田志平

（沈陽煤業(yè)（集團(tuán)）機(jī)械制造有限公司，遼寧 沈陽 110123）

引言

齒輪箱是采煤機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，主要用于將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力控制行走機(jī)構(gòu)或者搖臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，其工作的穩(wěn)定性和安全性直接決定了采煤機(jī)的運(yùn)行可靠性和井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。采煤機(jī)的齒輪箱機(jī)械傳動(dòng)部件主要包括了齒輪機(jī)構(gòu)和行星機(jī)構(gòu)等，涉及的零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了降低設(shè)計(jì)的難度，目前均采用對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的受力和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行獨(dú)立分析和監(jiān)測(cè)的方式，但其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際存在著一定的差異性，導(dǎo)致了采煤機(jī)齒輪箱機(jī)械傳動(dòng)部件在運(yùn)行時(shí)的故障率高、可靠性差，已經(jīng)成為影響采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的首要因素。因此結(jié)合仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，本文提出了一種新的采煤機(jī)齒輪箱機(jī)械傳動(dòng)部件集成設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)方案。

1 齒輪箱三維建模

為了對(duì)齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)分析，利用三維建模軟件按齒輪箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，在建模的過程中考慮到集成分析難度和精確性需求，采用了適度優(yōu)化的方案，將齒輪箱的靜態(tài)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將參與傳遞的動(dòng)態(tài)部分按實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行建模，既能夠降低建模工作量，又能夠在兼顧仿真分析結(jié)果的情況下有效地提升仿真分析準(zhǔn)確性[1]。

建模完成后在對(duì)各個(gè)零件的屬性進(jìn)行定義時(shí)，為了便于分析中不斷調(diào)整各零件參數(shù)，獲取最佳的設(shè)計(jì)效果，對(duì)各零件的參數(shù)設(shè)置了相關(guān)聯(lián)屬性，通過改變指定零件的參數(shù)，與之相關(guān)聯(lián)的零件參數(shù)能夠自動(dòng)發(fā)生變化，從而滿足自動(dòng)調(diào)整分析的需求，采煤機(jī)齒輪箱機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 齒輪箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型

在進(jìn)行仿真分析前，利用SMRT-SIZE 命令來對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]，其劃分方式可采用自由網(wǎng)格劃分方法，在傳動(dòng)齒輪輪齒和傳動(dòng)軸等受力集中的位置采用六面體網(wǎng)格劃分的方式，滿足分析效率和仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確性的需求。

由于傳動(dòng)過程中齒輪箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)齒輪的受力方向?yàn)檠刂鴩Ш暇€四周分布，為了簡(jiǎn)化受力分析，采用受力平均簡(jiǎn)化的方式，將其受力方向統(tǒng)一到沿著嚙合線方向。在齒輪和傳動(dòng)軸連接的位置各個(gè)載荷是以均布的方式作用在連接位置，傳動(dòng)軸在受力過程中將受到扭轉(zhuǎn)力矩和花鍵作用在上面的均布力，是各種載荷的最終集聚位置，因此最容易出現(xiàn)故障，傳動(dòng)軸的受力分析如圖2 所示。

圖2 傳動(dòng)軸受力（MPa）分析示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，在采煤機(jī)滿負(fù)荷工作的狀態(tài)下，齒輪軸上最大的載荷出現(xiàn)在齒輪嚙合位置，約為98.6 MPa，作用在齒輪軸中部凹槽處的載荷次之，約為86.3 MPa。而采用獨(dú)立受力分析時(shí)，最大載荷是分布在齒輪軸凹槽處，因此造成了對(duì)齒輪軸凹槽處過渡保護(hù)，對(duì)齒輪嚙合點(diǎn)位置保護(hù)不足，在長期滿負(fù)荷受力情況下出現(xiàn)變形、破損等。由此可見采用集成仿真分析的方式能夠真實(shí)地反應(yīng)出齒輪箱內(nèi)零件的受力狀態(tài)，為進(jìn)行合理的優(yōu)化提供參考。

2 集成NEST 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采煤機(jī)齒輪箱在運(yùn)行過程中處于密封狀態(tài)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案無法進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱的運(yùn)行異常狀態(tài)，給采煤機(jī)的正常運(yùn)行造成了較大的隱患。因此本文提出了一種新的集成NEST[3]（非線性狀態(tài)估計(jì)）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其集成監(jiān)測(cè)流程如圖3 所示[4]。

圖3 集成NEST 監(jiān)測(cè)原理

由圖3 可知，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)處理、分析模型構(gòu)架及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三個(gè)部分。在數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)齒輪箱在不同階段的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，并從中確認(rèn)異常參數(shù)的輸入狀態(tài)變量和輸出狀態(tài)變量，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行近期和遠(yuǎn)期分類。在分析模型架構(gòu)建立時(shí)依據(jù)聚類有效性來設(shè)置具體的指標(biāo)，分析算法選擇參數(shù)回歸算法，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行逐類對(duì)比，提升數(shù)據(jù)分析的速度和有效性，避免出現(xiàn)遺漏和數(shù)據(jù)沖突。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分，主要是對(duì)齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)情況、溫度等進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)際值和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的理論值對(duì)比，將差值進(jìn)行處理及交換，構(gòu)建出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

通過運(yùn)行集成設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)的原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能監(jiān)測(cè)，優(yōu)化后新的采煤機(jī)齒輪箱的運(yùn)行故障數(shù)量由最初的30.6 次/月，降低到了目前的2.1 次/月，運(yùn)行故障率平均下降93.2%以上，顯著提升了采煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）采用集成仿真分析的方式能夠真實(shí)反應(yīng)齒輪箱內(nèi)零件的受力狀態(tài)，為進(jìn)行合理的優(yōu)化提供參考；

2）集成NEST（非線性狀態(tài)估計(jì)）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括了數(shù)據(jù)處理、分析模型構(gòu)架及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3 個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警；

3）新的集成設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)方案能夠?qū)X輪箱的運(yùn)行故障率降低93.2%以上，顯著提升了采煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。