采煤机摇臂齿轮箱故障与可靠性分析

梁 斌

（阳煤寺家庄公司， 山西 昔阳 045300）

引言

某矿区近几年屡发采煤机摇臂齿轮箱故障，自2011年起至2017年，故障发生率从28.2%逐渐上升，2017年12月统计全年采煤机摇臂齿轮故障率高达40.0%（如表1所示），故障区域多集中于高速区齿轮轴承、低速区行星齿轮系统以及冷却密封故障等方面，其中以行星轮断齿、大圆锥轴承故障、浮动密封受损导致漏油、内齿圈断齿最为常见。

1 采煤机摇臂齿轮箱故障分析

采煤机摇臂齿轮箱故障是影响煤矿生产的一个重要因素，其故障率在近年来不断升高。摇臂齿轮故障发生率随着采煤机老化逐渐发展为劣化[1]。从采煤机截割部结构分析来看，摇臂齿轮箱是动力传动系统的关键部件，其故障发生率往往对综采面生产效率产生严重制约。同时，摇臂齿轮箱进口价格极为高昂，井下综采作业面也难以完成零部件的现场更换工作，特别是摇臂部件的更换费时费力，大部分情况下只能采取停机拆解的方法运载至地面再行更换摇臂，这对煤矿企业均衡生产计划产生严重影响[2]。所以，采取有效方法对摇臂齿轮箱运行状态和实际工况做出预判和评估，预防突发性齿轮箱故障，降低非计划停机率，保障摇臂齿轮箱运行可靠性，成为煤矿企业提高作业效率、控制生产成本的一个重要途径。

2 采煤机摇臂齿轮箱故障诊断方法

采煤机摇臂齿轮箱安装方式以及工作方式较为特殊，截割滚筒、摇臂齿轮箱以及截割电机均于截割部连接安装，采煤机截割部和机身之间的连接由摇臂耳座销轴完成。随着生产工艺变化和工作面采高变化，摇臂齿轮箱与截割部随着液压油缸的调节而相应调整，这一工作方式同普通工业固定齿轮箱存在明显差异，其与普通工业齿轮箱相比，摇臂齿轮箱所用故障诊断方法也相对滞后。现阶段，大部分煤矿企业多利用定期采集齿轮箱润滑油样本来监测、评估摇臂齿轮箱运行状态，主要是通过铁谱分析来评估齿轮箱运行趋势，可在一定程度上指导实践。但是铁谱分析结果可能受到主客观人为因素的影响，其准确性以及实时性不佳，难以满足摇臂齿轮箱故障诊断分析要求，尤其对于突发性摇臂齿轮箱故障的诊断显得更为乏力。一般来说，采用铁谱分析明确的故障往往是一些严重故障，检测人员很难就故障类型做出及时有效的判断和评价。目前最佳监测方法是离线状态下采集采煤机摇臂齿轮箱振动信号，也可于在线状态下将在线振动传感器安装在采煤机摇臂齿轮箱内部，收集齿轮箱振动信号，通过现代信号处理技术将其中异常振动信号提取出来，结合信号频率、信号幅值等特性对齿轮箱故障部位做出快速准确判别，以便于及时处理故障劣化现象并做出有效预防工作，确保工作状态下摇臂齿轮箱的可靠性。考虑到煤矿井下作业环境比较恶劣，生产条件较差，这对摇臂齿轮箱运行和故障监测工作造成较大影响，特别是振动信号采集受到较大制约。随着以本安电子技术为代表的信号监测技术不断发展，其安全管理水平不断提升，井下信号采集分析精准性也随之提升[3]。

表1 某矿区2011—2017年电牵引采煤机摇臂齿轮箱故障率统计

3 采煤机摇臂齿轮箱可靠性分析

所谓可靠性分析，主要是确保设备长期安全无故障运行的一种分析处理过程，而设备可靠性(这里主要为煤矿机电设备)则是在规定的时间以及环境下实现某种特定功能的性能。运行过程中，机电设备可靠性可能受到机电设备设计、整个制作流程、作业环境、后期运行和运维条件等因素的影响，所以设备可靠性分析也应有所侧重。通常情况下设备可靠性包括本质与使用两类，本质可靠性主要包括设备设计、设备制造、安装直至试运转完成这一过程中设备本身所凸显的可靠性，我们将其称之为“先天可靠性”；使用可靠性则包括运行状态下设备运维管理以及技改等诸多环节中设备的可靠性，即我们所说的“后天可靠性”[4]。

如果本质可靠性与使用可靠性中的某一项性能比较低，或两项性能均处于低值，那么设备出现故障几率较大。针对故障采取相应的对策，关键在于从本质可靠性以及使用可靠性两个方面有效识别故障原因。如果设备的本质可靠性较高，那么后期提高其使用可靠性也变得相对简单；倘若本质可靠性比较差，即便后期再努力，也很难从根本上提高设备的使用可靠性。从本质意义上来看，要想有效避免设备故障，就要充分关注和改善机电设备的本质可靠性，这才是提高设备使用性能最有效的对策，也就是我们所说的重视并优化设备设计、制造以及安装调试流程，确保设备生产质量。就普通工矿企业而言，采用针对性的管理措施确保设备使用可靠性是最重要和最现实的做法。

4 加强摇臂齿轮箱可靠性的有效措施

4.1 优化摇臂齿轮箱结构设计

首先，应对摇臂齿轮箱结构进行优化，并加强结构部件的硬度和强度；其次，积极解决浮动密封受损引起的漏油故障，对浮动密封形式加以改进，做好密封结构的优化处理；最后，对齿轮箱内部不同轴孔之间的配合关系进行优化。

4.2 加强对设备的运维管理

首先，对采煤机操作规程加以规范，确保各项操作规程得到执行和落实，严禁违规操作行为；其次，落实均衡生产制度，做好设备日常运维管理，实施精细化检修模式；最后，加强管理，落实现场运行检查与监督机制。

4.3 运用先进的设备状态监测技术

1）就现阶段的设备管理而言，设备状态监测的意义越来越重要。生产企业充分意识到开展关键重点设备状态监测工作的意义和重要性，对设备技术状态作出预判评估，降低非计划停机率，提高使用效率，为安全生产提供必要保障，创造出更多的经济效益[6]。对采煤机而言，油液铁谱分析是比较常用的监测技术手段，其主要是对油液中是否含有磨损颗粒、磨损严重情况进行检查，以评估齿轮箱工况。

2）严格落实信息化点检制度，加强设备监测管理。

3）积极引入振动信号采集、机械振动监测以及信号分析处理技术，实现齿轮箱工况的精密诊断。

5 结语

采煤机各组成部分中，摇臂齿轮箱是工作面割煤动力的直接传动部件，其运行状况健康与否将对采煤机开机率产生重要影响。因此，加强摇臂齿轮可靠性，有助于企业提高作业效率，控制生产成本。