采煤機(jī)截割減速器故障狀態(tài)時的動力學(xué)模擬分析

李丹曦

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

引言

采煤機(jī)是礦井綜采面的一種機(jī)械化作業(yè)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)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(jī)截割部，其內(nèi)部的電動機(jī)經(jīng)齒輪驅(qū)動進(jìn)行轉(zhuǎn)動，經(jīng)搖臂中各級齒輪及行星減速器來達(dá)到降低轉(zhuǎn)速并驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動的目的，所以，采煤機(jī)截割部行星齒輪減速器作為采煤機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其主要作用是傳送截割工作扭矩，因此其機(jī)械性能的好壞在很大程度上影響著采煤機(jī)工作性能的優(yōu)劣。由于采煤機(jī)在礦井下工作環(huán)境惡劣、條件差，采煤機(jī)截割減速器的結(jié)構(gòu)必須緊湊，才能保證采煤機(jī)的工作性能，因此，行星減速器也是采煤機(jī)構(gòu)成中較薄弱的一個組成部分。

在煤礦實(shí)際開采中，采煤機(jī)的截割減速器、機(jī)械傳動、液壓傳動等部件，都會因?qū)嶋H動載荷太大而發(fā)生各種故障現(xiàn)象[1-2]。相關(guān)統(tǒng)計表明，由采煤機(jī)齒輪引起的故障約占機(jī)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的意義。

1 采煤機(jī)截割減速器的介紹及工作原理

采煤機(jī)截割部中的減速器是采煤機(jī)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(nèi)齒輪等，工作原理是利用輸入軸、中間減速器將系統(tǒng)產(chǎn)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(jī)構(gòu)傳遞出去，進(jìn)而支配兩端的滾筒作用動作，實(shí)現(xiàn)割煤動作的完成。對于行星減速器的轉(zhuǎn)動減速，既可以使行星機(jī)構(gòu)圍繞自身軸線自轉(zhuǎn)，也可以依靠行星軸帶動行星機(jī)構(gòu)沿行星機(jī)構(gòu)軸線中心轉(zhuǎn)動。其中，采煤機(jī)截割減速器傳動的示意圖如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割減速器的傳動示意圖

2 對采煤機(jī)截割減速器故障狀態(tài)時的動力學(xué)分析

依據(jù)采煤機(jī)截割減速器實(shí)際工作狀態(tài)，設(shè)定其轉(zhuǎn)速1 800 r/min，負(fù)載扭矩2.510 7 N·mm 參數(shù)下，對采煤機(jī)截割減速器三種故障狀態(tài)進(jìn)行動力學(xué)分析。

2.1 減速器含斷齒故障狀態(tài)下的分析

通過人為設(shè)計作用使減速器大錐齒輪出現(xiàn)斷齒故障狀態(tài)時，對減速器的動態(tài)特性進(jìn)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(jié)果分析如下：大錐齒輪的理論轉(zhuǎn)頻為2 Hz，理論轉(zhuǎn)速為120 r/min，理論嚙合頻率為60 Hz。由下頁圖2-1 可看出，當(dāng)斷齒出現(xiàn)故障狀態(tài)時，錐齒輪對傳動齒間的嚙合力產(chǎn)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(zhuǎn)頻，且沖擊幅度較大；由下頁圖2-2 可看出，當(dāng)斷齒出現(xiàn)故障狀態(tài)時，在59.97 Hz、120 Hz 和180 Hz 三處頻譜下，幅值達(dá)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(cè)出現(xiàn)寬而高的調(diào)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(shè)計將采煤機(jī)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(chǎn)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(zhuǎn)頻。

針對減速器含有嚴(yán)重齒形故障狀態(tài)，本文設(shè)計將采煤機(jī)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(yán)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(chǎn)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(zhuǎn)頻。由圖2-1、圖3-1、圖4-1對比可知，關(guān)于沖擊幅度的大小，斷齒故障狀態(tài)下的比嚴(yán)重齒形故障下的大，而嚴(yán)重齒形故障狀態(tài)下的又比輕微齒形故障下的大。

圖4 嚴(yán)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(xiàn)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(dá)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(xiàn)在嚙合頻率及其倍頻附近的邊頻帶較少；而對于嚴(yán)重齒形故障狀態(tài)，變頻帶同樣也出現(xiàn)在嚙合頻率及其倍頻附近，幅值稀疏且小。

綜合上述結(jié)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(chǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)調(diào)制現(xiàn)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(yán)重程度的加大，調(diào)制邊頻帶的幅值、寬度也隨之增加。

3 結(jié)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(chǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)調(diào)制現(xiàn)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(yán)重程度的加大，調(diào)制邊頻帶的幅值、寬度也隨之增加。