高 劍

(大同煤礦集團(tuán) 馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000)

0 引言

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是煤礦設(shè)備的核心組成部分，是力與運(yùn)動(dòng)等的轉(zhuǎn)化核心。煤礦機(jī)械工作環(huán)境惡劣，粉塵污染嚴(yán)重，煤灰極易進(jìn)入設(shè)備磨損齒輪、軸承等部件，且一旦該部分零件發(fā)生故障卻未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)則會(huì)引發(fā)更為嚴(yán)重的機(jī)械故障，造成額外的經(jīng)濟(jì)損失。但大頻率、長(zhǎng)時(shí)間的人工巡查將會(huì)加大企業(yè)成本，所以利用目前較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與機(jī)械實(shí)時(shí)監(jiān)控相結(jié)合開(kāi)發(fā)一套實(shí)時(shí)機(jī)械部件監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為必要。在煤礦機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中更換頻率最高的就是軸承與齒輪，二者在低速重載、高粉塵污染的情況下極易發(fā)生磨損與損耗，所以故障率最高，是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部件[1-2]。

1 煤礦機(jī)械齒輪和軸承磨損特點(diǎn)與類型

煤礦機(jī)械使用的齒輪一般為模數(shù)25 mm以上的大模數(shù)齒輪，其工作負(fù)載大，粉塵污染嚴(yán)重。且隨著生產(chǎn)效率的提高，要求掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備的輸出功率進(jìn)一步提高，其機(jī)械部分的受力成倍增加，同種材料與結(jié)構(gòu)的齒輪與軸承結(jié)構(gòu)將受到更大的載荷與沖擊，導(dǎo)致齒輪與軸承壽命大大降低，部件損壞幾率增加，增加了維修的人力與物力，提高了企業(yè)成本。由于粉塵的進(jìn)入使得齒輪與軸承的常規(guī)維護(hù)很難滿足正常的工作要求，造成部件壽命縮短，從而使齒輪與軸承失效，甚至?xí)M(jìn)一步引起其他核心部件的損壞。齒輪失效形式包括齒面磨損、齒面膠合和擦傷(齒面之間熔焊在一起，在傳動(dòng)下造成齒面撕裂傷)、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞與斷裂等。軸承失效形式包括剝落、擦傷、龜裂、保持架損壞、摩擦腐蝕壓痕等。

2 齒輪磨損數(shù)學(xué)模型建立

齒輪的磨損多為振動(dòng)等引起的非線性磨損，下面通過(guò)振動(dòng)理論與力學(xué)理論構(gòu)建其物理模型:

(1)

其中：x為齒輪嚙合線的相對(duì)位移；C為嚙合阻尼；k(t)為齒輪嚙合剛度；M為當(dāng)量質(zhì)量；F(t)為動(dòng)載荷。

在得到以上力學(xué)模型后，利用某型二級(jí)齒輪箱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。圖1為故障采集系統(tǒng)方案，測(cè)點(diǎn)設(shè)置在齒輪、軸承和螺釘螺母連接部件等易損壞部位。齒輪箱內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示，利用36通道振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如圖3所示)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，模擬煤礦機(jī)械低速重載環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)中遇到的故障類型進(jìn)行總結(jié)分類得到具體分析數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 故障采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

圖2某型齒輪箱內(nèi)部構(gòu)造圖圖3 36通道振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

表1 各部件的故障率

由表1可見(jiàn)：在煤礦機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的故障率是最高的，約達(dá)到60%；其次是軸承和軸，其故障率分別達(dá)到19%和10%，可見(jiàn)活動(dòng)部件是損耗最嚴(yán)重部分，所以加強(qiáng)活動(dòng)部件的狀態(tài)檢測(cè)能夠有效避免機(jī)械事故的發(fā)生。

3 煤礦機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)線診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齒輪箱正常工作與斷齒故障的功率譜密度曲線如圖4所示，可以看出明顯的區(qū)別，由此提出如圖5所示的煤礦機(jī)械故障無(wú)線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將應(yīng)變片粘貼在故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總至Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)傳送模塊，利用接收端Zigbee無(wú)線接收模塊接收，經(jīng)USB-RS232線纜傳遞給上位機(jī)(Labview)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行齒輪箱狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖如圖6所示。

圖4 齒輪箱正常工作與斷齒故障的功率譜密度曲線

圖5 煤礦機(jī)械故障無(wú)線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

利用無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以較好地監(jiān)測(cè)煤礦機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)，并為工作人員診斷機(jī)械故障提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析了煤礦機(jī)械故障產(chǎn)生類型，并結(jié)合試驗(yàn)得到了齒輪箱基本故障類型，其中齒輪故障最為嚴(yán)重，故障率60%，其次為軸承和軸，其故障率分別達(dá)到19%和10%，三種主要故障類型合計(jì)89%?？梢钥闯觯好旱V機(jī)械傳動(dòng)部件的故障率高達(dá)90%左右，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦機(jī)械的工作狀態(tài)可以極大程度地減小企業(yè)的機(jī)械維護(hù)人力與物力。本文提出了一種煤礦機(jī)械故障無(wú)線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)方案，可以很好地完成煤礦機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖