采煤機齒輪箱異響原因探討及處理*

章立強，王振乾

(1.中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030；2.天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

電牽引滾筒采煤機左右截割傳動部、左右牽引行走部各自由三相異步電動機驅(qū)動，經(jīng)各自齒輪減速箱減速后分別提供截割和牽引動力以實現(xiàn)采煤機割煤、裝煤和行走。采煤機截割和牽引齒輪減速箱與常規(guī)齒輪箱的結(jié)構(gòu)類似，如圖1和圖2所示。采煤機齒輪箱在工作中一旦出現(xiàn)故障停車，會嚴重影響生產(chǎn)。異響和振動是齒輪箱發(fā)生故障的前兆，隱患的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處理對降低設(shè)備故障率和減少故障損失具有重要意義。受工作環(huán)境、安裝空間等因素的影響，其他行業(yè)會運用成熟的基于振動監(jiān)測的齒輪箱故障監(jiān)測系統(tǒng)[1-2],而在采煤機行業(yè)中運用較少。雖然業(yè)內(nèi)開始在部分應(yīng)用中對采煤機齒輪箱的振動檢測等做了一些嘗試[6-8]，但受環(huán)境因素影響，未取得預(yù)期效果。另外，當(dāng)井下出現(xiàn)故障時需要立即做出判斷并維修。而基于“振動分析法”、“信號分析法”等處理方法[3-5]，目前需要將相關(guān)數(shù)據(jù)傳到地面，再由地面數(shù)據(jù)中心最終將數(shù)據(jù)傳送到專業(yè)數(shù)據(jù)處理的廠家分析判斷,流程較長。所以現(xiàn)場通過人工監(jiān)測采煤機齒輪箱的運行情況仍是主要手段，通過溫度和聲音兩個指標(biāo)判斷齒輪箱是否健康運行。溫度指標(biāo)可以通過溫度計直接測量，而傳動聲音是否正常則需要運維人員憑借經(jīng)驗判斷。本文基于齒輪、軸承及箱體軸孔誤差等產(chǎn)生振動聲響的特點，分析采煤機齒輪箱的異響原因及提出處理方法。

圖1 截割傳動部齒輪箱

圖2 牽引行走部齒輪箱

1 齒輪箱異響的類型

對于采煤機截割傳動部和牽引行走部的齒輪箱異響，維修人員可以通過聽音棒接觸相應(yīng)殼體的表面來聽診，這也是一種經(jīng)典的聽診方法[9]。常見的采煤機齒輪箱異響有敲擊聲、擠壓聲音、振動聲、摩擦聲、嘯叫聲等。

振動是所有機械齒輪傳動中最常見的一種現(xiàn)象，齒輪箱工作時會按一定的固有頻率出現(xiàn)均勻的敲擊聲，這種聲音頻率固定而清脆,但當(dāng)振動的幅度達到一定程度時就會發(fā)出異響。采煤機齒輪箱通常高速區(qū)的振動聲要高于低速區(qū)，在齒輪箱啟動時的高速區(qū)有時也會發(fā)出嘯叫聲。當(dāng)齒輪箱中齒輪嚙合時,某一對齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中會發(fā)出明顯的擠壓聲。此外齒輪箱運轉(zhuǎn)時發(fā)出的頻率明顯不同于齒輪嚙合頻率，通常由軸承發(fā)出。

2 齒輪箱異響原因

2.1 敲擊聲

一旦齒輪箱運轉(zhuǎn)時某處出現(xiàn)敲擊聲，基本可以判定是此處嚙合齒輪副中的一個齒輪本身缺陷。常見缺陷為齒輪齒面存在磕碰痕跡，如圖3所示。另外一種情況是這對齒輪副中的某一齒輪齒面銹蝕，且銹蝕較深無法徹底消除，如圖4所示。還有齒輪加工本身引起的齒輪缺陷也會引起敲擊聲，如輪齒端棱凸起、齒根大圓弧臺階磨痕和齒頂?shù)菇侨毕莸?，如圖5所示。以上各種缺陷均可以引起采煤機齒輪減速箱嚙合過程中齒輪周期性的敲擊聲。敲擊聲的特點是響聲頻率穩(wěn)定，一般為單向異響。

圖3 磕碰傷

圖4 銹蝕痕

圖5 齒頂?shù)菇?/p>

2.2 擠壓聲

由采煤機齒輪箱運轉(zhuǎn)過程中有時會出現(xiàn)某對齒輪副在旋轉(zhuǎn)過程中，一個齒輪對另一個齒輪有明顯的擠壓聲，聲音一般較悶。出現(xiàn)這種異響的原因是齒輪加工過程中相鄰周節(jié)變化過大，造成有一對齒輪嚙合時的齒側(cè)間隙偏小，嚙合到此位置時就會形成齒體對相應(yīng)齒槽的擠壓聲。出現(xiàn)這種聲音時可以在不帶載運行時確定異響位置后立即處理。如不處理，隨著循環(huán)次數(shù)的增多會形成明顯擠壓痕造成齒面損傷，最終導(dǎo)致齒面小面積剝落直至失效。

2.3 振動聲

采煤機齒輪箱在高速旋轉(zhuǎn)工況下，由于存在殼體本身孔系尺寸和中心距尺寸誤差、定位齒輪的軸徑誤差等，當(dāng)誤差累積到一定程度后就會產(chǎn)生較強的振動進而發(fā)出聲響。出現(xiàn)這種異響后，需具體查找殼體的哪個孔系和哪個齒輪軸的尺寸誤差較大，造成工作量巨大，大多數(shù)情況下需要借助三坐標(biāo)儀對故障件的形位公差進行全面復(fù)查。

2.4 摩擦聲

無論是采煤機截割傳動部齒輪減速箱，還是牽引行走部齒輪減速箱，在安裝軸(齒輪)時下部軸承的滾道會因不正當(dāng)?shù)妮S敲擊而受到損傷；另外，在端面間隙調(diào)整后的軸組回拉過程中，沖擊過大也會使上部軸承滾道受傷。當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)的異響聲是“嗡嗡”聲，頻率較快且明顯不符合齒輪嚙合頻率時，一般是軸承滾道損傷所導(dǎo)致。

2.5 嘯叫聲

采煤機齒輪箱的嘯叫聲多發(fā)生在高速端。排除電動機的聲音，嘯叫聲發(fā)生的主要原因是高速端軸承的游隙偏小，特別是和電動機直連的一軸軸承的游隙。齒輪箱高速端發(fā)熱較高，當(dāng)軸承游隙不足以滿足由于發(fā)熱而引起的軸系伸長量時，軸承滾子將頂住外圈；高速旋轉(zhuǎn)時會發(fā)出刺耳的嘯叫聲，很快會伴隨著發(fā)生嘯叫聲的軸承燒毀。這種嘯叫聲在高功率密度的減速箱中更多見。

3 齒輪箱異響的處理

3.1 齒輪敲擊、擠壓及振動聲的異響處理

采煤機齒輪箱異響一旦涉及到與齒輪有關(guān)，處理起來都比較困難。首先,可能引起異響的因素較多,殼體孔系與齒輪的加工精度和形位公差、裝配工藝及精度等受到的影響都較大。其次，采煤機截割傳動部齒輪箱直齒部分通常有7～8個軸系,行星頭部分通常有兩級行星機構(gòu)，采煤機牽引行走部齒輪箱通常有4個軸系和兩級行星機構(gòu)，較長的齒輪傳動鏈發(fā)生異響的位置由于箱體的共鳴聲較難確切定位。另外，齒輪箱運行后，敲擊聲、擠壓聲、振動聲不易區(qū)分且有時會相互作用和影響，如齒輪箱確實出現(xiàn)異響則必須處理。

以某采煤機截割傳動部齒輪箱異響實況為例，其齒輪傳動示意圖如圖6所示。一軸齒輪和電動機通過花鍵連接，二軸為惰輪組件，三軸和四軸為包含軸齒輪的過渡雙齒輪組，五軸和六軸為惰輪組件，最終動力傳遞到七軸組件后傳遞給行星機構(gòu)輸出。此齒輪箱試車時出現(xiàn)了異響，現(xiàn)場首先通過聽音棒接觸殼體表面各位置來大致判斷異響的位置和類型，大致位置確定后則需要精聽。精聽前需要了解故障齒輪箱的內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)圖，精聽過程中可根據(jù)異響規(guī)律、頻率等初步確定異響的類型。精聽后基本確定是齒輪引起的,與軸承無關(guān)，且在箱體內(nèi)出現(xiàn)了兩處異響。通常處理流程為逐個軸系排除，替換處理；異響不能消失時，則分段排除處理，即一段一段傳動系處理；安裝試車驗證。

1-一軸軸承;2-二軸軸承;3-三軸軸承;4-四軸軸承;5-五軸軸承;6-六軸軸承;7-七軸軸承。

根據(jù)精聽后初步確定為齒輪傳動系中有兩處敲擊聲，分別在三軸齒輪和四軸齒輪嚙合副中、四軸齒輪和五軸惰輪嚙合副中。從高速到低速的原則，首先將三軸軸齒輪和四軸軸齒輪都拆解下來觀察，目測未見到明顯的齒輪缺陷，隨即將此兩件軸齒輪更換；更換后試車，異響未消除。為了避免四軸齒輪組和五軸惰輪嚙合副對三軸齒輪組和四軸齒輪組嚙合副的影響，決定脫開五軸惰輪，單獨對一軸到四軸的傳動系進行處理,同時將四軸齒輪做更換處理，裝配后試車，運轉(zhuǎn)聲響連貫、異響消失,說明四軸齒輪存在一定的缺陷。將五軸惰輪安裝后試車，又出現(xiàn)了異響,說明四軸軸齒輪和五軸惰輪嚙合副確實存在異響。再一次拆解五軸惰輪做180°旋轉(zhuǎn)后安裝，目的是讓惰輪的另一齒面參與嚙合以核實惰輪的另一齒面狀況，這樣處理裝配后試車，異響消失,說明五軸惰輪肯定有一側(cè)齒面存在問題。繼續(xù)安裝六軸和七軸后試車，在五軸惰輪和六軸惰輪之間出現(xiàn)了異響，再次驗證了五軸惰輪有一側(cè)齒面有故障。最后做更換五軸惰輪處理，更換后試車，異響消失。排除了檢查齒輪箱殼體孔系軸系的必要性。

處理完畢后，檢測替換掉下來的四軸齒輪和五軸惰輪的每個齒，發(fā)現(xiàn)四軸齒輪有一齒槽處周節(jié)偏小，五軸惰輪有一齒的齒面有波紋。因此可確定三軸軸齒輪和四軸軸齒輪嚙合時的異響為擠壓聲，四軸軸齒輪和五軸惰輪嚙合時發(fā)出的異響為敲擊聲。

3.2 摩擦聲的異響處理

當(dāng)采煤機齒輪箱的嚙合齒輪副出現(xiàn)和齒輪轉(zhuǎn)頻不相關(guān)的“嗡嗡”聲異響，并伴隨著軸端部溫升較快的現(xiàn)象，可大致判斷為相應(yīng)嚙合齒輪副對應(yīng)的軸承問題。停機取出相應(yīng)位置的嚙合齒輪副詳細檢查，確定齒輪副無缺陷后可直接更換軸承，軸承滾道的損傷往往非專業(yè)人員很難檢查出來。

更換軸承時需要特別注意,當(dāng)軸系組件安裝好安裝端蓋前需適當(dāng)回拉整個軸系組件以保持軸承內(nèi)外圈之間有適當(dāng)間隙，檢查并調(diào)整軸承(外圈)端面垂直度。更換軸承后，這種摩擦聲的異響一般會消失。

3.3 嘯叫聲的異響處理

采煤機齒輪箱所有異響中，嘯叫聲的異響是比較容易處理的。當(dāng)采煤機齒輪箱啟動運轉(zhuǎn)后，一旦出現(xiàn)嘯叫聲，一般即可從高速區(qū)聽診，確定位置后需要馬上停車避免軸承燒毀，將嘯叫聲位置的軸承更換為更大軸向游隙的軸承并適當(dāng)加大軸承本身和端蓋之間的間隙。通過這樣的操作，嘯叫聲的異響即可解決。

4 結(jié)論

本文對電牽引滾筒采煤機齒輪箱運行時的異響現(xiàn)象及原因進行了詳細的分析，并提出了相應(yīng)的處理方法。通過對裝配車間近一年的實踐數(shù)據(jù)分析，本方法顯著縮短了采煤機齒輪箱異響問題的處理時間，生產(chǎn)效率提高了15%。本文提出的處理方法也可用于現(xiàn)場采煤機的運行維護，保持設(shè)備性能的穩(wěn)定性，提高了其工作可靠性。