采煤機(jī)搖臂齒輪箱的故障特征分析

劉靜坤

（神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心，陜西 神木 719315）

采煤機(jī)搖臂箱齒輪箱與工業(yè)中常見(jiàn)的減速箱等齒輪箱結(jié)構(gòu)不同，其內(nèi)部較為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠滿足多種工況下的使用要求[1]。搖臂箱齒輪箱作為連接截割電機(jī)與螺旋截割滾筒的關(guān)鍵部件，在大工作量、高生產(chǎn)效率的煤礦生產(chǎn)中有著重要的作用。由于采煤機(jī)截割煤壁的工作強(qiáng)度非常高，導(dǎo)致采煤機(jī)的機(jī)械部分容易失效。在嚴(yán)格的煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)下，采煤機(jī)的檢修與維護(hù)是必不可少的，比如，在生產(chǎn)20 小時(shí)的條件下，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或者檢修4 小時(shí)。搖臂齒輪箱在采煤機(jī)中屬于易損壞部件，因此，及時(shí)地檢測(cè)與維修是保證高效綜采生產(chǎn)重要前提條件。

1 搖臂齒輪箱故障統(tǒng)計(jì)及原因分析

1.1 齒輪箱故障統(tǒng)計(jì)

根據(jù)歷年的采煤機(jī)維修記錄可知，采煤機(jī)搖臂齒輪箱的主要故障區(qū)[2]有三處：高速區(qū)一級(jí)減速直齒輪及軸承、低速區(qū)兩級(jí)行星輪系、浮動(dòng)油封。在采煤機(jī)搖臂齒輪箱中，高速區(qū)的故障，比如高速齒輪及軸承等，其故障的發(fā)生率最高，占搖臂齒輪箱的42%；低速故障區(qū)，比如二級(jí)行星輪系、大圓錐軸承等，其故障的發(fā)生率占總體的30%，其中，二級(jí)行星齒輪折斷故障如圖1 所示；浮動(dòng)密封故障的發(fā)生率也較高，其主要原因?yàn)辇X輪箱的密封性能不夠或者元器件老化，導(dǎo)致齒輪箱漏油以及煤塵等物質(zhì)進(jìn)入齒輪箱，引發(fā)行星輪系及軸承的二次事故，該故障是目前國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)搖臂齒輪箱在設(shè)計(jì)與制造時(shí)的一個(gè)重大難題，難以解決，因此，故障率一直保持較高的狀態(tài)。

圖1 二級(jí)行星齒輪折斷

目前，我國(guó)對(duì)于采煤機(jī)搖臂齒輪箱的檢測(cè)通常采用油液鐵譜分析技術(shù)與振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[3]。其中，油液鐵譜分析技術(shù)通過(guò)對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑油液磨損顆粒的大小、形態(tài)、面積、特征等參數(shù)進(jìn)行定性或定量的分析搖臂齒輪箱工作狀態(tài)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，檢測(cè)成本較低。但是該方法受限于工人技術(shù)水平和搖臂齒輪箱的復(fù)雜性，過(guò)程中耗時(shí)耗力，并且無(wú)法實(shí)時(shí)判斷齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求，因此，該方法的應(yīng)用受到了一定的限制。振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是一種新型的故障診斷技術(shù)，屬于無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)工人的專業(yè)技術(shù)要求較低，能夠及時(shí)診斷出齒輪箱中常見(jiàn)的各種故障，并在一定程度上提升設(shè)備管理的競(jìng)爭(zhēng)力水平，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。

1.2 齒輪箱故障分析

齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常處于高速重載的工作狀態(tài)，在正常工作過(guò)程中，由于齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱以及軸承轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)溫度會(huì)變得很高；同時(shí)由于潤(rùn)滑油的冷卻作用，其溫度會(huì)保持平衡狀態(tài)。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中工作環(huán)境和工作參數(shù)不可能保持一成不變，這些變化會(huì)對(duì)齒輪的溫度產(chǎn)生明顯的影響，造成潤(rùn)滑油膜的破裂，使齒面磨損加劇，引起膠合；過(guò)高的溫度還會(huì)使齒輪、軸承和軸產(chǎn)生熱變形，造成齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力和工作穩(wěn)定性的下降。

在搖臂齒輪箱的高速區(qū)，傳動(dòng)副處于高速狀態(tài)，由于惡劣工況的使用要求以及齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑條件的惡化，在齒輪傳動(dòng)中致使嚙合齒面間的油膜破裂，齒輪齒面在一定的壓力作用下直接接觸，其故障主要表現(xiàn)為齒輪齒面的磨損、點(diǎn)蝕、膠合和擦傷等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒面接觸部位“焊合”后又繼續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得金屬?gòu)凝X面上撕落，或從一個(gè)齒面向另一個(gè)齒面轉(zhuǎn)移而引起損傷。高速區(qū)故障容易引起齒輪副的強(qiáng)烈振動(dòng)及異常噪聲，進(jìn)而產(chǎn)生過(guò)熱引發(fā)軸承故障，若不能被及時(shí)檢測(cè)，往往需要更換齒輪以及相關(guān)的所有軸承，甚至出現(xiàn)安全事故。

低速區(qū)的齒輪副在工作中往往處于重載條件，其故障主要為兩級(jí)行星輪系故障，特別是二級(jí)行星輪斷齒、內(nèi)齒圈斷齒故障以及搖臂齒輪箱大軸承故障。該部位的齒輪系由于受到巨大的沖擊或者長(zhǎng)期過(guò)載，容易導(dǎo)致行星輪的內(nèi)齒圈疲勞點(diǎn)蝕、裂紋，甚至引起斷齒，同樣地，該工作條件下軸承故障主要表現(xiàn)為磨損、剝落等。對(duì)于浮動(dòng)密封故障引起的直接表現(xiàn)為漏油，但是其間接影響可導(dǎo)致齒面間接觸點(diǎn)局部溫度升高，油膜及其它表面膜破裂，表層金屬熔合而后又撕裂形成熱膠合損傷，形成傳動(dòng)副之間嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲。

1.3 齒輪箱結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于JOY 采煤機(jī)，其截割部采用鉸接式搖臂結(jié)構(gòu)，截割電動(dòng)機(jī)采用橫向布置[4]。整個(gè)截割部采用連接板通過(guò)銷軸鉸接的方式與采煤機(jī)機(jī)架聯(lián)接，截割部滾筒的位置可通過(guò)液壓調(diào)高油缸進(jìn)行調(diào)整，能夠適應(yīng)綜采工作面的煤層高度變化及生產(chǎn)需要。搖臂齒輪箱的爆炸結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，圖中可以看出，齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)是由兩級(jí)直齒圓柱齒輪和兩級(jí)行星齒輪部分組成，輸出端浮動(dòng)密封用來(lái)防止搖臂齒輪箱漏油以及滾筒噴霧水及煤、粉塵進(jìn)入齒輪箱。

圖2 搖臂齒輪箱爆炸圖

搖臂齒輪箱中共有14 個(gè)齒輪參與減速傳動(dòng)，為四級(jí)減速，其中，第二級(jí)減速包括6 個(gè)圓柱直齒齒輪，二級(jí)行星輪系與一級(jí)基本結(jié)構(gòu)一致，太陽(yáng)輪同時(shí)與行星架上3 個(gè)行星輪相嚙合，當(dāng)3 個(gè)行星輪載荷分布不均勻時(shí)，可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)3 個(gè)行星輪，使其共同分擔(dān)載荷。行星輪的自由調(diào)節(jié)得益于太陽(yáng)輪的支承為浮動(dòng)狀態(tài)。

2 搖臂齒輪箱故障分析

2.1 齒輪故障分析機(jī)理

文中對(duì)于搖臂齒輪箱的故障檢測(cè)基于振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，因此，將齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)可以看作是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括齒輪副、軸、軸承、箱體以及與齒輪傳動(dòng)相關(guān)的聯(lián)軸器、原動(dòng)機(jī)和負(fù)載等，在理論上要建立起數(shù)學(xué)模型是非常困難的。本文針對(duì)齒輪及齒輪箱故障的關(guān)鍵因素，將齒輪傳動(dòng)副進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，建立齒輪嚙合振動(dòng)示意圖如圖3 所示。

圖3 齒輪嚙合振動(dòng)示意圖

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)學(xué)理論可知，齒輪副作為激振系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：

式中，x 為沿嚙合線上齒輪相對(duì)位移，M 為當(dāng)量質(zhì)量，C 為齒輪副嚙合阻尼，k（t）為嚙合剛度，F(xiàn)（t）為外界激勵(lì)。其中，外界沖擊激勵(lì)F（t）主要指齒輪嚙合振動(dòng)及齒輪箱因故障缺陷產(chǎn)生的激勵(lì)沖擊，其變化受齒輪嚙合剛度、齒面摩擦力方向和傳動(dòng)誤差變化的綜合影響。在潤(rùn)滑狀態(tài)良好以及齒面粗糙度較低的情況下，齒面摩擦力的變化對(duì)嚙合振動(dòng)的影響較小，通?？梢院雎圆蛔骺紤]，重點(diǎn)考慮齒輪嚙合剛度和故障函數(shù)，從而式（1）可以表示為：

式中，E1為齒輪受載后的平均靜彈性變形，E2為齒輪誤差和故障造成的兩個(gè)輪齒間的相對(duì)位移。故障函數(shù)k（t）E1表示齒輪正常狀態(tài)工作時(shí)的常規(guī)振動(dòng)，k（t）E2表示齒輪缺陷時(shí)引起的異常振動(dòng)。

2.2 齒輪失效分析

齒輪在工作過(guò)程中由于受到齒面間滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦以及齒輪變形引起的摩擦三方面因素的影響，使齒輪的溫度升高，其中齒面間的滾動(dòng)摩擦和齒輪變形引起的摩擦所占的比重很小，可以忽略不計(jì)，因此主要考慮滑動(dòng)摩，同時(shí)齒輪由于潤(rùn)滑油的冷卻作用和環(huán)境溫度的影響，使齒輪溫度在正常工作過(guò)程中基本保持平衡狀態(tài)。

在搖臂齒輪箱中，齒輪的失效形式又隨著齒輪材料、熱處理、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的不同而改變[5]，占整個(gè)齒輪箱零部件失效的一半以上，因此，齒輪失效形式的研究對(duì)于齒輪箱的故障診斷有著非常重要的意義。由于齒輪制造時(shí)可能存在誤差、裝配工藝不當(dāng)或操作維護(hù)不到位，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種形式的失效，包括齒輪齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、斷齒等。

齒輪在嚙合過(guò)程中，輪齒嚙合接觸表面出現(xiàn)的材料摩擦損傷的現(xiàn)象稱為齒面磨損，根據(jù)磨損性質(zhì)的不同可以分為磨料磨損和腐蝕磨損兩大類，在齒輪嚙合過(guò)程中，若潤(rùn)滑油供應(yīng)不足、油質(zhì)變異或者外來(lái)的金屬或非金屬小顆粒出現(xiàn)在齒輪嚙合表面，將直接導(dǎo)致齒面發(fā)生強(qiáng)烈的磨粒磨損；磨粒磨損的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)使齒輪齒形改變，側(cè)隙加大，引起振動(dòng)噪聲增大，齒厚減薄，腐蝕磨損以化學(xué)腐蝕作用為主要特征，并伴有機(jī)械磨損的一種損傷形式，潤(rùn)滑油中的活性成分(酸、水分等)和齒輪材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成齒輪腐蝕磨損。嚴(yán)重的齒面磨損會(huì)導(dǎo)致輪齒粗糙度和嚙合偏差增大，引起傳動(dòng)副之間較大的振動(dòng)與噪聲，并降低齒輪的動(dòng)力傳動(dòng)效率，甚至因齒厚變薄導(dǎo)致齒輪強(qiáng)度下降，造成齒斷。

齒輪在嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，其根部受到脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力作用，當(dāng)這種周期性的應(yīng)力過(guò)高，或其它原因使齒輪強(qiáng)度降低，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，或是在齒輪嚙合過(guò)程中受到嚴(yán)重沖擊過(guò)載時(shí)，也會(huì)引起齒根裂紋，當(dāng)其它部分無(wú)法承擔(dān)外載荷時(shí)，齒輪將發(fā)生嚴(yán)重故障斷齒齒輪在嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，輪齒相當(dāng)于懸臂梁，其根部受到交變應(yīng)力作用最大，當(dāng)周期性的交變應(yīng)力超過(guò)齒輪材料本身的疲勞極限時(shí)，輪齒的根部會(huì)產(chǎn)生裂紋，直接影響著齒輪的承載能力和齒輪的使用壽命。搖臂齒輪箱在故障檢測(cè)時(shí)，首先需要針對(duì)齒輪的工作條件，進(jìn)行強(qiáng)度的校核與計(jì)算，文中對(duì)于齒輪的強(qiáng)度校核條件，以計(jì)算接觸應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)當(dāng)小于許用接觸應(yīng)力，可表示為：

式中，σH為計(jì)算接觸應(yīng)力，σHP為許用接觸應(yīng)力，其中，計(jì)算接觸應(yīng)力σH可表示為：

式中，F(xiàn)t為中點(diǎn)分度圓上的切向力，KA為使用系數(shù)，KV為動(dòng)載系數(shù)。

3 搖臂齒輪箱振動(dòng)信號(hào)頻譜診斷

3.1 齒輪振動(dòng)信號(hào)調(diào)制

在采煤機(jī)搖臂齒輪箱中，嚙合的齒輪副往往以單、雙齒嚙合交替的形式變化，導(dǎo)致在齒輪副中形成周期性的激振力，導(dǎo)致傳動(dòng)副的振動(dòng)，文中所采用的振動(dòng)信號(hào)診斷方法正是基于該特征，可根據(jù)不同的振動(dòng)信號(hào)調(diào)制預(yù)測(cè)和診斷出不同的故障模式。其中，嚙合頻率及諧頻成分可表示為：

式中，m 為諧波數(shù)，Am為諧波幅值，fZ為嚙合頻率，φm為諧波相位，N 為嚙合頻率的最大諧波數(shù)。當(dāng)齒輪或齒輪箱軸承、軸等部件出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)對(duì)應(yīng)著出現(xiàn)不同的沖擊特性，進(jìn)而出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)信號(hào)調(diào)制現(xiàn)象，比如，低頻信號(hào)特征量控制高頻信號(hào)相應(yīng)特征量。在齒輪的振動(dòng)信號(hào)調(diào)制中，常見(jiàn)到在嚙合頻率或其諧波頻率兩存在一些間距的復(fù)雜頻率成分，這些頻率成分稱作邊頻帶，其反映了振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制特征。邊頻的增多在某種程度上揭示了齒輪箱故障的發(fā)生，邊頻的距離反映故障的來(lái)源，其幅值反映了故障的嚴(yán)重程度。因此，對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)的調(diào)制現(xiàn)象進(jìn)行分析，有效地區(qū)分不同的調(diào)制型故障的振動(dòng)特征，對(duì)邊頻帶特征的識(shí)別程度，在很大程度上就決定了齒輪故障診斷的成敗。

3.2 齒面磨損診斷

當(dāng)出現(xiàn)齒面的均勻磨損故障時(shí)，由于無(wú)沖擊振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，所以不會(huì)出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。但是當(dāng)磨損發(fā)展到一定程度時(shí)，嚙合頻率及其諧波幅值明顯增大，而且階數(shù)越高，諧波增大的幅度越大，同時(shí)振動(dòng)能量的幅度也大大增加。當(dāng)磨損較為嚴(yán)重時(shí)，二次諧波的幅值會(huì)超過(guò)嚙合頻率的幅值。此外，齒面磨損等均勻分布缺陷相當(dāng)于調(diào)制信號(hào)為包絡(luò)線較寬的脈沖，它在頻域中表現(xiàn)為在嚙合頻率及其諧波成分兩邊產(chǎn)生幅值較大、起伏較大、分布較窄的邊頻，如圖4 所示。

圖4 齒面磨損檢測(cè)

圖5 斷齒檢測(cè)

3.3 斷齒診斷

當(dāng)出現(xiàn)斷齒故障時(shí)，時(shí)域表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動(dòng)，周期等于有斷齒軸的旋轉(zhuǎn)周期。與此同時(shí)，在頻域里，在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)間隔為斷齒軸轉(zhuǎn)頻的邊頻帶；邊頻帶一般數(shù)量多、幅值較大、分布較寬，譜線較為明顯。解調(diào)譜中常出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻及其高次諧波，甚至出現(xiàn)10 階以上。同時(shí)由于瞬態(tài)沖擊能量大，時(shí)常激勵(lì)起固有頻率，產(chǎn)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。

振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)時(shí)，斷齒的主要特征為：以齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶寬而高，解調(diào)譜出現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻和多次高階諧波，以齒輪各階固有頻率為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制，調(diào)制邊頻帶寬而高，解調(diào)譜出現(xiàn)所在軸的轉(zhuǎn)頻和多次高階諧波，如圖5 所示。

3.4 箱體共振

當(dāng)齒輪、軸承或軸出現(xiàn)故障時(shí)，齒輪箱振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出不同程度的調(diào)制現(xiàn)象，表現(xiàn)在頻譜圖上出現(xiàn)形式各異的調(diào)制邊頻帶，根據(jù)齒輪箱故障形式及故障程度的不同，總體共振的特征有：以齒輪嚙合頻率及其高次諧振波為載波頻率，齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率的齒輪嚙合調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶；以齒輪固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波頻率為調(diào)制頻率的固有頻率共振調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶；以齒輪箱體固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波頻率為調(diào)制頻率的箱體共振調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶。

4 結(jié)語(yǔ)

搖臂齒輪箱在采煤機(jī)中屬于易損壞部件，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)與維修對(duì)于保證高效綜采生產(chǎn)重要前提條件，齒輪制造時(shí)可能存在誤差、裝配工藝不當(dāng)或操作維護(hù)不到位，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種形式的失效，包括齒輪齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、斷齒等。文中對(duì)搖臂齒輪箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，基于振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)并通過(guò)信號(hào)的頻譜診斷對(duì)齒輪箱中常見(jiàn)的各種故障診斷進(jìn)行了分析，包括齒面磨損、輪齒斷裂以及箱體共振等故障。由于嚙合頻率或其諧波頻率兩存在一些間距的復(fù)雜變頻，其反映了振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制特征，并在一定程度上表現(xiàn)了齒輪箱故障的發(fā)生來(lái)源，其幅值反映了故障的嚴(yán)重程度，該研究方法與方向具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。

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