7m大采高采煤機(jī)全直齒搖臂故障診斷研究

馮曉斌

（神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315）

1 引言

采煤機(jī)是煤炭綜采開采最重要的設(shè)備之一，搖臂是采煤機(jī)的關(guān)鍵部件。搖臂質(zhì)量和適用性直接影響到采煤機(jī)的運(yùn)行工況，進(jìn)而關(guān)系到采煤效率和回采安全。近年來，搖臂齒輪箱故障占采煤機(jī)總體故障率的34.20%，隨著設(shè)備老化，故障頻率有發(fā)展劣化趨勢。搖臂齒輪箱作為采煤機(jī)截割部關(guān)鍵動力傳動部位，故障頻發(fā)，嚴(yán)重制約著綜采工作面生產(chǎn)率的提高。進(jìn)口搖臂齒輪箱價(jià)格昂貴 （目前尚無同等質(zhì)量國產(chǎn)搖臂齒輪箱可替代），井下綜采工作面現(xiàn)場更換零部件極其不易，更換搖臂更是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很多情況下不得不停機(jī)拆解到地面更換搖臂，嚴(yán)重影響到企業(yè)均衡生產(chǎn)計(jì)劃。

神東煤炭集團(tuán)公司對厚煤層開采的采出率要求嚴(yán)格，采高在7m左右的綜采工作面均采取一次采全高的回采工藝。國外的SL1000型和7LS7型大采高采煤機(jī)能滿足7m采高的要求，但搖臂星齒輪傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行星頭容易損壞，維修成本高且不易更換和維護(hù)，維修難度大，影響了綜采工作面的安全高效生產(chǎn)。神東煤炭集團(tuán)公司聯(lián)合國內(nèi)設(shè)備廠家研發(fā)適合7m大采高綜采工作面使用的易維護(hù)全直齒搖臂，這種搖臂的設(shè)計(jì)和研制在國內(nèi)尚屬首例。該搖臂采用五級全直齒傳動，與進(jìn)口搖臂相比，提高了減速機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，故障率縮短了20%，維護(hù)時(shí)間縮短了30%。該搖臂在大柳塔煤礦大井52305綜采工作面進(jìn)行了應(yīng)用，本文針對應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了振動監(jiān)測試驗(yàn)及分析,并給出了合理化建議。

2 工作面概況

大柳塔煤礦大井52305綜采工作面由52305-1和52305-2兩個(gè)工作面組成，工作面煤厚6.9～7.3m，平均7.15m，宏觀煤巖類型以半暗型、半量型煤為主，夾部分亮煤及暗煤。煤層底部發(fā)育1層夾矸，夾矸厚度約0～0.05m，巖性為泥巖。工作面煤層自切眼至回撤通道為寬緩坡狀構(gòu)造，底板標(biāo)高為992.16m～1014.08m，最大相對高差為21.9m。工作面上覆為22煤綜采及房采采空區(qū)，層間距約150m，工作面運(yùn)順距切眼76m處揭露f88斷層（176°<60°H＝0.8m），回撤通道內(nèi)距52305-2運(yùn)順84m處揭露f31斷層（212°<58°H＝3.3m），工作面基本情況見如表1所示。

52305-2工作面于2014年7月16日開始安裝，9月2日7米大采高組織試生產(chǎn)，配套使用EFK-1000/6770采煤機(jī)，具體參數(shù)如表2所示，煤機(jī)左、右搖臂均為中傳重型裝備有限公司制造直齒傳動搖臂。

表2 采煤機(jī)情況

3 進(jìn)口搖臂故障情況分析

根據(jù)2004-2010年對神東礦區(qū)電牽引采煤機(jī)運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)，采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障占采煤機(jī)故障率如表3所示。由表可知，進(jìn)口搖臂齒輪箱故障在采煤機(jī)故障中的比例平均達(dá)34.2%。

表3 2004-2010神東礦區(qū)搖臂齒輪箱占采煤機(jī)故障率統(tǒng)計(jì)表

以美國JOY 公司生產(chǎn)的大采高采煤機(jī)為例，在2002-2011年度神東礦區(qū)綜采工作面進(jìn)口大功率采煤機(jī)典型故障統(tǒng)計(jì)中， JOY 采煤機(jī)共有24 次故障，故障分類如下所示。

（1） JOY 采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障12次為高速區(qū) A B齒輪及其軸承；

（2）4次二級行星輪輸出軸浮動密封故障；

（3）6次低速區(qū)兩級行星輪故障，包括行星輪內(nèi)齒圈及輸出輸入大軸承；

（4）另外2次為其它故障；

據(jù)此可知，搖臂齒輪箱故障率占采煤機(jī)故障的比例JOY 采煤機(jī)為48%，齒輪箱高速區(qū)故障率為50%，低速區(qū)故障率為25%。進(jìn)口搖臂行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行星頭容易損壞，維修成本高且不易更換和維護(hù)，維修難度大，影響了綜采工作面的安全高效生產(chǎn)。綜上所述，采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及齒輪箱故障診斷具有重要工程意義及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 全直齒搖臂

為了克服這一難題，神東煤炭集團(tuán)公司聯(lián)合國內(nèi)設(shè)備廠家研發(fā)適合7m大采高綜采工作面使用的易維護(hù)全直齒搖臂，這種搖臂的設(shè)計(jì)和研制在國內(nèi)尚屬首例。該搖臂采用五級全直齒傳動，與進(jìn)口搖臂相比，提高了減速機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，故障率縮短了20%，維護(hù)時(shí)間縮短了30%。易維護(hù)全直齒左搖臂結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]，該搖臂取消以前行星傳動，采用全直齒傳動，同時(shí)由原來的7級傳動變成現(xiàn)在的5級傳動。這樣增加了傳動的穩(wěn)定性，同時(shí)也大大的提高了搖臂的抗沖擊載荷能力。

圖1 易維護(hù)全直齒搖臂結(jié)構(gòu)

搖臂分為左搖臂及右搖臂，左右搖臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，其中左搖臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[7]。

圖2 左搖臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

鑒于原進(jìn)口搖臂的軸承和齒輪經(jīng)長期使用或受到?jīng)_擊載荷后，容易造成軸承或齒輪損壞，致使搖臂不能使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，損壞部件為軸承或齒輪的故障所占比例高達(dá)95%，而且一旦損壞后，維修工作十分復(fù)雜，維修費(fèi)用也很高。該搖臂中的齒輪是由南京高精傳動設(shè)備制造集團(tuán)生產(chǎn)的，齒輪采用8Cr2Ni4WA高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼制造而成，搖臂中所有齒輪的具體參數(shù)見表4[8]。

表4 搖臂齒輪參數(shù)表

5 振動測試及數(shù)據(jù)分析

5.1 嚙合頻率計(jì)算

根據(jù)齒輪嚙合頻率的定義，計(jì)算得到了搖臂齒輪嚙合頻率表，如表5所示。在振動測試中，通過頻譜圖中嚙合頻率處幅值變化情況，可對齒輪故障情況進(jìn)行一定程度判斷。

表5 搖臂齒輪嚙合頻率表

5.2 測點(diǎn)布置

本次現(xiàn)場振動檢測選用便捷式設(shè)備狀態(tài)綜合分析系統(tǒng)Leonova。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、振動分析、趨勢分析于一身的多功能便捷式分析儀器，配置相應(yīng)的硬件及軟件模塊還可以進(jìn)行溫度測量、轉(zhuǎn)速測量、動平衡較正、激光對中等功能。其特有的共振動解調(diào)法分析技術(shù)正廣泛應(yīng)用于復(fù)雜齒輪箱現(xiàn)場工程實(shí)際應(yīng)用，并取得較好效果。

采煤機(jī)運(yùn)行過程中，左搖臂割煤時(shí)振動較平穩(wěn)，屬于正常范圍；右搖臂的振動很大，尤其割底刀煤時(shí)，振動更大，個(gè)別振動段引起輸送機(jī)和支架的振動，屬于不正常狀態(tài)。因此，在左搖臂及右搖臂的截割電機(jī)扭矩軸徑向位置布置測點(diǎn)，兩個(gè)測點(diǎn)分別為測點(diǎn)1及測點(diǎn)2 ，測點(diǎn)1位于一軸組件部分，測點(diǎn)2位于右搖臂截割電機(jī)輸出軸軸向部位，采用的傳感器為礦用振動加速度傳感器。

圖3 設(shè)備狀態(tài)綜合分析系統(tǒng) Leonova 及其振動傳感器

5.3 數(shù)據(jù)分析

（1） 時(shí)域分析。測點(diǎn)1及測點(diǎn)2振動信號的時(shí)域波形分別如圖4及圖5所示，由圖可知，左搖臂存在一定的沖擊，右搖臂振動信號呈現(xiàn)出明顯的調(diào)制現(xiàn)象。

圖4 測點(diǎn)1振動信號時(shí)域波形

圖5 測點(diǎn)2振動信號時(shí)域波形

（2） 頻域分析。共振解調(diào)的方法目前來說是一種應(yīng)用非常廣泛的故障診斷方法。通過一些其他器件的諧振，將本來較微弱的故障沖擊放大，這樣可以提高故障診斷的靈敏度，并且通過故障振動信號的共振解調(diào)頻譜，可以判斷齒輪及軸承的故障情況，故障位置。

測點(diǎn)1及測點(diǎn)2振動信號的共振解調(diào)譜圖分別如圖6及圖7所示，圖6表明此處無明顯故障，而通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，共振解調(diào)頻譜圖上存在明顯的故障征兆頻率595Hz 及其兩次諧波頻率，符合故障共振動解調(diào)譜多階解調(diào)譜的特征，結(jié)合其幅值判斷該振動信號預(yù)示該處齒輪有嚴(yán)重故障，根據(jù)前面分析可知，截割電機(jī)扭矩軸對應(yīng)的齒輪對的嚙合頻率為595.2Hz，接近595Hz，因此可確定扭矩軸或齒輪Z1/Z2嚴(yán)重?fù)p壞。

圖6 測點(diǎn)1共振解調(diào)譜

圖7 測點(diǎn)2共振解調(diào)譜

后來經(jīng)現(xiàn)場檢修人員取出右搖臂扭矩軸并打開搖臂齒輪箱后檢測發(fā)現(xiàn)，右搖臂扭矩軸有明顯裂紋，左搖臂齒輪Z1磨損嚴(yán)重。從而證明了現(xiàn)場可以運(yùn)用振動方法對搖臂齒輪箱進(jìn)行故障診斷的嘗試是可行的。

6 故障及分析

為避免故障再次發(fā)生，神東煤炭技術(shù)研究院及大柳塔礦等單位以及中傳重工等設(shè)備制造單位相關(guān)人員到井下進(jìn)行了跟蹤和原因分析，筆者結(jié)合專家意見及實(shí)際情況，對故障產(chǎn)生的原因分別從工況環(huán)境、搖臂重量、調(diào)高油缸與搖臂耳子連接間隙、采煤機(jī)與搖臂連接間隙等方面進(jìn)行了分析，具體分析如下：

6.1 工況分析

采煤機(jī)截割部搖臂齒輪箱作為采煤機(jī)關(guān)鍵動力傳動裝置, 因其特殊的安裝、運(yùn)行方式、綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境等決定了其工況惡劣,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）搖臂齒輪箱不像一般工業(yè)用齒輪箱固定式安裝，而是隨采煤機(jī)截割部整體向上或向下傾斜、并隨著采煤機(jī)生產(chǎn)工工藝的需要而前后來回運(yùn)動；

（2）搖臂齒輪箱負(fù)載不均，隨時(shí)可能受到來自大型煤塊、煤矸石或誤操作等因素致使搖臂齒輪箱瞬間受到巨大沖擊；

（3）采煤機(jī)振動源多，多電機(jī)振動（如截割電機(jī)、牽引電機(jī)、破碎機(jī)電機(jī)等）、搖臂齒輪箱振動、牽引齒輪箱振動、采煤機(jī)自身行走與刮板運(yùn)輸機(jī)齒軌嚙合振動、工作面不平等因素交叉振動均影響到搖臂齒輪箱振動；

（4）綜采工作面生產(chǎn)時(shí)，割煤煤粉塵大，以及采煤機(jī)降塵噴霧、水等惡劣生產(chǎn)環(huán)境，造成潤滑油污染。

6.2 搖臂重量大

直齒搖臂與進(jìn)口搖臂相比較，自身重量有所增加，一方面導(dǎo)致采煤機(jī)牽引部配件損耗增加，另一方面導(dǎo)致調(diào)高油缸負(fù)載增大，從而可能導(dǎo)致?lián)u臂在調(diào)高過程中產(chǎn)生劇烈抖動現(xiàn)象，增大了搖臂的振動。

6.3 調(diào)高油缸與搖臂耳子連接處的間隙大

經(jīng)過現(xiàn)場測量，調(diào)高油缸與搖臂耳子連接處的間隙較大，約5mm。對調(diào)高油缸連接耳子處進(jìn)行了加裝耐磨套處理，間隙處理后，搖臂割煤時(shí)振動有很大改善。

6.4 采煤機(jī)與搖臂的連接銷軸間隙大

采煤機(jī)與搖臂鉸接銷軸處承受較大的徑向壓力以及剪切應(yīng)力，在循環(huán)交變應(yīng)力作用下銷軸處易產(chǎn)生磨損，磨損后導(dǎo)致鉸接銷軸處間隙增大，從而導(dǎo)致?lián)u臂振動增大。

7 結(jié)論與建議

（1） 嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備操作規(guī)范，加強(qiáng)采煤機(jī)直齒搖臂的維護(hù)和保養(yǎng)、定期檢查。

（2） 加強(qiáng)現(xiàn)場工程質(zhì)量管理，工作面頂?shù)装甯钇?，煤機(jī)司機(jī)要控制好抬落刀幅度，防止大起大落，避免采煤機(jī)發(fā)生過載和強(qiáng)烈的沖擊振動發(fā)生。

（3） 對直齒搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，減輕搖臂整體重量，在降低配件損耗的同時(shí)，可減輕搖臂的振動。

（4） 維修時(shí)定期對調(diào)高油缸與搖臂耳子連接處的間隙進(jìn)行檢查，間隙大時(shí)需及時(shí)對調(diào)高油缸連接耳子處進(jìn)行了加裝耐磨套處理。

（5） 定期對采煤機(jī)搖臂潤滑油進(jìn)行取樣化驗(yàn)，對不合格潤滑油應(yīng)立即進(jìn)行更換。

（6） 維修時(shí)定期對兩個(gè)搖臂與煤機(jī)的連接銷軸進(jìn)行檢查，間隙大時(shí)需及時(shí)進(jìn)行更換。

（7） 利用煤安認(rèn)證的振動信號采集記錄系統(tǒng)，開展電牽引采煤機(jī)搖臂的在線故障診斷監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對搖臂故障的預(yù)測預(yù)報(bào)。

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