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動，經各自齒輪減速箱減速后分別提供截割和牽引動力以實現采煤機割煤、裝煤和行走。采煤機截割和牽引齒輪減速箱與常規齒輪箱的結構類似，如圖1和圖2所示。采煤機齒輪箱在工作中一旦出現故障停車，會嚴重影響生產。異響和振動是齒輪箱發生故障的前兆，隱患的早發現、早預防、早處理對降低設備故障率和減少故障損失具有重要意義。受工作環境、安裝空間等因素的影響，其他行業會運用成熟的基于振動監測的齒輪箱故障監測系統[1-2],而在采煤機行業中運用較少。雖然業內開始在部分應用中對采煤機齒輪箱的振動檢測等做了一些嘗試[6-8]，但受環境因素影響，未取得預期效果。另外，當井下出現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]，目前需要將相關數據傳到地面，再由地面數據中心最終將數據傳送到專業數據處理的廠家分析判斷,流程較長。所以現場通過人工監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判斷齒輪箱是否健康運行。溫度指標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驗判斷。本文基于齒輪、軸承及箱體軸孔誤差等產生振動聲響的特點，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殼體的表面來聽診，這也是一種經典的聽診方法[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象，齒輪箱工作時會按一定的固有頻率出現均勻的敲擊聲，這種聲音頻率固定而清脆,但當振動的幅度達到一定程度時就會發出異響。采煤機齒輪箱通常高速區的振動聲要高于低速區，在齒輪箱啟動時的高速區有時也會發出嘯叫聲。當齒輪箱中齒輪嚙合時,某一對齒輪在旋轉過程中會發出明顯的擠壓聲。此外齒輪箱運轉時發出的頻率明顯不同于齒輪嚙合頻率，通常由軸承發出。

2 齒輪箱異響原因

2.1 敲擊聲

一旦齒輪箱運轉時某處出現敲擊聲，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倒角缺陷等，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定，一般為單向異響。

圖3 磕碰傷

圖4 銹蝕痕

圖5 齒頂倒角

2.2 擠壓聲

由采煤機齒輪箱運轉過程中有時會出現某對齒輪副在旋轉過程中，一個齒輪對另一個齒輪有明顯的擠壓聲，聲音一般較悶。出現這種異響的原因是齒輪加工過程中相鄰周節變化過大，造成有一對齒輪嚙合時的齒側間隙偏小，嚙合到此位置時就會形成齒體對相應齒槽的擠壓聲。出現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，隨著循環次數的增多會形成明顯擠壓痕造成齒面損傷，最終導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，當誤差累積到一定程度后就會產生較強的振動進而發出聲響。出現這種異響后，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，大多數情況下需要借助三坐標儀對故障件的形位公差進行全面復查。

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的軸敲擊而受到損傷；另外，在端面間隙調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。當齒輪箱出現的異響聲是“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致。

2.5 嘯叫聲

采煤機齒輪箱的嘯叫聲多發生在高速端。排除電動機的聲音，嘯叫聲發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。齒輪箱高速端發熱較高，當軸承游隙不足以滿足由于發熱而引起的軸系伸長量時，軸承滾子將頂住外圈；高速旋轉時會發出刺耳的嘯叫聲，很快會伴隨著發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，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，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，較長的齒輪傳動鏈發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、振動聲不易區分且有時會相互作用和影響，如齒輪箱確實出現異響則必須處理。

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輸出。此齒輪箱試車時出現了異響，現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部傳動結構圖，精聽過程中可根據異響規律、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，且在箱體內出現了兩處異響。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齒面存在問題。繼續安裝六軸和七軸后試車，在五軸惰輪和六軸惰輪之間出現了異響，再次驗證了五軸惰輪有一側齒面有故障。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，發現四軸齒輪有一齒槽處周節偏小，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出的異響為敲擊聲。

3.2 摩擦聲的異響處理

當采煤機齒輪箱的嚙合齒輪副出現和齒輪轉頻不相關的“嗡嗡”聲異響，并伴隨著軸端部溫升較快的現象，可大致判斷為相應嚙合齒輪副對應的軸承問題。停機取出相應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人員很難檢查出來。

更換軸承時需要特別注意,當軸系組件安裝好安裝端蓋前需適當回拉整個軸系組件以保持軸承內外圈之間有適當間隙，檢查并調整軸承(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。當采煤機齒輪箱啟動運轉后，一旦出現嘯叫聲，一般即可從高速區聽診，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 結論

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