采煤机截割减速器故障状态时的动力学模拟分析

李丹曦

（晋能控股煤业集团晋城事业部天安靖丰煤业， 山西 晋城 048012）

引言

采煤机是矿井综采面的一种机械化作业设备，主要负责落煤、装煤工作，其主要组成包含牵引部、截割部、行走部等。对于采煤机截割部，其内部的电动机经齿轮驱动进行转动，经摇臂中各级齿轮及行星减速器来达到降低转速并驱动滚筒转动的目的，所以，采煤机截割部行星齿轮减速器作为采煤机的关键结构部件，其主要作用是传送截割工作扭矩，因此其机械性能的好坏在很大程度上影响着采煤机工作性能的优劣。由于采煤机在矿井下工作环境恶劣、条件差，采煤机截割减速器的结构必须紧凑，才能保证采煤机的工作性能，因此，行星减速器也是采煤机构成中较薄弱的一个组成部分。

在煤矿实际开采中，采煤机的截割减速器、机械传动、液压传动等部件，都会因实际动载荷太大而发生各种故障现象[1-2]。相关统计表明，由采煤机齿轮引起的故障约占机械传动故障的80%左右，所以研究减速器齿轮故障对保证采煤机正常运转有着重要的意义。

1 采煤机截割减速器的介绍及工作原理

采煤机截割部中的减速器是采煤机重要的传动部件，其零部件组成主要包含太阳轮、四个行星轮、行星架及内齿轮等，工作原理是利用输入轴、中间减速器将系统产生的动力传递给减速器，减速器通过减速作用后，再利用两端的行星机构传递出去，进而支配两端的滚筒作用动作，实现割煤动作的完成。对于行星减速器的转动减速，既可以使行星机构围绕自身轴线自转，也可以依靠行星轴带动行星机构沿行星机构轴线中心转动。其中，采煤机截割减速器传动的示意图如图1 所示。

图1 采煤机截割减速器的传动示意图

2 对采煤机截割减速器故障状态时的动力学分析

依据采煤机截割减速器实际工作状态，设定其转速1 800 r/min，负载扭矩2.510 7 N·mm 参数下，对采煤机截割减速器三种故障状态进行动力学分析。

2.1 减速器含断齿故障状态下的分析

通过人为设计作用使减速器大锥齿轮出现断齿故障状态时，对减速器的动态特性进行模拟分析，得到下页图2 所示的变化图。

对断齿故障状态的结果分析如下：大锥齿轮的理论转频为2 Hz，理论转速为120 r/min，理论啮合频率为60 Hz。由下页图2-1 可看出，当断齿出现故障状态时，锥齿轮对传动齿间的啮合力产生周期性的冲击作用，其频率均值是2.01 Hz，接近于2 Hz，即接近故障齿轮的理论转频，且冲击幅度较大；由下页图2-2 可看出，当断齿出现故障状态时，在59.97 Hz、120 Hz 和180 Hz 三处频谱下，幅值达最大，不仅接近于高次谐波，也接近于齿轮的理论啮合频率60 Hz。此外，由下页图2 还可看出，在啮合频率和高次谐波的两侧出现宽而高的调制边频带。

图2 断齿故障时，锥齿轮对啮合力的时域图和频域图

2.2 减速器含齿形故障状态下的分析

针对减速器含轻微齿形故障状态，本文设计将采煤机截割减速器任意一个轮齿的轮廓曲线单边向里偏移0.1 mm，即大约占齿廓厚度均值的0.67%，得到图3 所示的变化图。

图3 轻微齿形故障时，锥齿轮对啮合力的时域图和频域图

由图3-1 可知，在轻微齿形故障状态下，同样，锥齿轮对传动齿间的啮合力产生周期性的冲击作用，其频率均值大小是2.02 Hz，即接近故障齿轮的理论转频。

针对减速器含有严重齿形故障状态，本文设计将采煤机截割减速器任意一个轮齿的轮廓曲线单边向里偏移0.2 mm，即大约占齿廓厚度均值的1.34%，得到图4 所示的变化图。

由图4-1 可看出，在严重齿形故障状态下，同样会使锥齿轮对传动齿间的啮合力产生周期性的冲击作用，其频率均值大小是2.01 Hz，接近于2 Hz，即接近故障齿轮的理论转频。由图2-1、图3-1、图4-1对比可知，关于冲击幅度的大小，断齿故障状态下的比严重齿形故障下的大，而严重齿形故障状态下的又比轻微齿形故障下的大。

图4 严重齿形故障时，锥齿轮对啮合力的时域图和频域图

由图3-2 和图4-2 对比可知，出现齿形故障状态时，在59.97 Hz、120 Hz 和180 Hz 三处频谱下，幅值达最大，同样，接近齿轮的高次谐波和理论啮合频率。对于轻微齿形故障状态，出现在啮合频率及其倍频附近的边频带较少；而对于严重齿形故障状态，变频带同样也出现在啮合频率及其倍频附近，幅值稀疏且小。

综合上述结果可得出，断齿和齿形三种故障状态均会使锥齿轮对传动齿间的啮合力产生周期性的冲击作用，其频率值大小刚好就是故障齿轮的理论转频，随故障状态程度的加大，冲击幅度也增加。此外，在三种故障状态下的振动信号频谱图均出现调制现象，是以齿轮高次谐波以及其啮合频率为载波频率，且随着故障严重程度的加大，调制边频带的幅值、宽度也随之增加。

3 结论

1）在断齿和齿形三种故障状态下，均会使锥齿轮对传动齿间的啮合力产生周期性的冲击作用，其频率值刚好就是故障齿轮的理论转频，且随着故障程度的加大，冲击幅度也增加。

2）在三种故障状态下，振动信号频谱图均出现调制现象，是以齿轮高次谐波及其啮合频率为载波频率，且随着故障严重程度的加大，调制边频带的幅值、宽度也随之增加。