采煤机摇臂齿轮箱的故障特征分析

材料、热处理、运转状态等因素的不同而改变[5]，占整个齿轮箱零部件失效的一半以上，因此，齿轮失效形式的研究对于齿轮箱的故障诊断有着非常重要的意义。由于齿轮制造时可能存在误差、装配工艺不当或操作维护不到位，齿轮在运转时会产生多种形式的失效，包括齿轮齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、断齿等。

齿轮在啮合过程中，轮齿啮合接触表面出现的材料摩擦损伤的现象称为齿面磨损，根据磨损性质的不同可以分为磨料磨损和腐蚀磨损两大类，在齿轮啮合过程中，若润滑油供应不足、油质变异或者外来的金属或非金属小颗粒出现在齿轮啮合表面，将直接导致齿面发生强烈的磨粒磨损；磨粒磨损的进一步发展会使齿轮齿形改变，侧隙加大，引起振动噪声增大，齿厚减薄，腐蚀磨损以化学腐蚀作用为主要特征，并伴有机械磨损的一种损伤形式，润滑油中的活性成分（酸、水分等）和齿轮材料发生化学反应，造成齿轮腐蚀磨损。严重的齿面磨损会导致轮齿粗糙度和啮合偏差增大，引起传动副之间较大的振动与噪声，并降低齿轮的动力传动效率，甚至因齿厚变薄导致齿轮强度下降，造成齿断。

齿轮在啮合传动过程中，其根部受到脉动循环应力作用，当这种周期性的应力过高，或其它原因使齿轮强度降低，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，或是在齿轮啮合过程中受到严重冲击过载时，也会引起齿根裂纹，当其它部分无法承担外载荷时，齿轮将发生严重故障断齿齿轮在啮合传动过程中，轮齿相当于悬臂梁，其根部受到交变应力作用最大，当周期性的交变应力超过齿轮材料本身的疲劳极限时，轮齿的根部会产生裂纹，直接影响着齿轮的承载能力和齿轮的使用寿命。摇臂齿轮箱在故障检测时，首先需要针对齿轮的工作条件，进行强度的校核与计算，文中对于齿轮的强度校核条件，以计算接触应力为标准，其应当小于许用接触应力，可表示为：

σH≤σHP（3）

式中，σH为计算接触应力，σHP为许用接触应力，其中，计算接触应力σH可表示为：

σH=■（4）

式中， F■为中点分度圆上的切向力，K■为使用系数， K■为动载系数。

3 摇臂齿轮箱振动信号频谱诊断

3.1 齿轮振动信号调制

在采煤机摇臂齿轮箱中，啮合的齿轮副往往以单、双齿啮合交替的形式变化，导致在齿轮副中形成周期性的激振力，导致传动副的振动，文中所采用的振动信号诊断方法正是基于该特征，可根据不同的振动信号调制预测和诊断出不同的故障模式。其中，啮合频率及谐频成分可表示为：

x0（t）=■A■cos（2？仔mf■t+？准■）（5）

式中，m为谐波数，A■为谐波幅值，f■为啮合频率，？准■为谐波相位，N为啮合频率的最大谐波数。当齿轮或齿轮箱轴承、轴等部件出现故障时，将会对应着出现不同的冲击特性，进而出现不同程度的振动信号调制现象，比如，低频信号特征量控制高频信号相应特征量。在齿轮的振动信号调制中，常见到在啮合频率或其谐波频率两存在一些间距的复杂频率成分，这些频率成分称作边频带，其反映了振动信号的调制特征。边频的增多在某种程度上揭示了齿轮箱故障的发生，边频的距离反映故障的来源，其幅值反映了故障的严重程度。因此，对齿轮振动信号中出现的调制现象进行分析，有效地区分不同的调制型故障的振动特征，对边频带特征的识别程度，在很大程度上就决定了齿轮故障诊断的成败。

3.2 齿面磨损诊断

当出现齿面的均匀磨损故障时，由于无冲击振动信号产生，所以不会出现明显的调制现象。但是当磨损发展到一定程度时，啮合频率及其谐波幅值明显增大，而且阶数越高，谐波增大的幅度越大，同时振动能量的幅度也大大增加。当磨损较为严重时，二次谐波的幅值会超过啮合频率的幅值。此外，齿面磨损等均匀分布缺陷相当于调制信号为包络线较宽的脉冲，它在频域中表现为在啮合频率及其谐波成分两边产生幅值较大、起伏较大、分布较窄的边频，如图4所示。

图4 齿面磨损检测

图5 断齿检测

3.3 断齿诊断

当出现断齿故障时，时域表现为幅值很大的冲击型振动，周期等于有断齿轴的旋转周期。与此同时，在频域里，在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带；边频带一般数量多、幅值较大、分布较宽，谱线较为明显。解调谱中常出现转频及其高次谐波，甚至出现10阶以上。同时由于瞬态冲击能量大，时常激励起固有频率，产生固有频率调制现象。

振动信号检测时，断齿的主要特征为：以齿轮啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带宽而高，解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波，以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制，调制边频带宽而高，解调谱出现所在轴的转频和多次高阶谐波，如图5所示。（下转第316页）

（上接第289页）3.4 箱体共振

当齿轮、轴承或轴出现故障时，齿轮箱振动信号呈现出不同程度的调制现象，表现在频谱图上出现形式各异的调制边频带，根据齿轮箱故障形式及故障程度的不同，总体共振的特征有：以齿轮啮合频率及其高次谐振波为载波频率，齿轮轴旋转频率为调制频率的齿轮啮合调制现象而产生的边频带；以齿轮固有频率为载波频率，以齿轮所在轴的旋转频率及其高次谐波频率为调制频率的固有频率共振调制现象而产生的边频带；以齿轮箱体固有频率为载波频率，以齿轮所在轴的旋转频率及其高次谐波频率为调制频率的箱体共振调制现象而产生的边频带。

4 结语

摇臂齿轮箱在采煤机中属于易损坏部件，对其进行及时的检测与维修对于保证高效综采生产重要前提条件，齿轮制造时可能存在误差、装配工艺不当或操作维护不到位，齿轮在运转时会产生多种形式的失效，包括齿轮齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、断齿等。文中对摇臂齿轮箱的结构进行了研究，基于振动检测技术并通过信号的频谱诊断对齿轮箱中常见的各种故障诊断进行了分析，包括齿面磨损、轮齿断裂以及箱体共振等故障。由于啮合频率或其谐波频率两存在一些间距的复杂变频，其反映了振动信号的调制特征，并在一定程度上表现了齿轮箱故障的发生来源，其幅值反映了故障的严重程度，该研究方法与方向具有广阔的应用和发展空间。

【参考文献】

[1]高晓清，姚竹亭.基于BP神经网络的齿轮箱故障诊断[J].机械工程与自动化，2008，6：25-26.

[2]李晓虎，贾民平，许飞云.频谱分析法在齿轮箱故障诊断中的应用[J].振动、测试与诊断，2003，9：32-35.

[3]周晓红.解决采煤机浮动油封的漏油问题[J].煤矿机械，2008，12：56-57.

[4]韩捷，张琳娜.齿轮故障的振动机理研究[J].机械传动，1997，2：29-32.

[5]丁康，朱小勇，陈亚华.齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略[J].振动与冲击，202001，3：43-46.

[责任编辑：刘展]