采煤機搖臂齒輪箱故障與可靠性分析

梁 斌

（陽煤寺家莊公司， 山西 昔陽 045300）

引言

某礦區(qū)近幾年屢發(fā)采煤機搖臂齒輪箱故障，自2011年起至2017年，故障發(fā)生率從28.2%逐漸上升，2017年12月統(tǒng)計全年采煤機搖臂齒輪故障率高達40.0%（如表1所示），故障區(qū)域多集中于高速區(qū)齒輪軸承、低速區(qū)行星齒輪系統(tǒng)以及冷卻密封故障等方面，其中以行星輪斷齒、大圓錐軸承故障、浮動密封受損導致漏油、內齒圈斷齒最為常見。

1 采煤機搖臂齒輪箱故障分析

采煤機搖臂齒輪箱故障是影響煤礦生產(chǎn)的一個重要因素，其故障率在近年來不斷升高。搖臂齒輪故障發(fā)生率隨著采煤機老化逐漸發(fā)展為劣化[1]。從采煤機截割部結構分析來看，搖臂齒輪箱是動力傳動系統(tǒng)的關鍵部件，其故障發(fā)生率往往對綜采面生產(chǎn)效率產(chǎn)生嚴重制約。同時，搖臂齒輪箱進口價格極為高昂，井下綜采作業(yè)面也難以完成零部件的現(xiàn)場更換工作，特別是搖臂部件的更換費時費力，大部分情況下只能采取停機拆解的方法運載至地面再行更換搖臂，這對煤礦企業(yè)均衡生產(chǎn)計劃產(chǎn)生嚴重影響[2]。所以，采取有效方法對搖臂齒輪箱運行狀態(tài)和實際工況做出預判和評估，預防突發(fā)性齒輪箱故障，降低非計劃停機率，保障搖臂齒輪箱運行可靠性，成為煤礦企業(yè)提高作業(yè)效率、控制生產(chǎn)成本的一個重要途徑。

2 采煤機搖臂齒輪箱故障診斷方法

采煤機搖臂齒輪箱安裝方式以及工作方式較為特殊，截割滾筒、搖臂齒輪箱以及截割電機均于截割部連接安裝，采煤機截割部和機身之間的連接由搖臂耳座銷軸完成。隨著生產(chǎn)工藝變化和工作面采高變化，搖臂齒輪箱與截割部隨著液壓油缸的調節(jié)而相應調整，這一工作方式同普通工業(yè)固定齒輪箱存在明顯差異，其與普通工業(yè)齒輪箱相比，搖臂齒輪箱所用故障診斷方法也相對滯后。現(xiàn)階段，大部分煤礦企業(yè)多利用定期采集齒輪箱潤滑油樣本來監(jiān)測、評估搖臂齒輪箱運行狀態(tài)，主要是通過鐵譜分析來評估齒輪箱運行趨勢，可在一定程度上指導實踐。但是鐵譜分析結果可能受到主客觀人為因素的影響，其準確性以及實時性不佳，難以滿足搖臂齒輪箱故障診斷分析要求，尤其對于突發(fā)性搖臂齒輪箱故障的診斷顯得更為乏力。一般來說，采用鐵譜分析明確的故障往往是一些嚴重故障，檢測人員很難就故障類型做出及時有效的判斷和評價。目前最佳監(jiān)測方法是離線狀態(tài)下采集采煤機搖臂齒輪箱振動信號，也可于在線狀態(tài)下將在線振動傳感器安裝在采煤機搖臂齒輪箱內部，收集齒輪箱振動信號，通過現(xiàn)代信號處理技術將其中異常振動信號提取出來，結合信號頻率、信號幅值等特性對齒輪箱故障部位做出快速準確判別，以便于及時處理故障劣化現(xiàn)象并做出有效預防工作，確保工作狀態(tài)下?lián)u臂齒輪箱的可靠性?？紤]到煤礦井下作業(yè)環(huán)境比較惡劣，生產(chǎn)條件較差，這對搖臂齒輪箱運行和故障監(jiān)測工作造成較大影響，特別是振動信號采集受到較大制約。隨著以本安電子技術為代表的信號監(jiān)測技術不斷發(fā)展，其安全管理水平不斷提升，井下信號采集分析精準性也隨之提升[3]。

表1 某礦區(qū)2011—2017年電牽引采煤機搖臂齒輪箱故障率統(tǒng)計

3 采煤機搖臂齒輪箱可靠性分析

所謂可靠性分析，主要是確保設備長期安全無故障運行的一種分析處理過程，而設備可靠性(這里主要為煤礦機電設備)則是在規(guī)定的時間以及環(huán)境下實現(xiàn)某種特定功能的性能。運行過程中，機電設備可靠性可能受到機電設備設計、整個制作流程、作業(yè)環(huán)境、后期運行和運維條件等因素的影響，所以設備可靠性分析也應有所側重。通常情況下設備可靠性包括本質與使用兩類，本質可靠性主要包括設備設計、設備制造、安裝直至試運轉完成這一過程中設備本身所凸顯的可靠性，我們將其稱之為“先天可靠性”；使用可靠性則包括運行狀態(tài)下設備運維管理以及技改等諸多環(huán)節(jié)中設備的可靠性，即我們所說的“后天可靠性”[4]。

如果本質可靠性與使用可靠性中的某一項性能比較低，或兩項性能均處于低值，那么設備出現(xiàn)故障幾率較大。針對故障采取相應的對策，關鍵在于從本質可靠性以及使用可靠性兩個方面有效識別故障原因。如果設備的本質可靠性較高，那么后期提高其使用可靠性也變得相對簡單；倘若本質可靠性比較差，即便后期再努力，也很難從根本上提高設備的使用可靠性。從本質意義上來看，要想有效避免設備故障，就要充分關注和改善機電設備的本質可靠性，這才是提高設備使用性能最有效的對策，也就是我們所說的重視并優(yōu)化設備設計、制造以及安裝調試流程，確保設備生產(chǎn)質量。就普通工礦企業(yè)而言，采用針對性的管理措施確保設備使用可靠性是最重要和最現(xiàn)實的做法。

4 加強搖臂齒輪箱可靠性的有效措施

4.1 優(yōu)化搖臂齒輪箱結構設計

首先，應對搖臂齒輪箱結構進行優(yōu)化，并加強結構部件的硬度和強度；其次，積極解決浮動密封受損引起的漏油故障，對浮動密封形式加以改進，做好密封結構的優(yōu)化處理；最后，對齒輪箱內部不同軸孔之間的配合關系進行優(yōu)化。

4.2 加強對設備的運維管理

首先，對采煤機操作規(guī)程加以規(guī)范，確保各項操作規(guī)程得到執(zhí)行和落實，嚴禁違規(guī)操作行為；其次，落實均衡生產(chǎn)制度，做好設備日常運維管理，實施精細化檢修模式；最后，加強管理，落實現(xiàn)場運行檢查與監(jiān)督機制。

4.3 運用先進的設備狀態(tài)監(jiān)測技術

1）就現(xiàn)階段的設備管理而言，設備狀態(tài)監(jiān)測的意義越來越重要。生產(chǎn)企業(yè)充分意識到開展關鍵重點設備狀態(tài)監(jiān)測工作的意義和重要性，對設備技術狀態(tài)作出預判評估，降低非計劃停機率，提高使用效率，為安全生產(chǎn)提供必要保障，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟效益[6]。對采煤機而言，油液鐵譜分析是比較常用的監(jiān)測技術手段，其主要是對油液中是否含有磨損顆粒、磨損嚴重情況進行檢查，以評估齒輪箱工況。

2）嚴格落實信息化點檢制度，加強設備監(jiān)測管理。

3）積極引入振動信號采集、機械振動監(jiān)測以及信號分析處理技術，實現(xiàn)齒輪箱工況的精密診斷。

5 結語

采煤機各組成部分中，搖臂齒輪箱是工作面割煤動力的直接傳動部件，其運行狀況健康與否將對采煤機開機率產(chǎn)生重要影響。因此，加強搖臂齒輪可靠性，有助于企業(yè)提高作業(yè)效率，控制生產(chǎn)成本。