采煤機搖臂齒輪箱振動及故障機理研究

韓玉龍

（大同煤礦集團王村煤業有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

現代化采煤機截割部由電機、齒輪箱以及滾筒組成，通過搖臂銷軸與采煤機的機身連接在一起，隨著煤層開采高度的改變，可相應調整采煤機截割部的高度以適應煤層厚度的變化，整體上采煤機的運行條件較為復雜，這是開采環境和采煤機運行模式綜合作用的結果[1-3]。由于長時間的截割工作，采煤機內部構件容易老化耗損，而據相關統計結果，采煤機搖臂齒輪箱發生故障的可能性最大，極大程度影響著工作面的安全高效生產，由此本文對采煤機搖臂齒輪箱振動及故障的機理進行系統研究。

1 齒輪箱故障振動機理

采煤機齒輪箱的傳動系統主要由齒輪和軸承構成，可將其視為復雜的非線性振動系統，故完全按照齒輪箱的結構建立等效的分析模型是十分困難的，故在此不考慮影響齒輪箱故障的次要因素，視單對齒輪傳動為振動系統進行模型建立，則建立的振動物理模型如圖1所示。

圖1 齒輪傳動的振動模型示意圖

基于機械振動的理論得到齒輪的動力學公式，如公式1所示。

式中：M=（m1m2）/（m1+m2），C為嚙合阻尼，x為齒輪沿著嚙合線的相對位移，k（t）為嚙合齒輪的剛度值，F（t）為外界激勵。

外界激勵指齒輪正常運轉狀態下形成的振動和齒輪箱發生故障時形成的沖擊，影響因素眾多，有齒輪的剛度強度以及齒輪嚙合產生的摩擦力等。

1.1 振動激勵研究

振動激勵可分為內部激勵和外部激勵兩部分，外部激勵一般為負載的阻力以及原動機的驅動力等，而內部激勵是振動激勵的主要原因，它是在齒輪嚙合的過程中形成的，而研究齒輪振動機理的主要內容為內部激勵，內部激勵主要由以下幾個部分組成。

1.1.1 剛度激勵

基于齒輪箱齒輪嚙合傳動的機理，則可以發現大部分情況下齒輪嚙合的重合數不是整數，隨著時間的延長，齒輪嚙合時重合的齒輪齒對數呈現為周期性的變化趨勢。齒輪嚙合剛度的變化主要受嚙合的重合系數以及齒輪類型的影響，總體上剛度激勵構成部分為：齒輪嚙合時單齒雙齒交替嚙合形成的剛度以及齒輪所受周期性變化載荷而產生的對傳動系統的激勵。

1.1.2 誤差激勵

齒輪箱齒輪制造誤差和故障會導致傳動系統的振動發生。齒輪在制造過程中齒輪齒距的不等以及輪齒大小的不一均會制造誤差，而在采煤機安裝過程中，如果嚙合齒輪的軸向不平行時，則嚙合輪齒輪廓并不是完全接觸，這就使得輪齒表面受載不均勻，無法穩定地進行載荷的傳遞，嚴重時會導致斷齒現象發生。

1.1.3 嚙合沖擊激勵

如果齒輪嚙合過程中齒輪分離時的嚙合點偏離理論的嚙合點時，則會形成線外嚙合，在齒面間形成沖擊載荷，導致齒輪的振動，引發沖擊激勵。

1.2 齒輪故障失效形式

有關資料結果顯示，在采煤機齒輪箱零部件失效比例中，齒輪的故障失效所占比例達到了65%[5]，故需要對齒輪故障失效的形式進行系統分析。在齒輪制造過程中的誤差、齒輪所用材料剛度、齒輪工作狀態等因素的綜合作用下齒輪故障失效表現出了較多的形式，主要可分為以下幾類。

1.2.1 齒面磨損

如果齒輪在嚙合過程中齒面黏附有較多硬質顆?；蛘邼櫥凸蛔銜r，則齒面會發生磨損，而且隨著時間的延長磨損現象會愈來愈嚴重，齒輪嚙合時無法完全咬合，產生的噪音明顯。

1.2.2 齒面膠合

當采煤機割煤過程中受載較大或者齒輪運轉速率較高時發生齒面膠合的概率較高，表現為齒輪齒面的潤滑油油膜破裂，主要原因是齒輪潤滑條件不適。齒面膠合又可分為熱膠合和冷膠合兩種。當齒輪由于運轉速率較高而使得接觸面間的摩擦增大，溫度升高時，潤滑油的作用會大大減弱而使得油膜撕裂，此時發生熱膠合；當齒輪運轉速率較低而所受載荷較大時齒輪局部齒面間的受力較大，則齒輪會在局部高應力作用下而產生塑性屈服，從而形成冷膠合。

1.2.3 接觸疲勞

齒輪嚙合過程是滑動與滾動綜合的過程，則在此過程中齒輪齒面會受到脈動循環變化的切向應力，這種力會反復作用于齒輪，從而導致齒面局部位置發生金屬剝蝕，進而導致接觸疲勞現象的發生。

2 滾動軸承的振動和故障機理

2.1 滾動軸承的振動機理

滾動軸承的振動機理可表示為圖2所示的結構。滾動軸承自身結構特征以及故障共同作用形成了軸承的振動。

圖2 滾動軸承的振動機理結構示意圖

滾動軸承自身的結構決定了上層滾動體的受載最為顯著，下層滾動體的受載最不明顯。在軸承回轉的過程中，下層滾動體向著非載荷中心線方向滾動，從而形成了軸頸的位移，主要表現為上下的微動和水平方向的微動。滾動體每次通過載荷中心線時均會對軸承座和軸頸形成沖擊激勵，而沖擊激勵頻率可通過公式（2）計算。

式中：Z為滾動體的數量，fb為保持架轉動的頻率。

當滾動軸承在運行時受到的外力作用較大或者受到沖擊作用時，則內外滾動體會形成裂隙等缺陷而形成損傷，在損傷位置會形成較為微弱的高頻沖擊脈沖信號，該信號包括軸承本身的固有頻率以及故障頻率。

2.2 滾動軸承的故障特征頻率

對滾動軸承故障特征頻率的分析是研究軸承故障的關鍵。軸承發生損傷的位置在運轉時會與其相互接觸的部件發生持續性的撞擊，從而形成低頻振動，而該頻率一般低于1 kHz，稱之為故障特征頻率。軸承振動的頻譜可分為低頻、中頻和高頻三個階段，如圖3所示，低頻即為故障特征頻率。

圖3 軸承振動的頻譜示意圖

低頻區（故障特征頻率）信號容易受到齒輪振動的干擾，同時在軸承故障的初始時間該區段反應局部損傷特征頻率信息的能量較低，故無法在軸承發生故障的初始時刻對具體故障原因進行分析，但可以診斷得到軸承安裝不合理以及保持架變形等故障。而中高頻區的頻率相對較大，對其進行分析可以診斷得到軸承的早期故障，一般利用共振解調手段來得到信噪比較高的信號來進行診斷。

3 結語

現代化礦井的開采效率較高，采煤機的工作處于高強度狀態，同時由于長時間的截割工作，采煤機內部構件容易老化耗損。采煤機搖臂齒輪箱結果極其復雜，需通過研究齒輪的振動激勵和故障失效形式以及分析滾動軸承的振動機理和故障特征頻率，進而得到采煤機搖臂齒輪箱振動及故障的機理，以減少采煤機搖臂齒輪箱發生故障的概率，保障工作面的安全高效生產。