基于平移多小波診斷礦用皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障研究

冀 杰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西晉中 030600）

0 引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)是煤礦井下大型運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備的傳動構(gòu)件，齒輪系統(tǒng)性能狀態(tài)直接決定了皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，若發(fā)生故障將嚴(yán)重影響礦井運(yùn)輸環(huán)節(jié)，進(jìn)而給礦井生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)損失。平移多小波理論[1]在其他領(lǐng)域已經(jīng)試驗(yàn)成功，并已運(yùn)用到工程實(shí)踐中。為此，本文借鑒其他領(lǐng)域的成果，在判斷礦井皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障運(yùn)用平移多小波來進(jìn)行診斷[2]。皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中齒輪結(jié)構(gòu)常常發(fā)生斷齒、點(diǎn)蝕、磨損等故障，為了找出齒輪故障位置、故障類型以及危害程度，在井下工作條件下，采取停機(jī)檢查，但由于僅憑檢修人員經(jīng)驗(yàn)或者肉眼觀察，容易出現(xiàn)誤判，反而會耽誤皮帶機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)輸。為了精準(zhǔn)判斷、分析皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障，采用現(xiàn)代技術(shù)的平移多小波[3]為分析工具，針對井下皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，從而有效評判出齒輪故障類型、原因、位置，及時為維修人員提供幫助，避免皮帶機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生事故。希望通過利用平移多小波技術(shù)對皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障成果診斷，以解決煤礦機(jī)械設(shè)備故障評判難題，確保礦井安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)輸。

1 齒輪系統(tǒng)故障類型

礦用皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)常見的齒輪故障類型主要有以下幾類。

（1）斷齒。在皮帶機(jī)運(yùn)輸中齒輪受到載荷作用，其根部會承受脈沖循環(huán)彎曲應(yīng)力作用，齒輪根部材料極限無法應(yīng)對周期性的應(yīng)力時，根部出現(xiàn)裂紋。隨著運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)行，裂紋逐漸擴(kuò)大，一旦傳動載荷超過齒輪剩余根部，承受極限就會出現(xiàn)斷齒。

圖1 皮帶機(jī)齒輪斷齒

（2）齒面磨損。若在齒面添加的潤滑油中夾有雜物等硬性物質(zhì)，在齒輪嚙合過程中，雜物會造成齒面磨損。

（3）齒面膠合。當(dāng)皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)處于高溫高熱、重載荷和高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，潤滑油補(bǔ)充不及時或者出現(xiàn)潤滑效果不好等情況，齒輪與齒輪之間強(qiáng)制磨合，造成一個齒面與另一個齒面熔焊，形成劃傷狀膠合。

（4）點(diǎn)蝕。皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)在工作中，齒輪間既會發(fā)生相對滑動，也會發(fā)生相對滾動，在摩擦力作用下產(chǎn)生脈動載荷。齒輪表面受到外物載荷和脈動載荷影響，齒輪表面內(nèi)部會形成周期性剪應(yīng)力，剪應(yīng)力一旦超過齒輪自身結(jié)構(gòu)的疲勞極限，致使齒面小金屬脫落，齒面上就會突顯凹凸不平的小坑，這被稱之為疲勞點(diǎn)蝕。

為了確保皮帶機(jī)不受齒輪系統(tǒng)影響，采用平移多小波理論對斷齒、磨損、膠合、點(diǎn)蝕等齒輪故障進(jìn)行診斷，進(jìn)一步降低生產(chǎn)運(yùn)輸風(fēng)險，為維修提供支持。

2 平移多小波故障診斷

通過平移多小波發(fā)生器，對需要診斷的齒輪進(jìn)行檢測。利用平移多小波技術(shù)提取沖擊信號，通過儀器上波形圖與無故障的波形圖進(jìn)行對比，分析周期沖擊特征，在儀器和控制中心處理后，就可以判斷出齒輪系統(tǒng)故障類型、原因、位置等[4～5]。平移多小波發(fā)生器采集的波形如圖2所示，其中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示振幅。

圖2 利用平移多小波技術(shù)對齒輪診斷的波形圖

平移多小波發(fā)生器通過發(fā)射小波對皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行采樣，提取波形特征信號，礦用皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)的故障特征信號作為即將檢測的樣本信息，然后對其處理。待檢測信號利用控制中心預(yù)估、評判、分析，就得到了故障波形圖，與正常波形圖對比，從而得出齒輪系統(tǒng)故障類型、位置。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 基本情況

某礦井主斜井擔(dān)負(fù)著整個礦井的煤炭運(yùn)輸，若齒輪系統(tǒng)發(fā)生故障將嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)效益。為此，為了驗(yàn)證平移多小波的診斷齒輪系統(tǒng)故障的適用性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所采用的皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)中既有正常齒輪，又有故障齒輪。實(shí)驗(yàn)室模擬所用器材如圖3所示，實(shí)驗(yàn)皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)中間軸上有故障齒輪。為控制變量，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為固定值，第二級齒輪嚙合頻率設(shè)定為130 Hz；中間軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為2.5 Hz；齒輪結(jié)構(gòu)的輸出軸旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為0.5 Hz。

圖3 診斷齒輪結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)臺

為了驗(yàn)證平移多小波診斷皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)故障的效果，把齒輪故障進(jìn)行組合得到不同類型、不同位置、不同原因的故障，在實(shí)驗(yàn)中將正常運(yùn)行齒輪的波形作為標(biāo)準(zhǔn)的參考值。在實(shí)驗(yàn)中，利用平移多小波發(fā)生器采集了診斷信號，并對該波形信號進(jìn)行識別和診斷。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)平移多小波診斷原理，利用概率論對獲取的波動信號進(jìn)行參數(shù)估計，提取波形特征信號。利用控制中心預(yù)估、評判、分析，就得到了故障波形圖，與正常波形圖對比，從而得出齒輪系統(tǒng)故障類型、位置。實(shí)驗(yàn)中利用平移多小波技術(shù)診斷皮帶機(jī)齒輪故障幅值譜和包絡(luò)譜如圖4所示。

圖4 利用平移多小波診斷皮帶機(jī)齒輪故障結(jié)果

由圖4可知，儀器對小波分解后選取重構(gòu)逼近信號，利用平移多小波技術(shù)對特征信號進(jìn)行提取[6]。根據(jù)診斷齒輪的幅值譜明顯看出頻率為133.7 Hz最為突出，與第二級的齒輪嚙合頻率130 Hz基本接近，說明平移多小波技術(shù)能夠準(zhǔn)確評判出齒輪嚙合狀況。對儀器提取的特征波形信號進(jìn)行包絡(luò)譜調(diào)質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)包絡(luò)譜中的調(diào)質(zhì)頻率有0.55 Hz、7.02 Hz、14.05 Hz、21.13 Hz、28.15 Hz等信號成分，0.55 Hz頻率正好與齒輪系統(tǒng)輸出軸的旋轉(zhuǎn)頻率接近，而其他信號成分均大于中間軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)頻率。通過分析可以初步判定中間軸上的齒輪為故障齒輪，與實(shí)驗(yàn)初期設(shè)定結(jié)果相符。

3.3 工程試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確認(rèn)平移多小波診斷齒輪故障準(zhǔn)確率，對某礦的主斜井皮帶運(yùn)輸機(jī)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。采用平移多小波對皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行診斷，提取有效特征信號，對提取的齒輪特征頻率采用幅值譜和包絡(luò)譜進(jìn)行分析，通過對比正常齒輪波形頻譜圖，進(jìn)而確定出了齒輪故障[7-8]。利用平移多小波診斷齒輪系統(tǒng)故障的波形頻譜如圖5所示。

圖5 診斷結(jié)果

從圖5診斷結(jié)果看出，周期性脈沖信號時強(qiáng)時弱、交替出現(xiàn)，如圖中的沖擊波形I1和I2。I1波出現(xiàn)大沖擊波形，說明故障嚴(yán)重，儀器顯示該齒輪發(fā)生了斷齒，主要原因是受瞬時沖擊載荷造成；圖中標(biāo)注處的I2是微小沖擊波形，表明該處為齒面膠合，由缺少潤滑油引起。停止皮帶機(jī)運(yùn)輸，對其齒輪結(jié)構(gòu)檢查，發(fā)現(xiàn)大齒輪斷掉了1個齒，而在大齒輪和小齒輪嚙合面上有相互膠合損傷，斷齒與膠合損傷相間約1/4圓周距離。

利用實(shí)驗(yàn)對樣本測試結(jié)果表明，平移多小波診斷皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)故障準(zhǔn)確度高達(dá)99.7%，說明該方法可行有效，良好地解決了煤礦困擾多時的皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)故障難題。平移多小波診斷礦用皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)故障，可行性高、技術(shù)先進(jìn)，能夠?yàn)榫S修人員對皮帶機(jī)故障查找提供精準(zhǔn)的類別、位置，降低維修人員的勞動強(qiáng)度、減少工作量，有效避免了因皮帶機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)故障造成的安全事故，為礦井高效率生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

為了精準(zhǔn)判斷礦井皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障，減小維修難度，論文基于平移多小波診斷齒輪系統(tǒng)故障研究，分別從3個方面進(jìn)行了分析、探討。

（1）礦井皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)在工作過程中主要有斷齒、膠合、磨損、點(diǎn)蝕等故障，受工作環(huán)境限制，人工診斷齒輪故障難度高。

（2）平移多小波在發(fā)生器中對采集的特征信號進(jìn)行分析、評判處理，與正常齒輪波形對比，綜合確定齒輪系統(tǒng)故障類型、位置和原因。

（3）為了驗(yàn)證平移多小波的實(shí)用性，分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，利用平移多小波診斷皮帶機(jī)齒輪系統(tǒng)故障準(zhǔn)確性高、可行性強(qiáng)，能夠?yàn)榫S修人員提供有效幫助，也為礦井皮帶運(yùn)輸機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)於嘶A(chǔ)。