韓玉龍

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

現(xiàn)代化采煤機(jī)截割部由電機(jī)、齒輪箱以及滾筒組成，通過搖臂銷軸與采煤機(jī)的機(jī)身連接在一起，隨著煤層開采高度的改變，可相應(yīng)調(diào)整采煤機(jī)截割部的高度以適應(yīng)煤層厚度的變化，整體上采煤機(jī)的運(yùn)行條件較為復(fù)雜，這是開采環(huán)境和采煤機(jī)運(yùn)行模式綜合作用的結(jié)果[1-3]。由于長(zhǎng)時(shí)間的截割工作，采煤機(jī)內(nèi)部構(gòu)件容易老化耗損，而據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采煤機(jī)搖臂齒輪箱發(fā)生故障的可能性最大，極大程度影響著工作面的安全高效生產(chǎn)，由此本文對(duì)采煤機(jī)搖臂齒輪箱振動(dòng)及故障的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 齒輪箱故障振動(dòng)機(jī)理

采煤機(jī)齒輪箱的傳動(dòng)系統(tǒng)主要由齒輪和軸承構(gòu)成，可將其視為復(fù)雜的非線性振動(dòng)系統(tǒng)，故完全按照齒輪箱的結(jié)構(gòu)建立等效的分析模型是十分困難的，故在此不考慮影響齒輪箱故障的次要因素，視單對(duì)齒輪傳動(dòng)為振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模型建立，則建立的振動(dòng)物理模型如圖1所示。

圖1 齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)模型示意圖

基于機(jī)械振動(dòng)的理論得到齒輪的動(dòng)力學(xué)公式，如公式1所示。

式中：M=（m1m2）/（m1+m2），C為嚙合阻尼，x為齒輪沿著嚙合線的相對(duì)位移，k（t）為嚙合齒輪的剛度值，F(xiàn)（t）為外界激勵(lì)。

外界激勵(lì)指齒輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下形成的振動(dòng)和齒輪箱發(fā)生故障時(shí)形成的沖擊，影響因素眾多，有齒輪的剛度強(qiáng)度以及齒輪嚙合產(chǎn)生的摩擦力等。

1.1 振動(dòng)激勵(lì)研究

振動(dòng)激勵(lì)可分為內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)兩部分，外部激勵(lì)一般為負(fù)載的阻力以及原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力等，而內(nèi)部激勵(lì)是振動(dòng)激勵(lì)的主要原因，它是在齒輪嚙合的過程中形成的，而研究齒輪振動(dòng)機(jī)理的主要內(nèi)容為內(nèi)部激勵(lì)，內(nèi)部激勵(lì)主要由以下幾個(gè)部分組成。

1.1.1 剛度激勵(lì)

基于齒輪箱齒輪嚙合傳動(dòng)的機(jī)理，則可以發(fā)現(xiàn)大部分情況下齒輪嚙合的重合數(shù)不是整數(shù)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，齒輪嚙合時(shí)重合的齒輪齒對(duì)數(shù)呈現(xiàn)為周期性的變化趨勢(shì)。齒輪嚙合剛度的變化主要受嚙合的重合系數(shù)以及齒輪類型的影響，總體上剛度激勵(lì)構(gòu)成部分為：齒輪嚙合時(shí)單齒雙齒交替嚙合形成的剛度以及齒輪所受周期性變化載荷而產(chǎn)生的對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)。

1.1.2 誤差激勵(lì)

齒輪箱齒輪制造誤差和故障會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)發(fā)生。齒輪在制造過程中齒輪齒距的不等以及輪齒大小的不一均會(huì)制造誤差，而在采煤機(jī)安裝過程中，如果嚙合齒輪的軸向不平行時(shí)，則嚙合輪齒輪廓并不是完全接觸，這就使得輪齒表面受載不均勻，無法穩(wěn)定地進(jìn)行載荷的傳遞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致斷齒現(xiàn)象發(fā)生。

1.1.3 嚙合沖擊激勵(lì)

如果齒輪嚙合過程中齒輪分離時(shí)的嚙合點(diǎn)偏離理論的嚙合點(diǎn)時(shí)，則會(huì)形成線外嚙合，在齒面間形成沖擊載荷，導(dǎo)致齒輪的振動(dòng)，引發(fā)沖擊激勵(lì)。

1.2 齒輪故障失效形式

有關(guān)資料結(jié)果顯示，在采煤機(jī)齒輪箱零部件失效比例中，齒輪的故障失效所占比例達(dá)到了65%[5]，故需要對(duì)齒輪故障失效的形式進(jìn)行系統(tǒng)分析。在齒輪制造過程中的誤差、齒輪所用材料剛度、齒輪工作狀態(tài)等因素的綜合作用下齒輪故障失效表現(xiàn)出了較多的形式，主要可分為以下幾類。

1.2.1 齒面磨損

如果齒輪在嚙合過程中齒面黏附有較多硬質(zhì)顆?；蛘邼?rùn)滑油供應(yīng)不足時(shí)，則齒面會(huì)發(fā)生磨損，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)磨損現(xiàn)象會(huì)愈來愈嚴(yán)重，齒輪嚙合時(shí)無法完全咬合，產(chǎn)生的噪音明顯。

1.2.2 齒面膠合

當(dāng)采煤機(jī)割煤過程中受載較大或者齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)速率較高時(shí)發(fā)生齒面膠合的概率較高，表現(xiàn)為齒輪齒面的潤(rùn)滑油油膜破裂，主要原因是齒輪潤(rùn)滑條件不適。齒面膠合又可分為熱膠合和冷膠合兩種。當(dāng)齒輪由于運(yùn)轉(zhuǎn)速率較高而使得接觸面間的摩擦增大，溫度升高時(shí)，潤(rùn)滑油的作用會(huì)大大減弱而使得油膜撕裂，此時(shí)發(fā)生熱膠合；當(dāng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)速率較低而所受載荷較大時(shí)齒輪局部齒面間的受力較大，則齒輪會(huì)在局部高應(yīng)力作用下而產(chǎn)生塑性屈服，從而形成冷膠合。

1.2.3 接觸疲勞

齒輪嚙合過程是滑動(dòng)與滾動(dòng)綜合的過程，則在此過程中齒輪齒面會(huì)受到脈動(dòng)循環(huán)變化的切向應(yīng)力，這種力會(huì)反復(fù)作用于齒輪，從而導(dǎo)致齒面局部位置發(fā)生金屬剝蝕，進(jìn)而導(dǎo)致接觸疲勞現(xiàn)象的發(fā)生。

2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)和故障機(jī)理

2.1 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理可表示為圖2所示的結(jié)構(gòu)。滾動(dòng)軸承自身結(jié)構(gòu)特征以及故障共同作用形成了軸承的振動(dòng)。

圖2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理結(jié)構(gòu)示意圖

滾動(dòng)軸承自身的結(jié)構(gòu)決定了上層滾動(dòng)體的受載最為顯著，下層滾動(dòng)體的受載最不明顯。在軸承回轉(zhuǎn)的過程中，下層滾動(dòng)體向著非載荷中心線方向滾動(dòng)，從而形成了軸頸的位移，主要表現(xiàn)為上下的微動(dòng)和水平方向的微動(dòng)。滾動(dòng)體每次通過載荷中心線時(shí)均會(huì)對(duì)軸承座和軸頸形成沖擊激勵(lì)，而沖擊激勵(lì)頻率可通過公式（2）計(jì)算。

式中：Z為滾動(dòng)體的數(shù)量，fb為保持架轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。

當(dāng)滾動(dòng)軸承在運(yùn)行時(shí)受到的外力作用較大或者受到?jīng)_擊作用時(shí)，則內(nèi)外滾動(dòng)體會(huì)形成裂隙等缺陷而形成損傷，在損傷位置會(huì)形成較為微弱的高頻沖擊脈沖信號(hào)，該信號(hào)包括軸承本身的固有頻率以及故障頻率。

2.2 滾動(dòng)軸承的故障特征頻率

對(duì)滾動(dòng)軸承故障特征頻率的分析是研究軸承故障的關(guān)鍵。軸承發(fā)生損傷的位置在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)與其相互接觸的部件發(fā)生持續(xù)性的撞擊，從而形成低頻振動(dòng)，而該頻率一般低于1 kHz，稱之為故障特征頻率。軸承振動(dòng)的頻譜可分為低頻、中頻和高頻三個(gè)階段，如圖3所示，低頻即為故障特征頻率。

圖3 軸承振動(dòng)的頻譜示意圖

低頻區(qū)（故障特征頻率）信號(hào)容易受到齒輪振動(dòng)的干擾，同時(shí)在軸承故障的初始時(shí)間該區(qū)段反應(yīng)局部損傷特征頻率信息的能量較低，故無法在軸承發(fā)生故障的初始時(shí)刻對(duì)具體故障原因進(jìn)行分析，但可以診斷得到軸承安裝不合理以及保持架變形等故障。而中高頻區(qū)的頻率相對(duì)較大，對(duì)其進(jìn)行分析可以診斷得到軸承的早期故障，一般利用共振解調(diào)手段來得到信噪比較高的信號(hào)來進(jìn)行診斷。

3 結(jié)語

現(xiàn)代化礦井的開采效率較高，采煤機(jī)的工作處于高強(qiáng)度狀態(tài)，同時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間的截割工作，采煤機(jī)內(nèi)部構(gòu)件容易老化耗損。采煤機(jī)搖臂齒輪箱結(jié)果極其復(fù)雜，需通過研究齒輪的振動(dòng)激勵(lì)和故障失效形式以及分析滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理和故障特征頻率，進(jìn)而得到采煤機(jī)搖臂齒輪箱振動(dòng)及故障的機(jī)理，以減少采煤機(jī)搖臂齒輪箱發(fā)生故障的概率，保障工作面的安全高效生產(chǎn)。