采煤机摇臂齿轮箱振动及故障机理研究

韩玉龙

（大同煤矿集团王村煤业有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

现代化采煤机截割部由电机、齿轮箱以及滚筒组成，通过摇臂销轴与采煤机的机身连接在一起，随着煤层开采高度的改变，可相应调整采煤机截割部的高度以适应煤层厚度的变化，整体上采煤机的运行条件较为复杂，这是开采环境和采煤机运行模式综合作用的结果[1-3]。由于长时间的截割工作，采煤机内部构件容易老化耗损，而据相关统计结果，采煤机摇臂齿轮箱发生故障的可能性最大，极大程度影响着工作面的安全高效生产，由此本文对采煤机摇臂齿轮箱振动及故障的机理进行系统研究。

1 齿轮箱故障振动机理

采煤机齿轮箱的传动系统主要由齿轮和轴承构成，可将其视为复杂的非线性振动系统，故完全按照齿轮箱的结构建立等效的分析模型是十分困难的，故在此不考虑影响齿轮箱故障的次要因素，视单对齿轮传动为振动系统进行模型建立，则建立的振动物理模型如图1所示。

图1 齿轮传动的振动模型示意图

基于机械振动的理论得到齿轮的动力学公式，如公式1所示。

式中：M=（m1m2）/（m1+m2），C为啮合阻尼，x为齿轮沿着啮合线的相对位移，k（t）为啮合齿轮的刚度值，F（t）为外界激励。

外界激励指齿轮正常运转状态下形成的振动和齿轮箱发生故障时形成的冲击，影响因素众多，有齿轮的刚度强度以及齿轮啮合产生的摩擦力等。

1.1 振动激励研究

振动激励可分为内部激励和外部激励两部分，外部激励一般为负载的阻力以及原动机的驱动力等，而内部激励是振动激励的主要原因，它是在齿轮啮合的过程中形成的，而研究齿轮振动机理的主要内容为内部激励，内部激励主要由以下几个部分组成。

1.1.1 刚度激励

基于齿轮箱齿轮啮合传动的机理，则可以发现大部分情况下齿轮啮合的重合数不是整数，随着时间的延长，齿轮啮合时重合的齿轮齿对数呈现为周期性的变化趋势。齿轮啮合刚度的变化主要受啮合的重合系数以及齿轮类型的影响，总体上刚度激励构成部分为：齿轮啮合时单齿双齿交替啮合形成的刚度以及齿轮所受周期性变化载荷而产生的对传动系统的激励。

1.1.2 误差激励

齿轮箱齿轮制造误差和故障会导致传动系统的振动发生。齿轮在制造过程中齿轮齿距的不等以及轮齿大小的不一均会制造误差，而在采煤机安装过程中，如果啮合齿轮的轴向不平行时，则啮合轮齿轮廓并不是完全接触，这就使得轮齿表面受载不均匀，无法稳定地进行载荷的传递，严重时会导致断齿现象发生。

1.1.3 啮合冲击激励

如果齿轮啮合过程中齿轮分离时的啮合点偏离理论的啮合点时，则会形成线外啮合，在齿面间形成冲击载荷，导致齿轮的振动，引发冲击激励。

1.2 齿轮故障失效形式

有关资料结果显示，在采煤机齿轮箱零部件失效比例中，齿轮的故障失效所占比例达到了65%[5]，故需要对齿轮故障失效的形式进行系统分析。在齿轮制造过程中的误差、齿轮所用材料刚度、齿轮工作状态等因素的综合作用下齿轮故障失效表现出了较多的形式，主要可分为以下几类。

1.2.1 齿面磨损

如果齿轮在啮合过程中齿面黏附有较多硬质颗粒或者润滑油供应不足时，则齿面会发生磨损，而且随着时间的延长磨损现象会愈来愈严重，齿轮啮合时无法完全咬合，产生的噪音明显。

1.2.2 齿面胶合

当采煤机割煤过程中受载较大或者齿轮运转速率较高时发生齿面胶合的概率较高，表现为齿轮齿面的润滑油油膜破裂，主要原因是齿轮润滑条件不适。齿面胶合又可分为热胶合和冷胶合两种。当齿轮由于运转速率较高而使得接触面间的摩擦增大，温度升高时，润滑油的作用会大大减弱而使得油膜撕裂，此时发生热胶合；当齿轮运转速率较低而所受载荷较大时齿轮局部齿面间的受力较大，则齿轮会在局部高应力作用下而产生塑性屈服，从而形成冷胶合。

1.2.3 接触疲劳

齿轮啮合过程是滑动与滚动综合的过程，则在此过程中齿轮齿面会受到脉动循环变化的切向应力，这种力会反复作用于齿轮，从而导致齿面局部位置发生金属剥蚀，进而导致接触疲劳现象的发生。

2 滚动轴承的振动和故障机理

2.1 滚动轴承的振动机理

滚动轴承的振动机理可表示为图2所示的结构。滚动轴承自身结构特征以及故障共同作用形成了轴承的振动。

图2 滚动轴承的振动机理结构示意图

滚动轴承自身的结构决定了上层滚动体的受载最为显著，下层滚动体的受载最不明显。在轴承回转的过程中，下层滚动体向着非载荷中心线方向滚动，从而形成了轴颈的位移，主要表现为上下的微动和水平方向的微动。滚动体每次通过载荷中心线时均会对轴承座和轴颈形成冲击激励，而冲击激励频率可通过公式（2）计算。

式中：Z为滚动体的数量，fb为保持架转动的频率。

当滚动轴承在运行时受到的外力作用较大或者受到冲击作用时，则内外滚动体会形成裂隙等缺陷而形成损伤，在损伤位置会形成较为微弱的高频冲击脉冲信号，该信号包括轴承本身的固有频率以及故障频率。

2.2 滚动轴承的故障特征频率

对滚动轴承故障特征频率的分析是研究轴承故障的关键。轴承发生损伤的位置在运转时会与其相互接触的部件发生持续性的撞击，从而形成低频振动，而该频率一般低于1 kHz，称之为故障特征频率。轴承振动的频谱可分为低频、中频和高频三个阶段，如图3所示，低频即为故障特征频率。

图3 轴承振动的频谱示意图

低频区（故障特征频率）信号容易受到齿轮振动的干扰，同时在轴承故障的初始时间该区段反应局部损伤特征频率信息的能量较低，故无法在轴承发生故障的初始时刻对具体故障原因进行分析，但可以诊断得到轴承安装不合理以及保持架变形等故障。而中高频区的频率相对较大，对其进行分析可以诊断得到轴承的早期故障，一般利用共振解调手段来得到信噪比较高的信号来进行诊断。

3 结语

现代化矿井的开采效率较高，采煤机的工作处于高强度状态，同时由于长时间的截割工作，采煤机内部构件容易老化耗损。采煤机摇臂齿轮箱结果极其复杂，需通过研究齿轮的振动激励和故障失效形式以及分析滚动轴承的振动机理和故障特征频率，进而得到采煤机摇臂齿轮箱振动及故障的机理，以减少采煤机摇臂齿轮箱发生故障的概率，保障工作面的安全高效生产。