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基于矿用便携式测振记录仪的齿轮减速器故障研究

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1、基于矿用便携式测振记录仪的齿轮减速器故障研究张军、薛光辉、吴淼(中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083)摘要：根据煤矿井下机械设备监测与检测的需求，通过利用自主研发的本质安全型矿用便携式测振记录仪完成煤矿井下机械设备状态信号的获取，运用振动故障诊断方法对获取的信号进行分析，实现对煤矿井下机械设备运行状态的监测与检测，提出了一种适用于煤矿井下齿轮减速器的故障诊断方法。关键词：振动，齿轮减速器，故障诊断，煤矿井下前言：目前国内外综采机械设备都向着重型化、高速化、自动化和智能化方向发展，但由于缺乏有效的监测和检测手段，目前国内综采面开机率偏低，主要原因是各类机械事故过多，其中运输机械、采煤机械事故又约占总事故的 1/3 以上。由此可见，及时了解综采机械设备运行状况，实现预防性维护维修，保证其处于稳定的工作状态是保障煤炭高产高效的关键措施之一。目前国内在齿轮减速器故障诊断方面的研究已经十分成熟，但是在煤矿井下的应用方面还十分缺乏，主要由于缺少相应的信号采集存储装置。本文利用自主开发的基于 ARM10和 PC 104 总线技术的本质安全型矿用便携式测振记录仪对煤矿井下齿轮减

2、速器的状态参数进行了提取与存储，同时运用基于振动的故障诊断方法对采集的信号进行分析，从而完成对煤矿井下齿轮减速器的监测与检测。1 齿轮减速器故障诊断实验设计1.1 数据采集存储设备的选取对于煤矿井下的特殊环境，井下所用到的电子设备必须具有防爆、防潮、安全可靠的功能，所以本文采用了新型的本质安全型矿用便携式测振记录仪，该记录仪具有防爆、防潮等功能，同时支持四通道振动加速度信号采集，加速度传感器与被测设备通过磁力吸座进行连接，可实现四路振动加速度信号的同时采集和记录，数据存储容量可以达到2GB（可扩展），单通道采样频率可达到 40kHz，测振仪通过外加防水膜的不锈钢防水键盘操作，并采用 3.5 英寸的 TFT 液晶屏显示。图 1 本质安全型矿用便携式测振记录仪1.2 矿用齿轮减速器简介齿轮减速器是原动机和工作机构之间的独立的闭式传动装置，主要用来降低转速和增大转矩，煤矿井下齿轮减速器多采用的是行星齿轮减速器，此种齿轮减速器主要由箱体、伞齿、锥齿、行星轮系、轴和轴承等组成，其中，箱体结构在整个系统起支承与密封作用，其出现故障的概率很低，所以，在齿轮减速器中，故障主要发生在齿轮、传动轴和轴承

3、中。据统计，齿轮、轴和滚动轴承故障占齿轮减速器的 90%以上。本实验主要是针对煤矿井下皮带机减速器进行的，下面是实验对象的传动示意图，即山西省晋城市成庄矿 2318 工作面皮带机齿轮减速器传动示意图：1-输入端，2-行星轮系，3- 箱体，4 输出端，5-齿轮泵侧图 2 某矿某工作面皮带机减速器传动示意图根据测点的选取原则，在皮带机减速器上一共布置 5 个测点，如上图所示。其中，输入端锥齿齿数 z=15，与其啮合的伞齿齿数 z=49，行星轮系中的太阳轮齿数 z=19，行星轮齿数 z=33，内齿圈齿数 z=85。已知输入轴转速 n=1470r/m，则各齿轮的啮合频率为Fz=zn/60 (1-1)由上式计算得输入端伞齿和锥齿的啮合频率为 Fz1=367.5Hz，行星轮和太阳轮的啮合频率 Fz2=142.5Hz。运用相同的方法，可以得出齿轮减速器各轴的转动频率和齿轮的啮合频率，如表 1 所示。表 1 齿轮减速器各轴的转动频率和啮合频率机器名称 SSX200-18A 行星减速器轴数 4轴号转速（ rpm）齿轮（入）齿轮（出）转动频率（ Hz）齿轮（入）啮合频率（ Hz）齿轮（出）啮合频率（

4、Hz）轴 1（输入）1470 - 锥齿 z=15 24.5 367.5 -轴 2 450 伞齿 z=49 太阳轮 z=19 7.5 367.5 142.5轴 3 781.6 太阳轮 z=19 行星轮 z=33 13 142.5 429.9轴 4（输出）83 - - 1.4 - -注：行星轮内齿圈齿数为 86。2 实验研究及现场验证2.1 实验研究及结果根据煤矿井下的实际情况，本文利用本安型矿用便携式测振记录仪对煤矿井下皮带机齿轮减速器进行状态信号采集存储，采集周期为 15 天，同时对采集的信号运用振动故障诊断方法分析。目前，已在实验基地对其井下四个工作面皮带机减速器共进行了 19 次状态信号采集工作，共采集数据 34 组，采集皮带机减速器齿轮、轴和轴承的状态信号多达3GB，通过对采集到的皮带机减速器各个测点的径向与轴向的状态信号进行分析得出以下结果。图 3 所示为某矿某工作面皮带机减速器 1#测点振动加速度波形图。图 3 某矿某工作面 1#测点振动加速度波形图从图 3 可知，无论是径向，还是轴向，振动加速度信号中均有明显的冲击波形，并且冲击波形之间的间隔基本相同，对此点加速度信号做功率

5、谱分析，分析结果如图 4 所示。图 4（a）2318 工作面 1#测点振动加速度信号功率谱图图 4（b）2318 工作面 1#测点振动加速度信号功率谱图由图 4 的振动信号功率谱图可以看出，输入轴转频及其谐波信号清楚地出现在谱图上，即 24.4Hz，且其 2 倍频幅值远大于 1 倍频。图 4 谱图上，输入齿轮的啮合频率 2 倍频远大于啮合频率，表明输入轴齿轮可能存在严重的磨损现象。2.2 现场验证根据上述分析，可以判定齿轮减速器的输入轴端的锥齿或伞齿存在断齿或齿根裂纹故障，跟合作煤矿负责单位协商后，在其积极的配合下，检查了可能存在断齿或齿根裂纹故障的齿轮减速器，结果发现，在该减速器伞齿的大部分齿的齿根处产生了裂纹并发现多个齿存在齿面磨损现象，如图 5 所示。图 5 诊断出的存在齿根断裂的伞齿3 结论本文根据煤矿井下设备检测的需求，给出了一种基于振动的矿用井下齿轮减速器故障诊断方法，通过实验研究了测点的合理性以及分析方法的正确性，并通过现场实验和现场验证证明了本文使用的本安型矿用便携式测振记录仪是准确的，方法是可行的、有效的，具有极高的应用推广价值，同时为井下机械设备的设计改良和性能改善提供理论依据和基础。参考文献1 薛光辉.机电设备故障诊断方法研究现状与发展趋势J.煤炭工程，2010（5），103-104.2 周立志.井下多通道数据采集系统的设计J. 煤炭工程 ,2009（6），15-16.3 丁康，李巍华，朱小勇编齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术M北京：机械工业出版社，2006（1），146-174.

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