李丹曦

（晉能控股煤業(yè)集團晉城事業(yè)部天安靖豐煤業(yè)， 山西 晉城 048012）

引言

采煤機是礦井綜采面的一種機械化作業(yè)設備，主要負責落煤、裝煤工作，其主要組成包含牽引部、截割部、行走部等。對于采煤機截割部，其內部的電動機經齒輪驅動進行轉動，經搖臂中各級齒輪及行星減速器來達到降低轉速并驅動滾筒轉動的目的，所以，采煤機截割部行星齒輪減速器作為采煤機的關鍵結構部件，其主要作用是傳送截割工作扭矩，因此其機械性能的好壞在很大程度上影響著采煤機工作性能的優(yōu)劣。由于采煤機在礦井下工作環(huán)境惡劣、條件差，采煤機截割減速器的結構必須緊湊，才能保證采煤機的工作性能，因此，行星減速器也是采煤機構成中較薄弱的一個組成部分。

在煤礦實際開采中，采煤機的截割減速器、機械傳動、液壓傳動等部件，都會因實際動載荷太大而發(fā)生各種故障現象[1-2]。相關統(tǒng)計表明，由采煤機齒輪引起的故障約占機械傳動故障的80%左右，所以研究減速器齒輪故障對保證采煤機正常運轉有著重要的意義。

1 采煤機截割減速器的介紹及工作原理

采煤機截割部中的減速器是采煤機重要的傳動部件，其零部件組成主要包含太陽輪、四個行星輪、行星架及內齒輪等，工作原理是利用輸入軸、中間減速器將系統(tǒng)產生的動力傳遞給減速器，減速器通過減速作用后，再利用兩端的行星機構傳遞出去，進而支配兩端的滾筒作用動作，實現割煤動作的完成。對于行星減速器的轉動減速，既可以使行星機構圍繞自身軸線自轉，也可以依靠行星軸帶動行星機構沿行星機構軸線中心轉動。其中，采煤機截割減速器傳動的示意圖如圖1 所示。

圖1 采煤機截割減速器的傳動示意圖

2 對采煤機截割減速器故障狀態(tài)時的動力學分析

依據采煤機截割減速器實際工作狀態(tài)，設定其轉速1 800 r/min，負載扭矩2.510 7 N·mm 參數下，對采煤機截割減速器三種故障狀態(tài)進行動力學分析。

2.1 減速器含斷齒故障狀態(tài)下的分析

通過人為設計作用使減速器大錐齒輪出現斷齒故障狀態(tài)時，對減速器的動態(tài)特性進行模擬分析，得到下頁圖2 所示的變化圖。

對斷齒故障狀態(tài)的結果分析如下：大錐齒輪的理論轉頻為2 Hz，理論轉速為120 r/min，理論嚙合頻率為60 Hz。由下頁圖2-1 可看出，當斷齒出現故障狀態(tài)時，錐齒輪對傳動齒間的嚙合力產生周期性的沖擊作用，其頻率均值是2.01 Hz，接近于2 Hz，即接近故障齒輪的理論轉頻，且沖擊幅度較大；由下頁圖2-2 可看出，當斷齒出現故障狀態(tài)時，在59.97 Hz、120 Hz 和180 Hz 三處頻譜下，幅值達最大，不僅接近于高次諧波，也接近于齒輪的理論嚙合頻率60 Hz。此外，由下頁圖2 還可看出，在嚙合頻率和高次諧波的兩側出現寬而高的調制邊頻帶。

圖2 斷齒故障時，錐齒輪對嚙合力的時域圖和頻域圖

2.2 減速器含齒形故障狀態(tài)下的分析

針對減速器含輕微齒形故障狀態(tài)，本文設計將采煤機截割減速器任意一個輪齒的輪廓曲線單邊向里偏移0.1 mm，即大約占齒廓厚度均值的0.67%，得到圖3 所示的變化圖。

圖3 輕微齒形故障時，錐齒輪對嚙合力的時域圖和頻域圖

由圖3-1 可知，在輕微齒形故障狀態(tài)下，同樣，錐齒輪對傳動齒間的嚙合力產生周期性的沖擊作用，其頻率均值大小是2.02 Hz，即接近故障齒輪的理論轉頻。

針對減速器含有嚴重齒形故障狀態(tài)，本文設計將采煤機截割減速器任意一個輪齒的輪廓曲線單邊向里偏移0.2 mm，即大約占齒廓厚度均值的1.34%，得到圖4 所示的變化圖。

由圖4-1 可看出，在嚴重齒形故障狀態(tài)下，同樣會使錐齒輪對傳動齒間的嚙合力產生周期性的沖擊作用，其頻率均值大小是2.01 Hz，接近于2 Hz，即接近故障齒輪的理論轉頻。由圖2-1、圖3-1、圖4-1對比可知，關于沖擊幅度的大小，斷齒故障狀態(tài)下的比嚴重齒形故障下的大，而嚴重齒形故障狀態(tài)下的又比輕微齒形故障下的大。

圖4 嚴重齒形故障時，錐齒輪對嚙合力的時域圖和頻域圖

由圖3-2 和圖4-2 對比可知，出現齒形故障狀態(tài)時，在59.97 Hz、120 Hz 和180 Hz 三處頻譜下，幅值達最大，同樣，接近齒輪的高次諧波和理論嚙合頻率。對于輕微齒形故障狀態(tài)，出現在嚙合頻率及其倍頻附近的邊頻帶較少；而對于嚴重齒形故障狀態(tài)，變頻帶同樣也出現在嚙合頻率及其倍頻附近，幅值稀疏且小。

綜合上述結果可得出，斷齒和齒形三種故障狀態(tài)均會使錐齒輪對傳動齒間的嚙合力產生周期性的沖擊作用，其頻率值大小剛好就是故障齒輪的理論轉頻，隨故障狀態(tài)程度的加大，沖擊幅度也增加。此外，在三種故障狀態(tài)下的振動信號頻譜圖均出現調制現象，是以齒輪高次諧波以及其嚙合頻率為載波頻率，且隨著故障嚴重程度的加大，調制邊頻帶的幅值、寬度也隨之增加。

3 結論

1）在斷齒和齒形三種故障狀態(tài)下，均會使錐齒輪對傳動齒間的嚙合力產生周期性的沖擊作用，其頻率值剛好就是故障齒輪的理論轉頻，且隨著故障程度的加大，沖擊幅度也增加。

2）在三種故障狀態(tài)下，振動信號頻譜圖均出現調制現象，是以齒輪高次諧波及其嚙合頻率為載波頻率，且隨著故障嚴重程度的加大，調制邊頻帶的幅值、寬度也隨之增加。