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(zé)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(gòu)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?shù)娜蝿?wù)，但齒輪箱發(fā)生故障的概率較高［1-2］。據(jù)各大礦井采煤機不同部件事故率的統(tǒng)計結(jié)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(wěn)定性的狀態(tài)進行監(jiān)測，但該方法操作較為繁瑣，監(jiān)測結(jié)果受人為影響的成分較大，且監(jiān)測時間較長，無法快速精確判定齒輪箱的工作狀態(tài)［3］。近些年來我國礦井生產(chǎn)中采煤機運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷水平得到了較快的發(fā)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(jiān)測研究，為礦井工作面的正常開采提供一定的指導(dǎo)。

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(yè)的模擬，從而測試齒輪箱的運行穩(wěn)定性狀況。主要依據(jù)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(wěn)定性情況。加載實驗臺組成構(gòu)件主要包括負載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、供電柜、控制系統(tǒng)以及拖動系統(tǒng)等。信號接收流程為：電網(wǎng)輸出的能量可通過變壓器輸送到齒輪箱以及調(diào)壓器，然后相關(guān)的負載電機會運行發(fā)電、輸出電能，再通過負載變頻器可反饋到整個系統(tǒng)的電網(wǎng)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(yōu)的測試位置，故將測試部位設(shè)置在軸承座附近，這是因為軸承座附近可以體現(xiàn)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(jié)果，需要先對實驗臺的固有頻率進行測試，通過matlab數(shù)據(jù)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(cè)較近的位置出現(xiàn)了較為對稱的峰值點，但峰值強度極低，說明周圍測試環(huán)境對測試本身的影響很小。

2 齒輪箱齒輪故障的測試結(jié)果

齒輪是齒輪箱傳動的主要構(gòu)件，當(dāng)采煤機搖臂齒輪箱內(nèi)齒輪發(fā)生故障時，采集到的頻率變化顯著，當(dāng)輸入軸的轉(zhuǎn)速達到1490 rad/min時，該位置齒輪穩(wěn)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(zhuǎn)動頻率和高次諧波為調(diào)制頻率的固有頻率調(diào)制而形成的變頻帶，頻率調(diào)制顯現(xiàn)現(xiàn)象較為顯著，圖6顯示了齒輪的包絡(luò)譜圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，齒輪箱齒輪由于疲勞發(fā)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(luò)譜

在齒輪箱齒輪傳動過程中，當(dāng)齒輪端部漸開時會發(fā)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(fā)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(yīng)力集中，不利于采煤機工作穩(wěn)定性的進行。當(dāng)齒輪發(fā)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(fā)生磨損時的工作穩(wěn)定性要高于齒輪發(fā)生剝落時的工作穩(wěn)定性。該狀態(tài)下的頻率頻譜見圖8，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，與齒輪發(fā)生剝落狀態(tài)相比，該狀態(tài)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(dāng)齒輪發(fā)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(fā)生磨損時只表現(xiàn)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(xiàn)場測試

上文對采煤機搖臂齒輪箱齒輪發(fā)生故障時進行了振動研究，采煤機在實際的工作環(huán)境中受到礦井粉塵、水體以及頂?shù)装鍡l件的影響較大，條件較為惡劣?？紤]到現(xiàn)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(jié)果，其中某一天的鐵譜見圖9。.

圖9 油樣的鐵譜測試結(jié)果

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，鐵譜圖中存在較多的粒徑不等的氧化物和層狀結(jié)構(gòu)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(nèi)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(wěn)定，在42°～52°之間變化，變化幅度較小，說明齒輪箱運行穩(wěn)定。

圖10 潤滑油溫度變化趨勢

圖11測點布置

圖12 共振解調(diào)頻譜

從圖12中可以看出，在高速區(qū)齒輪運行正常，穩(wěn)定性較高；而在低速區(qū)的共振解調(diào)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(qū)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(qū)進行重點監(jiān)控。

4 結(jié)語

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