采煤机齿轮箱机械传动部件集成系统的开发和应用

田志平

（沈阳煤业（集团）机械制造有限公司，辽宁 沈阳 110123）

引言

齿轮箱是采煤机的核心机构，主要用于将电机的输出转矩转换为驱动力控制行走机构或者摇臂机构的运行，其工作的稳定性和安全性直接决定了采煤机的运行可靠性和井下综采作业的经济性。采煤机的齿轮箱机械传动部件主要包括了齿轮机构和行星机构等，涉及的零部件多、结构复杂，为了降低设计的难度，目前均采用对各个机构的受力和运行状态进行独立分析和监测的方式，但其实际运行状态和监测结果与实际存在着一定的差异性，导致了采煤机齿轮箱机械传动部件在运行时的故障率高、可靠性差，已经成为影响采煤机稳定运行的首要因素。因此结合仿真技术的飞速发展，本文提出了一种新的采煤机齿轮箱机械传动部件集成设计和监测方案。

1 齿轮箱三维建模

为了对齿轮箱的运行状态进行集成设计分析，利用三维建模软件按齿轮箱的实际结构进行三维建模，在建模的过程中考虑到集成分析难度和精确性需求，采用了适度优化的方案，将齿轮箱的静态部分进行简化处理，将参与传递的动态部分按实际状态进行建模，既能够降低建模工作量，又能够在兼顾仿真分析结果的情况下有效地提升仿真分析准确性[1]。

建模完成后在对各个零件的属性进行定义时，为了便于分析中不断调整各零件参数，获取最佳的设计效果，对各零件的参数设置了相关联属性，通过改变指定零件的参数，与之相关联的零件参数能够自动发生变化，从而满足自动调整分析的需求，采煤机齿轮箱机械传动机构三维模型如图1 所示。

图1 齿轮箱传动机构三维模型

在进行仿真分析前，利用SMRT-SIZE 命令来对三维模型进行网格划分[2]，其划分方式可采用自由网格划分方法，在传动齿轮轮齿和传动轴等受力集中的位置采用六面体网格划分的方式，满足分析效率和仿真分析结果准确性的需求。

由于传动过程中齿轮箱传动机构各个齿轮的受力方向为沿着啮合线四周分布，为了简化受力分析，采用受力平均简化的方式，将其受力方向统一到沿着啮合线方向。在齿轮和传动轴连接的位置各个载荷是以均布的方式作用在连接位置，传动轴在受力过程中将受到扭转力矩和花键作用在上面的均布力，是各种载荷的最终集聚位置，因此最容易出现故障，传动轴的受力分析如图2 所示。

图2 传动轴受力（MPa）分析示意图

由仿真分析结果可知，在采煤机满负荷工作的状态下，齿轮轴上最大的载荷出现在齿轮啮合位置，约为98.6 MPa，作用在齿轮轴中部凹槽处的载荷次之，约为86.3 MPa。而采用独立受力分析时，最大载荷是分布在齿轮轴凹槽处，因此造成了对齿轮轴凹槽处过渡保护，对齿轮啮合点位置保护不足，在长期满负荷受力情况下出现变形、破损等。由此可见采用集成仿真分析的方式能够真实地反应出齿轮箱内零件的受力状态，为进行合理的优化提供参考。

2 集成NEST 监测系统

采煤机齿轮箱在运行过程中处于密封状态，传统监测方案无法进行准确的监测，导致无法及时发现齿轮箱的运行异常状态，给采煤机的正常运行造成了较大的隐患。因此本文提出了一种新的集成NEST[3]（非线性状态估计）监测系统，其集成监测流程如图3 所示[4]。

图3 集成NEST 监测原理

由图3 可知，该监测系统主要包括了数据处理、分析模型构架及实时监测三个部分。在数据处理单元内系统对采煤机齿轮箱在不同阶段的运行状态数据进行对比检测，并从中确认异常参数的输入状态变量和输出状态变量，将数据处理结果进行近期和远期分类。在分析模型架构建立时依据聚类有效性来设置具体的指标，分析算法选择参数回归算法，能够对采集到的数据信息进行逐类对比，提升数据分析的速度和有效性，避免出现遗漏和数据冲突。实时监测部分，主要是对齿轮箱的运转振动情况、温度等进行综合监测，将监测结果的实际值和系统正常运行时的理论值对比，将差值进行处理及交换，构建出实时动态监测和报警机制，实现自动监测和预警。

通过运行集成设计和监测的原理，实现了对采煤机齿轮箱的优化设计和智能监测，优化后新的采煤机齿轮箱的运行故障数量由最初的30.6 次/月，降低到了目前的2.1 次/月，运行故障率平均下降93.2%以上，显著提升了采煤机的运行稳定性。

3 结论

1）采用集成仿真分析的方式能够真实反应齿轮箱内零件的受力状态，为进行合理的优化提供参考；

2）集成NEST（非线性状态估计）监测系统，包括了数据处理、分析模型构架及实时监测3 个部分，能够实现对齿轮箱运行状态的自动监测和预警；

3）新的集成设计和监测方案能够将齿轮箱的运行故障率降低93.2%以上，显著提升了采煤机的运行稳定性。