采煤机摇臂齿轮箱故障诊断技术分析

王小佩

（西山煤电集团屯兰矿， 山西 古交 030206）

引言

采煤机为综采工作面的关键设备，承担着工作面煤层的截割和落煤任务。在当前高效率、高安全生产发展方向的大背景下，结合工作面高强度、大功率的生产需求，对采煤机的性能提出了更高的要求。经实践表明，采煤机摇臂齿轮箱为其相对薄弱的环节，在实际生产中频繁地出现事故。据统计可知，由于摇臂齿轮箱故障导致采煤机故障的比例高达34.2%，该项指标已经影响到采煤机的开机率，进而影响工作面高效率的生产[1]。本文重点针对采煤机薄弱环节齿轮箱的故障诊断技术进行研究。

1 采煤机摇臂齿轮箱结构及其故障分析

1.1 采煤机摇臂齿轮箱结构

普通电牵引采煤机由截割部、牵引部、电气控制箱等组成。采煤机摇臂齿轮箱为其截割部的重要组成部分，其作为动力传递的关键部件，将截割部电机动力传递至截割滚筒，进而完成落煤和装煤的任务。采煤机摇臂齿轮箱的三维结构如图1 所示。

图1 采煤机摇臂齿轮箱三维结构

如图1 所示，采煤机摇臂齿轮箱内部为截割部的动力传动系统，主要包括有两级直齿圆柱齿轮和两级行星齿轮。上述齿轮轮系组成了采煤机截割部摇臂的减速系统，共包括有两个直齿轮组成的一级直齿轮减速轮系、6 个直齿轮组成的二级直齿轮减速轮系、3 个行星齿轮组成的一级行星齿轮减速轮系、3 个行星齿轮组成的二级行星齿轮减速轮系。其中，在二级直齿轮减速轮系的中间4 个齿轮不发挥减速的作用，仅发挥传递动力的作用，主要目的是增加摇臂的长度，以适应综采工作面采高的要求[2]。同时，整个摇臂齿轮采用飞溅的方式进行润滑。

1.2 摇臂齿轮箱故障

通过对实践生产中采煤机截割部摇臂齿轮箱故障类型进行统计，其频发的故障主要表现为高速区一级减速直齿轮及轴承的故障、低速区二级行星减速轮系的故障以及浮动油封。其中，高速区一级减速直齿轮及轴承的故障占齿轮箱所有故障的42%；低速区二级行星减速轮系的故障占齿轮箱所有故障的30%；浮动油封故障的占比为29%。具体介绍如下：

1.2.1 高速区一级减速直齿轮系

高速区一级减速直齿轮及轴承的故障主要表现为齿轮齿面出现不同程度的磨损、点蚀、擦伤或者胶合等。在实际生产中的直接表现为高速区齿轮出现较强烈的振动并发出较大的噪声，从而引发轴承故障，最终需要通过更换齿轮或者轴承消除故障。

1.2.2 低速区二级行星减速轮系

低速区二级行星减速轮系的故障主要表现为行星齿轮、内齿圈断裂。导致上述故障的主要原因为行星轮系受到了较大的冲击或在长时间内承受过大载荷。

1.2.3 浮动油封

浮动油封故障主要表现为浮动密封遭到损坏。导致上述故障的主要原因为液压油油质变差或疲劳损伤导致密封损坏，从而造成摇臂齿轮箱出现液压油泄露的问题，继而诱发齿轮箱齿轮或者轴承其他故障的发生[3]。

本文重点对摇臂齿轮箱高速区一级减速直齿轮系和低速区二级行星减速轮系的故障进行相应诊断研究。

2 摇臂齿轮箱故障诊断技术

基于对摇臂齿轮箱不同故障反应的信号频谱特征不同，确定摇臂齿轮箱的故障类型。

2.1 摇臂齿轮箱故障信号特征分析

摇臂齿轮箱的故障可以细分为齿轮的故障、滚筒轴承的故障。不同部件的故障类型所反映的信号特征不同。

齿轮的故障失效形式主要表现为齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、断齿和弯曲疲劳等。不同的故障形式所反映的振动信号中的啮合频率不同，为了更加准确地定位齿轮的故障类型，还需对不同故障类型所反映的振动信号中的附加脉冲、隐含谱线以及轴承振动等进行分析。

对于滚筒轴承而言，除了由于其自身结构引起的振动外，故障也是引起其振动的主要原因。当滚动轴承润滑不好、长期承受过载或者载荷突变时，造成其外圈出现剥落、裂纹等缺陷或者局部损伤[4]。因此，滚动轴承故障的振动信号包含有其自身故障的振动频率，还包括有部件自身的振动频率。不同频率对应的滚筒轴承故障如表1 所示。

表1 滚筒轴承故障频率表

2.2 摇臂齿轮箱故障诊断策略

在上述不同故障对应不同振动信号作为支撑的基础上，采用有效的诊断策略也可精准确定采煤机摇臂齿轮箱故障类型及位置。因此，在实际诊断过程中应根据不同故障的频率采取不同的诊断策略，具体介绍如下：

1）针对转动频率及其高次谐波、齿轮啮合频率及其高次谐波，采用频谱分析方法对其进行诊断；

2）针对啮合频率的调制，通过频谱与解调相结合的方法对其进行诊断；

3）针对齿轮固有频率的调制，通过解调谱、细化谱与频谱相结合的方式对其进行诊断；

4）针对采煤机摇臂齿轮箱固有频率的调制，采用解调分析、能量分析、时域与频域相结合的方式对其进行诊断。

3 采煤机摇臂齿轮箱故障诊断测试

在上述对采煤机摇臂齿轮箱故障诊断技术研究的基础上，以7LS06 摇臂齿轮箱为例，在其关键齿轮和轴承部位设置传感器，通过采集其振动信号分析其是否存在故障，并判断故障类型。

采煤机摇臂齿轮箱的高速区一级直齿轮系并未发现明显的故障；采煤机摇臂齿轮箱低速区行星轮系出现了明显的故障频率（193 Hz）及其对应的两次谐波频率。通过与行星轮系对应固有频率进行比对，可以初步判断行星轮头部发生较为严重的故障。而且，通过实践检测可知，行星轮头部表面温度高达98℃后且对行星轮系拆解可知，一级行星轮系发生较为严重的损伤。

4 结语

采煤机为综采工作面的关键设备，设备的稳定性和性能直接决定综采工作面的生产效率和安全性[5]。采煤机截割部摇臂齿轮箱作为其最为薄弱的环节，提前对其故障类型进行获取并精确定位后快速、精准维修，最终提升采煤机开机率具有重要意义。本文具体开展了采煤机摇臂齿轮箱的故障振动技术，并通过实际案例验证了故障诊断技术的效率。通过验证可知，该项故障诊断技术可精准、快速地完成摇臂齿轮箱的故障诊断，可在实际生产中推广应用。