質(zhì)量偏心故障下采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性*

李軍

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電公司,山西 呂梁 033100)

采煤機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中“兩機(jī)一架”的關(guān)鍵設(shè)備,對(duì)煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展和采煤效率的提高至關(guān)重要,搖臂齒輪傳動(dòng)作為采煤機(jī)的關(guān)鍵部件,其主要功能是將采煤機(jī)的動(dòng)力傳遞至截割滾筒,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的開采[1-3].采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)一方面由于工作環(huán)境惡劣,工作過程中經(jīng)常受到外部較為激烈的載荷沖擊,另一方面齒輪內(nèi)部傳動(dòng)誤差及嚙合剛度等因素會(huì)形成系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì),加劇搖臂齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng),增大系統(tǒng)發(fā)生故障的概率,經(jīng)常會(huì)造成齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡、幾何偏差、斷齒等故障[4,5],特別是在齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響.

為了提高采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性,降低系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率,本文對(duì)采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪存在質(zhì)量偏心故障下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷提供依據(jù).

1 搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)

2 搖臂齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建立

2.1 裝配模型的建立

根據(jù)采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)中各齒輪的參數(shù),應(yīng)用UG中的齒輪工具箱進(jìn)行參數(shù)化建模.在齒輪工具箱中選擇漸開線圓柱齒輪,通過輸入齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、壓力角等參數(shù)形成齒輪三維模型.其他軸類零件通過繪制草圖、特征操作、布爾操作實(shí)現(xiàn)模型的建立,并在UG裝配環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各零件的組裝.

2.2 動(dòng)力學(xué)模型建立

ADAMS虛擬樣機(jī)分析軟件對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)中復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[6].將UG裝配模型導(dǎo)入ADAMS/view環(huán)境中建立動(dòng)力學(xué)模型,通過施加旋轉(zhuǎn)副和固定副給模型添加約束.2級(jí)定軸傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪Z1～Z6分別施加相對(duì)于地面的旋轉(zhuǎn)副,2K-H型行星齒輪傳動(dòng)中各行星齒輪添加相對(duì)于行星架的旋轉(zhuǎn)副,內(nèi)齒圈添加相對(duì)于地面的固定副,行星架添加相對(duì)于地面的旋轉(zhuǎn)副,組建的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示.

圖2 搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)模型

2.3 齒輪副接觸力的參數(shù)計(jì)算

在仿真分析中將齒輪副的嚙合力用接觸力代替,通過碰撞函數(shù)接觸算法對(duì)接觸力進(jìn)行計(jì)算,接觸力F為[7]

(1)

式中:K為接觸剛度,N/mm;x為齒間距離,mm;e為碰撞指數(shù),金屬材料一般取值1.5;Fs為階躍函數(shù);Cmax為最大穿透深度時(shí)阻尼系數(shù),(N·sec)/mm;dmax為最大阻尼時(shí)穿透深度,取值0.1.

假設(shè)各嚙合齒輪各向同性且材質(zhì)均勻,根據(jù)文獻(xiàn)[8]可以得出接觸剛度為

(2)

式中:ρ為綜合曲率半徑,mm;E*為綜合彈性模量,MPa.且

(3)

式中:R1,R2為相互嚙合兩齒輪的當(dāng)量半徑,mm.計(jì)算過程中可以用齒輪分度圓半徑近似代替.

(4)

式中:E1,E2為相互嚙合兩齒輪的彈性模量,本文計(jì)算時(shí)取E1=E2=2.07×105MPa;v1,v2為相互嚙合兩齒輪的泊松比,取值0.29.

根據(jù)式(2)～式(4),對(duì)各齒輪副接觸剛度和阻尼進(jìn)行計(jì)算,具體數(shù)值如表1所示.

表1 各齒輪副接觸剛度和阻尼

3 仿真分析

3.1 質(zhì)量偏心故障邊界條件計(jì)算

由于質(zhì)量偏心造成的離心力會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng),并且該振動(dòng)為垂直方向的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),根據(jù)牛頓第二定律得[9]

Mx″+Cx′+Kx=me1ω2sinωt.

(5)

式中:M為系統(tǒng)質(zhì)量,kg;C為系統(tǒng)阻尼系數(shù);K為接觸剛度;ω為旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;m為旋轉(zhuǎn)體的偏心質(zhì)量,kg;e1為偏心距,m.

本文選擇高速齒輪Z2分別存在偏心質(zhì)量為0.00,0.05,0.10 kg三種情況進(jìn)行仿真分析,計(jì)算時(shí)偏心距e1=0.01 m,轉(zhuǎn)頻f=21.755 Hz,ω=2πf=2×3.14×21.755=136.62 rad/s,由式(5)可得三種不同情況下的離心力分別為F1=0 N,F2=9 33sin136.62tN,F3=18.67sin136.62tN.

3.2 仿真結(jié)果分析

圖3為齒輪Z2在沒有故障狀態(tài)下的時(shí)域圖和頻域圖.從圖3a可以看出:0.1 s后齒輪系統(tǒng)啟動(dòng)完成并進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段,且平穩(wěn)運(yùn)行階段振動(dòng)較為明顯,這是由于齒輪電機(jī)輸入的加速度造成的振動(dòng);從圖3b角加速度的頻域圖可以看出,其幅值最大處發(fā)生在頻率為739.6 Hz時(shí),該頻率與一級(jí)嚙合頻率739.8 Hz非常接近,最大幅值為79.26 rad/s2,其次是一級(jí)齒輪嚙合頻率的2倍頻1 480 Hz處出現(xiàn)較大幅值,角加速度幅值約為52.93 rad/s2.

圖4為齒輪Z2存在0.05 kg質(zhì)量偏心故障下的時(shí)域圖和頻域圖.從圖4a可以看出:在0.0～0.1 s啟動(dòng)階段出現(xiàn)了振動(dòng)幅值最大值,由此可見質(zhì)量偏心故障對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)階段影響較大;從圖4b角加速度的頻域圖可以看出,幅值最大處發(fā)生在一級(jí)傳動(dòng)嚙合頻率739.8 Hz周圍,幅值達(dá)到845.6 rad/s2,二級(jí)嚙合頻率360.3 Hz處,幅值為789.9 rad/s2.

圖3 齒輪無故障下的時(shí)域圖和頻域圖

圖4 質(zhì)量偏心為0.05 kg故障下的時(shí)域圖和頻域圖

圖5為齒輪Z2存在0.10 kg質(zhì)量偏心故障下的時(shí)域圖和頻域圖.從圖5a可以看出:在0.0～0.1 s啟動(dòng)階段也出現(xiàn)了振動(dòng)幅值最大值,且角加速度幅值比質(zhì)量偏心為0.05 kg時(shí)明顯增大;從圖5b角加速度的頻域圖可以看出,幅值最大處發(fā)生在一級(jí)傳動(dòng)嚙合頻率739.8 Hz周圍,幅值達(dá)到913 rad/s2,其次是二級(jí)嚙合頻率360.3 Hz處,幅值為629.8 rad/s2.

圖5 質(zhì)量偏心為0.10 kg故障下的時(shí)域圖和頻域圖

綜上分析可以看出:隨著質(zhì)量偏心的增加,在低頻處轉(zhuǎn)頻的幅值急劇增加,無故障時(shí)其振動(dòng)幅值沒有明顯顯示;質(zhì)量偏心為0.05 kg故障時(shí),振動(dòng)幅值為131.4 rad/s2;質(zhì)量偏心為0.10 kg 故障時(shí),振動(dòng)幅值為292.6 rad/s2.同時(shí),在偏心質(zhì)量逐漸增大的過程中,嚙合頻率兩側(cè)的邊頻幅值和密度都逐漸增大.

4 結(jié)論

1)質(zhì)量偏心故障對(duì)搖臂齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)階段具有重要影響,并且質(zhì)量偏心越大,系統(tǒng)啟動(dòng)階段角加速度幅值增大越明顯,對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止的影響越大.

2)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后,質(zhì)量偏心越大,系統(tǒng)運(yùn)行的周期性越明顯,振動(dòng)也越激烈.

3)隨著質(zhì)量偏心故障加重,一級(jí)傳動(dòng)嚙合頻率對(duì)系統(tǒng)的影響加大,并且偏心質(zhì)量越大,角加速度幅值越大,振動(dòng)響應(yīng)也越激烈,但是二級(jí)傳動(dòng)嚙合頻率對(duì)故障齒輪角加速度的影響卻逐漸減小.