采煤機齒輪箱機械傳動部件集成系統的開發和應用

田志平

（沈陽煤業（集團）機械制造有限公司，遼寧 沈陽 110123）

引言

齒輪箱是采煤機的核心機構，主要用于將電機的輸出轉矩轉換為驅動力控制行走機構或者搖臂機構的運行，其工作的穩定性和安全性直接決定了采煤機的運行可靠性和井下綜采作業的經濟性。采煤機的齒輪箱機械傳動部件主要包括了齒輪機構和行星機構等，涉及的零部件多、結構復雜，為了降低設計的難度，目前均采用對各個機構的受力和運行狀態進行獨立分析和監測的方式，但其實際運行狀態和監測結果與實際存在著一定的差異性，導致了采煤機齒輪箱機械傳動部件在運行時的故障率高、可靠性差，已經成為影響采煤機穩定運行的首要因素。因此結合仿真技術的飛速發展，本文提出了一種新的采煤機齒輪箱機械傳動部件集成設計和監測方案。

1 齒輪箱三維建模

為了對齒輪箱的運行狀態進行集成設計分析，利用三維建模軟件按齒輪箱的實際結構進行三維建模，在建模的過程中考慮到集成分析難度和精確性需求，采用了適度優化的方案，將齒輪箱的靜態部分進行簡化處理，將參與傳遞的動態部分按實際狀態進行建模，既能夠降低建模工作量，又能夠在兼顧仿真分析結果的情況下有效地提升仿真分析準確性[1]。

建模完成后在對各個零件的屬性進行定義時，為了便于分析中不斷調整各零件參數，獲取最佳的設計效果，對各零件的參數設置了相關聯屬性，通過改變指定零件的參數，與之相關聯的零件參數能夠自動發生變化，從而滿足自動調整分析的需求，采煤機齒輪箱機械傳動機構三維模型如圖1 所示。

圖1 齒輪箱傳動機構三維模型

在進行仿真分析前，利用SMRT-SIZE 命令來對三維模型進行網格劃分[2]，其劃分方式可采用自由網格劃分方法，在傳動齒輪輪齒和傳動軸等受力集中的位置采用六面體網格劃分的方式，滿足分析效率和仿真分析結果準確性的需求。

由于傳動過程中齒輪箱傳動機構各個齒輪的受力方向為沿著嚙合線四周分布，為了簡化受力分析，采用受力平均簡化的方式，將其受力方向統一到沿著嚙合線方向。在齒輪和傳動軸連接的位置各個載荷是以均布的方式作用在連接位置，傳動軸在受力過程中將受到扭轉力矩和花鍵作用在上面的均布力，是各種載荷的最終集聚位置，因此最容易出現故障，傳動軸的受力分析如圖2 所示。

圖2 傳動軸受力（MPa）分析示意圖

由仿真分析結果可知，在采煤機滿負荷工作的狀態下，齒輪軸上最大的載荷出現在齒輪嚙合位置，約為98.6 MPa，作用在齒輪軸中部凹槽處的載荷次之，約為86.3 MPa。而采用獨立受力分析時，最大載荷是分布在齒輪軸凹槽處，因此造成了對齒輪軸凹槽處過渡保護，對齒輪嚙合點位置保護不足，在長期滿負荷受力情況下出現變形、破損等。由此可見采用集成仿真分析的方式能夠真實地反應出齒輪箱內零件的受力狀態，為進行合理的優化提供參考。

2 集成NEST 監測系統

采煤機齒輪箱在運行過程中處于密封狀態，傳統監測方案無法進行準確的監測，導致無法及時發現齒輪箱的運行異常狀態，給采煤機的正常運行造成了較大的隱患。因此本文提出了一種新的集成NEST[3]（非線性狀態估計）監測系統，其集成監測流程如圖3 所示[4]。

圖3 集成NEST 監測原理

由圖3 可知，該監測系統主要包括了數據處理、分析模型構架及實時監測三個部分。在數據處理單元內系統對采煤機齒輪箱在不同階段的運行狀態數據進行對比檢測，并從中確認異常參數的輸入狀態變量和輸出狀態變量，將數據處理結果進行近期和遠期分類。在分析模型架構建立時依據聚類有效性來設置具體的指標，分析算法選擇參數回歸算法，能夠對采集到的數據信息進行逐類對比，提升數據分析的速度和有效性，避免出現遺漏和數據沖突。實時監測部分，主要是對齒輪箱的運轉振動情況、溫度等進行綜合監測，將監測結果的實際值和系統正常運行時的理論值對比，將差值進行處理及交換，構建出實時動態監測和報警機制，實現自動監測和預警。

通過運行集成設計和監測的原理，實現了對采煤機齒輪箱的優化設計和智能監測，優化后新的采煤機齒輪箱的運行故障數量由最初的30.6 次/月，降低到了目前的2.1 次/月，運行故障率平均下降93.2%以上，顯著提升了采煤機的運行穩定性。

3 結論

1）采用集成仿真分析的方式能夠真實反應齒輪箱內零件的受力狀態，為進行合理的優化提供參考；

2）集成NEST（非線性狀態估計）監測系統，包括了數據處理、分析模型構架及實時監測3 個部分，能夠實現對齒輪箱運行狀態的自動監測和預警；

3）新的集成設計和監測方案能夠將齒輪箱的運行故障率降低93.2%以上，顯著提升了采煤機的運行穩定性。