劉靜坤

（神東煤炭集團設備維修中心，陜西 神木 719315）

采煤機搖臂箱齒輪箱與工業(yè)中常見的減速箱等齒輪箱結構不同，其內(nèi)部較為結構復雜，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與螺旋截割滾筒的關鍵部件，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。由于采煤機截割煤壁的工作強度非常高，導致采煤機的機械部分容易失效。在嚴格的煤礦安全標準下，采煤機的檢修與維護是必不可少的，比如，在生產(chǎn)20 小時的條件下，需要對設備進行維護或者檢修4 小時。搖臂齒輪箱在采煤機中屬于易損壞部件，因此，及時地檢測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)計及原因分析

1.1 齒輪箱故障統(tǒng)計

根據(jù)歷年的采煤機維修記錄可知，采煤機搖臂齒輪箱的主要故障區(qū)[2]有三處：高速區(qū)一級減速直齒輪及軸承、低速區(qū)兩級行星輪系、浮動油封。在采煤機搖臂齒輪箱中，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，二級行星齒輪折斷故障如圖1 所示；浮動密封故障的發(fā)生率也較高，其主要原因為齒輪箱的密封性能不夠或者元器件老化，導致齒輪箱漏油以及煤塵等物質(zhì)進入齒輪箱，引發(fā)行星輪系及軸承的二次事故，該故障是目前國內(nèi)外采煤機搖臂齒輪箱在設計與制造時的一個重大難題，難以解決，因此，故障率一直保持較高的狀態(tài)。

圖1 二級行星齒輪折斷

目前，我國對于采煤機搖臂齒輪箱的檢測通常采用油液鐵譜分析技術與振動檢測技術[3]。其中，油液鐵譜分析技術通過對齒輪箱潤滑油液磨損顆粒的大小、形態(tài)、面積、特征等參數(shù)進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，檢測成本較低。但是該方法受限于工人技術水平和搖臂齒輪箱的復雜性，過程中耗時耗力，并且無法實時判斷齒輪箱內(nèi)部結構是否滿足使用要求，因此，該方法的應用受到了一定的限制。振動檢測技術是一種新型的故障診斷技術，屬于無損檢測方法，對工人的專業(yè)技術要求較低，能夠及時診斷出齒輪箱中常見的各種故障，并在一定程度上提升設備管理的競爭力水平，具有廣闊的應用和發(fā)展空間。

1.2 齒輪箱故障分析

齒輪傳動機構通常處于高速重載的工作狀態(tài)，在正常工作過程中，由于齒輪嚙合運動產(chǎn)生的摩擦熱以及軸承轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦熱，齒輪傳動系統(tǒng)溫度會變得很高；同時由于潤滑油的冷卻作用，其溫度會保持平衡狀態(tài)。齒輪傳動機構在工作過程中工作環(huán)境和工作參數(shù)不可能保持一成不變，這些變化會對齒輪的溫度產(chǎn)生明顯的影響，造成潤滑油膜的破裂，使齒面磨損加劇，引起膠合；過高的溫度還會使齒輪、軸承和軸產(chǎn)生熱變形，造成齒輪傳動機構承載能力和工作穩(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)部潤滑條件的惡化，在齒輪傳動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、點蝕、膠合和擦傷等，嚴重時會導致齒面接觸部位“焊合”后又繼續(xù)相對運動，使得金屬從齒面上撕落，或從一個齒面向另一個齒面轉(zhuǎn)移而引起損傷。高速區(qū)故障容易引起齒輪副的強烈振動及異常噪聲，進而產(chǎn)生過熱引發(fā)軸承故障，若不能被及時檢測，往往需要更換齒輪以及相關的所有軸承，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，其故障主要為兩級行星輪系故障，特別是二級行星輪斷齒、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期過載，容易導致行星輪的內(nèi)齒圈疲勞點蝕、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。對于浮動密封故障引起的直接表現(xiàn)為漏油，但是其間接影響可導致齒面間接觸點局部溫度升高，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，形成傳動副之間嚴重的振動和噪聲。

1.3 齒輪箱結構分析

對于JOY 采煤機，其截割部采用鉸接式搖臂結構，截割電動機采用橫向布置[4]。整個截割部采用連接板通過銷軸鉸接的方式與采煤機機架聯(lián)接，截割部滾筒的位置可通過液壓調(diào)高油缸進行調(diào)整，能夠適應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構圖如圖2 所示，圖中可以看出，齒輪箱傳動系統(tǒng)是由兩級直齒圓柱齒輪和兩級行星齒輪部分組成，輸出端浮動密封用來防止搖臂齒輪箱漏油以及滾筒噴霧水及煤、粉塵進入齒輪箱。

圖2 搖臂齒輪箱爆炸圖

搖臂齒輪箱中共有14 個齒輪參與減速傳動，為四級減速，其中，第二級減速包括6 個圓柱直齒齒輪，二級行星輪系與一級基本結構一致，太陽輪同時與行星架上3 個行星輪相嚙合，當3 個行星輪載荷分布不均勻時，可以自動地調(diào)節(jié)3 個行星輪，使其共同分擔載荷。行星輪的自由調(diào)節(jié)得益于太陽輪的支承為浮動狀態(tài)。

2 搖臂齒輪箱故障分析

2.1 齒輪故障分析機理

文中對于搖臂齒輪箱的故障檢測基于振動檢測技術，因此，將齒輪箱傳動系統(tǒng)可以看作是一個非常復雜的非線性機械振動系統(tǒng)。齒輪箱傳動系統(tǒng)主要包括齒輪副、軸、軸承、箱體以及與齒輪傳動相關的聯(lián)軸器、原動機和負載等，在理論上要建立起數(shù)學模型是非常困難的。本文針對齒輪及齒輪箱故障的關鍵因素，將齒輪傳動副進行簡化分析，建立齒輪嚙合振動示意圖如圖3 所示。

圖3 齒輪嚙合振動示意圖

根據(jù)機械振動學理論可知，齒輪副作為激振系統(tǒng)，其動力學方程可以表示為：

式中，x 為沿嚙合線上齒輪相對位移，M 為當量質(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。其中，外界沖擊激勵F（t）主要指齒輪嚙合振動及齒輪箱因故障缺陷產(chǎn)生的激勵沖擊，其變化受齒輪嚙合剛度、齒面摩擦力方向和傳動誤差變化的綜合影響。在潤滑狀態(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嚙合振動的影響較小，通?？梢院雎圆蛔骺紤]，重點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輪齒間的相對位移。故障函數(shù)k（t）E1表示齒輪正常狀態(tài)工作時的常規(guī)振動，k（t）E2表示齒輪缺陷時引起的異常振動。

2.2 齒輪失效分析

齒輪在工作過程中由于受到齒面間滑動摩擦、滾動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，因此主要考慮滑動摩，同時齒輪由于潤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、運轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的不同而改變[5]，占整個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。由于齒輪制造時可能存在誤差、裝配工藝不當或操作維護不到位，齒輪在運轉(zhuǎn)時會產(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，在齒輪嚙合過程中，若潤滑油供應不足、油質(zhì)變異或者外來的金屬或非金屬小顆粒出現(xiàn)在齒輪嚙合表面，將直接導致齒面發(fā)生強烈的磨粒磨損；磨粒磨損的進一步發(fā)展會使齒輪齒形改變，側隙加大，引起振動噪聲增大，齒厚減薄，腐蝕磨損以化學腐蝕作用為主要特征，并伴有機械磨損的一種損傷形式，潤滑油中的活性成分(酸、水分等)和齒輪材料發(fā)生化學反應，造成齒輪腐蝕磨損。嚴重的齒面磨損會導致輪齒粗糙度和嚙合偏差增大，引起傳動副之間較大的振動與噪聲，并降低齒輪的動力傳動效率，甚至因齒厚變薄導致齒輪強度下降，造成齒斷。

齒輪在嚙合傳動過程中，其根部受到脈動循環(huán)應力作用，當這種周期性的應力過高，或其它原因使齒輪強度降低，會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴展，或是在齒輪嚙合過程中受到嚴重沖擊過載時，也會引起齒根裂紋，當其它部分無法承擔外載荷時，齒輪將發(fā)生嚴重故障斷齒齒輪在嚙合傳動過程中，輪齒相當于懸臂梁，其根部受到交變應力作用最大，當周期性的交變應力超過齒輪材料本身的疲勞極限時，輪齒的根部會產(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時，首先需要針對齒輪的工作條件，進行強度的校核與計算，文中對于齒輪的強度校核條件，以計算接觸應力為標準，其應當小于許用接觸應力，可表示為：

式中，σH為計算接觸應力，σHP為許用接觸應力，其中，計算接觸應力σH可表示為：

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

3 搖臂齒輪箱振動信號頻譜診斷

3.1 齒輪振動信號調(diào)制

在采煤機搖臂齒輪箱中，嚙合的齒輪副往往以單、雙齒嚙合交替的形式變化，導致在齒輪副中形成周期性的激振力，導致傳動副的振動，文中所采用的振動信號診斷方法正是基于該特征，可根據(jù)不同的振動信號調(diào)制預測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)。當齒輪或齒輪箱軸承、軸等部件出現(xiàn)故障時，將會對應著出現(xiàn)不同的沖擊特性，進而出現(xiàn)不同程度的振動信號調(diào)制現(xiàn)象，比如，低頻信號特征量控制高頻信號相應特征量。在齒輪的振動信號調(diào)制中，常見到在嚙合頻率或其諧波頻率兩存在一些間距的復雜頻率成分，這些頻率成分稱作邊頻帶，其反映了振動信號的調(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源，其幅值反映了故障的嚴重程度。因此，對齒輪振動信號中出現(xiàn)的調(diào)制現(xiàn)象進行分析，有效地區(qū)分不同的調(diào)制型故障的振動特征，對邊頻帶特征的識別程度，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

當出現(xiàn)齒面的均勻磨損故障時，由于無沖擊振動信號產(chǎn)生，所以不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。但是當磨損發(fā)展到一定程度時，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，同時振動能量的幅度也大大增加。當磨損較為嚴重時，二次諧波的幅值會超過嚙合頻率的幅值。此外，齒面磨損等均勻分布缺陷相當于調(diào)制信號為包絡線較寬的脈沖，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

圖5 斷齒檢測

3.3 斷齒診斷

當出現(xiàn)斷齒故障時，時域表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動，周期等于有斷齒軸的旋轉(zhuǎn)周期。與此同時，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。同時由于瞬態(tài)沖擊能量大，時常激勵起固有頻率，產(chǎn)生固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。

振動信號檢測時，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

當齒輪、軸承或軸出現(xiàn)故障時，齒輪箱振動信號呈現(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 結語

搖臂齒輪箱在采煤機中屬于易損壞部件，對其進行及時的檢測與維修對于保證高效綜采生產(chǎn)重要前提條件，齒輪制造時可能存在誤差、裝配工藝不當或操作維護不到位，齒輪在運轉(zhuǎn)時會產(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。文中對搖臂齒輪箱的結構進行了研究，基于振動檢測技術并通過信號的頻譜診斷對齒輪箱中常見的各種故障診斷進行了分析，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雜變頻，其反映了振動信號的調(diào)制特征，并在一定程度上表現(xiàn)了齒輪箱故障的發(fā)生來源，其幅值反映了故障的嚴重程度，該研究方法與方向具有廣闊的應用和發(fā)展空間。

［1］高曉清，姚竹亭.基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的齒輪箱故障診斷[J].機械工程與自動化，2008，6：25-26.

［2］李曉虎，賈民平，許飛云.頻譜分析法在齒輪箱故障診斷中的應用[J].振動、測試與診斷，2003，9：32-35.

［3］周曉紅.解決采煤機浮動油封的漏油問題[J].煤礦機械，2008，12：56-57.

［4］韓捷，張琳娜.齒輪故障的振動機理研究[J].機械傳動，1997，2：29-32.

［5］丁康，朱小勇，陳亞華.齒輪箱典型故障振動特征與診斷策略[J].振動與沖擊，202001，3：43-46.