大的沖擊或在長時間內承受過大載荷。

1.2.3 浮動油封

浮動油封故障主要表現為浮動密封遭到損壞。導致上述故障的主要原因為液壓油油質變差或疲勞損傷導致密封損壞，從而造成搖臂齒輪箱出現液壓油泄露的問題，繼而誘發齒輪箱齒輪或者軸承其他故障的發生[3]。

本文重點對搖臂齒輪箱高速區一級減速直齒輪系和低速區二級行星減速輪系的故障進行相應診斷研究。

2 搖臂齒輪箱故障診斷技術

基于對搖臂齒輪箱不同故障反應的信號頻譜特征不同，確定搖臂齒輪箱的故障類型。

2.1 搖臂齒輪箱故障信號特征分析

搖臂齒輪箱的故障可以細分為齒輪的故障、滾筒軸承的故障。不同部件的故障類型所反映的信號特征不同。

齒輪的故障失效形式主要表現為齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、斷齒和彎曲疲勞等。不同的故障形式所反映的振動信號中的嚙合頻率不同，為了更加準確地定位齒輪的故障類型，還需對不同故障類型所反映的振動信號中的附加脈沖、隱含譜線以及軸承振動等進行分析。

對于滾筒軸承而言，除了由于其自身結構引起的振動外，故障也是引起其振動的主要原因。當滾動軸承潤滑不好、長期承受過載或者載荷突變時，造成其外圈出現剝落、裂紋等缺陷或者局部損傷[4]。因此，滾動軸承故障的振動信號包含有其自身故障的振動頻率，還包括有部件自身的振動頻率。不同頻率對應的滾筒軸承故障如表1 所示。

表1 滾筒軸承故障頻率表

2.2 搖臂齒輪箱故障診斷策略

在上述不同故障對應不同振動信號作為支撐的基礎上，采用有效的診斷策略也可精準確定采煤機搖臂齒輪箱故障類型及位置。因此，在實際診斷過程中應根據不同故障的頻率采取不同的診斷策略，具體介紹如下：

1）針對轉動頻率及其高次諧波、齒輪嚙合頻率及其高次諧波，采用頻譜分析方法對其進行診斷；

2）針對嚙合頻率的調制，通過頻譜與解調相結合的方法對其進行診斷；

3）針對齒輪固有頻率的調制，通過解調譜、細化譜與頻譜相結合的方式對其進行診斷；

4）針對采煤機搖臂齒輪箱固有頻率的調制，采用解調分析、能量分析、時域與頻域相結合的方式對其進行診斷。

3 采煤機搖臂齒輪箱故障診斷測試

在上述對采煤機搖臂齒輪箱故障診斷技術研究的基礎上，以7LS06 搖臂齒輪箱為例，在其關鍵齒輪和軸承部位設置傳感器，通過采集其振動信號分析其是否存在故障，并判斷故障類型。

采煤機搖臂齒輪箱的高速區一級直齒輪系并未發現明顯的故障；采煤機搖臂齒輪箱低速區行星輪系出現了明顯的故障頻率（193 Hz）及其對應的兩次諧波頻率。通過與行星輪系對應固有頻率進行比對，可以初步判斷行星輪頭部發生較為嚴重的故障。而且，通過實踐檢測可知，行星輪頭部表面溫度高達98℃后且對行星輪系拆解可知，一級行星輪系發生較為嚴重的損傷。

4 結語

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，設備的穩定性和性能直接決定綜采工作面的生產效率和安全性[5]。采煤機截割部搖臂齒輪箱作為其最為薄弱的環節，提前對其故障類型進行獲取并精確定位后快速、精準維修，最終提升采煤機開機率具有重要意義。本文具體開展了采煤機搖臂齒輪箱的故障振動技術，并通過實際案例驗證了故障診斷技術的效率。通過驗證可知，該項故障診斷技術可精準、快速地完成搖臂齒輪箱的故障診斷，可在實際生產中推廣應用。