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[摘 要]随着经济的发展和社会的进步，我国工业建设的各个方面都取得了不错的成绩，为未来的发展做好了铺垫。采煤业作为经济发展的重要部分，在工业中占据了重要地位，对能源的供应和各行业的建设做出了很大的贡献。在工业未来的发展中也需要高效的采煤技术和采煤工具为支撑，促进经济快速发展，而采煤机的出现迎合了发展趋势并满足了发展需求。但是作为采煤机可靠性薄弱环节的摇臂齿轮箱频繁发生故障，严重阻碍了采煤工作的发展和创新，所以针对现状进行有关分析是必要的。
[关键词]采煤机；齿轮箱；故障诊断
中图分类号：TD421.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0011-02
引言
由于采煤机摇臂齿轮箱故障在采煤故障中占有很大的比例，已经严重影响了采煤工作的效率和质量，所以对采煤机摇臂齿轮箱故障的现状和相关技术进行分析是刻不容缓的。首先根据现阶段国内外已有的研究进行了解和分析，熟悉采煤机摇臂齿轮箱安装和工作的原理，研究采煤机摇臂齿轮箱故障的结构，原因及特征，针对事故和环境进行有关技术的改进，为采煤工作未来的发展提供合理的依据，使得采煤行业朝着健康高效的方向发展，注重经济发展的节能减排和绿色环保。
一、摇臂齿轮箱故障统计及原因分析
1、齿轮箱故障统计
根据历年的采煤机维修记录可知，采煤机摇臂齿轮箱的主要故障区有三处：高速区一级减速直齿轮及轴承、低速区两级行星轮系、浮动油封。在采煤机摇臂齿轮箱中，高速区的故障，比如高速齿轮及轴承等，其故障的发生率最高，占摇臂齿轮箱的42%；低速故障区，比如二级行星轮系、大圆锥轴承等，其故障的发生率占总体的30%；浮动密封故障的发生率也较高，其主要原因为齿轮箱的密封性能不够或者元器件老化，导致齿轮箱漏油以及煤尘等物质进入齿轮箱，引发行星轮系及轴承的二次事故，该故障是目前国内外采煤机摇臂齿轮箱在设计与制造时的一个重大难题，难以解决，因此，故障率一直保持较高的状态。
目前，我国对于采煤机摇臂齿轮箱的检测通常采用油液铁谱分析技术与振动检测技术。其中，油液铁谱分析技术通过对齿轮箱润滑油液磨损颗粒的大小、形态、面积、特征等参数进行定性或定量的分析摇臂齿轮箱工作状态的现状及发展趋势，检测成本较低。但是该方法受限于工人技术水平和摇臂齿轮箱的复杂性，过程中耗时耗力，并且无法实时判断齿轮箱内部结构是否满足使用要求，因此，该方法的应用受到了一定的限制。振动检测技术是一种新型的故障诊断技术，属于无损检测方法，对工人的专业技术要求较低，能够及时诊断出齿轮箱中常见的各种故障，并在一定程度上提升设备管理的竞争力水平，具有广阔的应用和发展空间。
2、齿轮箱故障分析
齿轮传动机构通常处于高速重载的工作状态，在正常工作过程中，由于齿轮啮合运动产生的摩擦热以及轴承转动产生的摩擦热，齿轮传动系统温度会变得很高；同时由于润滑油的冷却作用，其温度会保持平衡狀态。齿轮传动机构在工作过程中工作环境和工作参数不可能保持一成不变，这些变化会对齿轮的温度产生明显的影响，造成润滑油膜的破裂，使齿面磨损加剧，引起胶合；过高的温度还会使齿轮、轴承和轴产生热变形，造成齿轮传动机构承载能力和工作稳定性的下降。
在摇臂齿轮箱的高速区，传动副处于高速状态，由于恶劣工况的使用要求以及齿轮箱内部润滑条件的恶化，在齿轮传动中致使啮合齿面间的油膜破裂，齿轮齿面在一定的压力作用下直接接触，其故障主要表现为齿轮齿面的磨损、点蚀、胶合和擦伤等，严重时会导致齿面接触部位“焊合”后又继续相对运动，使得金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤。高速区故障容易引起齿轮副的强烈振动及异常噪声，进而产生过热引发轴承故障，若不能被及时检测，往往需要更换齿轮以及相关的所有轴承，甚至出现安全事故。
低速区的齿轮副在工作中往往处于重载条件，其故障主要为两级行星轮系故障，特别是二级行星轮断齿、内齿圈断齿故障以及摇臂齿轮箱大轴承故障。该部位的齿轮系由于受到巨大的冲击或者长期过载，容易导致行星轮的内齿圈疲劳点蚀、裂纹，甚至引起断齿，同样地，该工作条件下轴承故障主要表现为磨损、剥落等。对于浮动密封故障引起的直接表现为漏油，但是其间接影响可导致齿面间接触点局部温度升高，油膜及其它表面膜破裂，表层金属熔合而后又撕裂形成热胶合损伤，形成传动副之间严重的振动和噪声。
二、齿轮箱结构分析
就当前经常使用的采煤机结构而言，其由电动机、截割部、辅助装置和牵引部四个部分组成，经常使用到的摇臂齿轮箱属于截割部。当前使用的采煤机摇臂齿轮箱的减速形式常用的有两类，其中一个是行星轮减速，另一个是直齿轮减速。在日常的故障诊断中，只有首先对摇臂齿轮箱的结构和性质作出判断，才能准确的查找出问题的原因。
三、采煤机摇臂齿轮箱故障分析
1、采煤机摇臂齿轮箱传统的故障诊断
（1）定期检查法
这种定期检查法需要煤矿企业专门成立检查小组，由检查小组的人员对机器进行定时定量的检修，通过开展年检或者是月检，及时发现可能出现的问题，并通过一定的手段加以改正。这种方法在检修过程中需要将正在使用或者是运作的设备关闭，不仅会导致煤矿生产中断，而且还会影响企业的生产效率。当员工通过拆卸设备对机器进行检修时，会使得外界的杂质进入设备精密部分的内部，从而造成严重的企业设备污染问题，影响设备后期的正常运行。
（2）经验判断法
这种方法依靠员工对机器的精密掌握程度，通过对采煤机摇臂齿轮箱问、摸、测、查等步骤，从而发现机器出现的异常问题。就具体操作过程而言，首先由机器操作人员发现机器出现故障时查看设备的日常使用记录，同时通过多方观察、对比发现可能出现的问题，最终综合多方判断，对设备进行处理。然而，这种使用方法对设备的处理情况较差，不能对出现的问题做出精准的判断，而且极易出现人工误判，最终导致设备不能及时修理，影响后期的使用。 （3）铁谱分析法
就这种方法而言，需要对采煤机摇臂齿轮箱中的润滑油做定期的提取，从而在铁谱分析技术法下对比正常的数据，对可能出现的状态做出判断。例如，通过对润滑油中的磨损杂质分析，从而做出采煤机摇臂齿轮箱工作状况的判断。当前这种方法下，对问题的分析精度较高，而且判断较为准确，同时可以做到对出现的故障的提前防预，但是，从另一方面来看，这种方法适用的范围较小，在一定程度上不能很好的起到诊断的作用。
2、新型故障诊断技术
就当前使用中的三种传统技术而言，其在使用中都有不容忽视的缺点，而且都无法真正的做到正确的评估、完全的防预可能出现的问题或者是故障。在使用的基础上，结合当前现代技术的特点，通过振动传感技术，实时监测采煤机摇臂齿轮箱，从而采用新的方法解决可能出现的问题。这种技术的应用主要是利用振动传感技术，在发生故障的齿轮或者是轴承中的关键地方做出感应装置的布局，判断此机器的工作是否正常。这种有效的、实时的监测技术，不仅精度较高，而且灵敏度好，可以及时的发现可能出现的任何问题，最终做出有效的问题规避。
四、降低采煤机摇臂故障率的措施
上文所述采煤机摇臂常见的故障，很多时候是由于日常维护不到位，因此加强摇臂的日常维护管理措施，可以有效降低采煤机摇臂发生故障的几率。具体的措施如下：
1、严格执行操作规程，规范操作行为
在实际工作中，由于操作人员的责任心、操作技能、突发事件等原因，很可能会出现野蛮操作、不按规程操作等情况，很容易出现切割护帮板或铲煤板的事故，强大的反作用力会致使摇臂内的各个零部件遭受损坏。因此，必须严格執行操作规程，规范操作行为，防止意外事故的发生。
2、严格执行维修规程，强化日常检修
遵照维修制度，分解维修内容，量化工作指标，严格按照检修规程规范维修作业，结合先进的诊断技术，运用灵活的维修手段，秉持谨慎细致的作风，准确确定故障所在与故障原因，按时修复，杜绝维修时发生二次污染或再次损坏等情况。
3、坚持设备运行的在线监测制度
科学技术的进步给现场工作人员带来了很多便利，同时也会增进人的惰性。在利用远程监控系统监测机电一体化设备的时候，很容易出现消积怠工、关注度下降等情况。生产事故往往发生在人员麻痹大意的时候，因此，必须坚持设备运行的在线监测制度，强调看似枯燥的监测工作的重要性，强化相应的检查督促，避免因一时的疏忽大意而没有发现和避免意外事故的发生。
4、加强日常学习与管理
加强日常学习不放松，学习文件制度，学习维修技巧，学习新设备的使用与操作，学习良好工作作风，提高个人与集体的维修水平。坚持日常管理力度不松懈，明确责任，规定权利，合理安排维修计划，规范奖罚制度，提高个人与集体的管理水平。
5、细化定期检查
在当前工作中，技术人员应当熟练掌握采煤机摇臂齿轮箱的内部构造，对机器进行定时定量的检查，开展具有针对性的安全排除方法，通过油液分析或者是铁谱分析等排除可能出现的安全隐患。同时，工作中还应当尽量避免外界中存在的有害物质进入机器内部，从而保证工作质量。
6、加强断齿诊断
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，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。
结语
在空间狭小、环境恶劣的井下，采煤机摇臂若是出现较为严重的故障，势必影响到正常的生产，影响到人员士气，影响到企业效益的增长。现总结出大功率采煤机摇臂容易发生的故障，提出相应的解决办法和管理措施，在以往的工作中起到了有效延长摇臂使用寿命、预防设备过早老化、避免事故经常发生等作用，对于维护煤矿正常生产、提升企业与个人的经济收入都具有积极的意义。
参考文献
[1]吕达，闫海鹏，刘文婧等.采煤机摇臂齿轮箱振动信号及故障类型分析[J].煤矿机械，2015，36（11）：318-321.
[2]刘静坤.采煤机摇臂齿轮箱的故障特征分析[J].科技视界，2015，（24）：288-289，316.
[3]陈渊，马宏伟.基于PSO-SVM的采煤机摇臂齿轮箱故障诊断研究[J].煤矿机械，2015，36（10）：303-306.
[关键词]采煤机；齿轮箱；故障诊断
中图分类号：TD421.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0011-02
引言
由于采煤机摇臂齿轮箱故障在采煤故障中占有很大的比例，已经严重影响了采煤工作的效率和质量，所以对采煤机摇臂齿轮箱故障的现状和相关技术进行分析是刻不容缓的。首先根据现阶段国内外已有的研究进行了解和分析，熟悉采煤机摇臂齿轮箱安装和工作的原理，研究采煤机摇臂齿轮箱故障的结构，原因及特征，针对事故和环境进行有关技术的改进，为采煤工作未来的发展提供合理的依据，使得采煤行业朝着健康高效的方向发展，注重经济发展的节能减排和绿色环保。
一、摇臂齿轮箱故障统计及原因分析
1、齿轮箱故障统计
根据历年的采煤机维修记录可知，采煤机摇臂齿轮箱的主要故障区有三处：高速区一级减速直齿轮及轴承、低速区两级行星轮系、浮动油封。在采煤机摇臂齿轮箱中，高速区的故障，比如高速齿轮及轴承等，其故障的发生率最高，占摇臂齿轮箱的42%；低速故障区，比如二级行星轮系、大圆锥轴承等，其故障的发生率占总体的30%；浮动密封故障的发生率也较高，其主要原因为齿轮箱的密封性能不够或者元器件老化，导致齿轮箱漏油以及煤尘等物质进入齿轮箱，引发行星轮系及轴承的二次事故，该故障是目前国内外采煤机摇臂齿轮箱在设计与制造时的一个重大难题，难以解决，因此，故障率一直保持较高的状态。
目前，我国对于采煤机摇臂齿轮箱的检测通常采用油液铁谱分析技术与振动检测技术。其中，油液铁谱分析技术通过对齿轮箱润滑油液磨损颗粒的大小、形态、面积、特征等参数进行定性或定量的分析摇臂齿轮箱工作状态的现状及发展趋势，检测成本较低。但是该方法受限于工人技术水平和摇臂齿轮箱的复杂性，过程中耗时耗力，并且无法实时判断齿轮箱内部结构是否满足使用要求，因此，该方法的应用受到了一定的限制。振动检测技术是一种新型的故障诊断技术，属于无损检测方法，对工人的专业技术要求较低，能够及时诊断出齿轮箱中常见的各种故障，并在一定程度上提升设备管理的竞争力水平，具有广阔的应用和发展空间。
2、齿轮箱故障分析
齿轮传动机构通常处于高速重载的工作状态，在正常工作过程中，由于齿轮啮合运动产生的摩擦热以及轴承转动产生的摩擦热，齿轮传动系统温度会变得很高；同时由于润滑油的冷却作用，其温度会保持平衡狀态。齿轮传动机构在工作过程中工作环境和工作参数不可能保持一成不变，这些变化会对齿轮的温度产生明显的影响，造成润滑油膜的破裂，使齿面磨损加剧，引起胶合；过高的温度还会使齿轮、轴承和轴产生热变形，造成齿轮传动机构承载能力和工作稳定性的下降。
在摇臂齿轮箱的高速区，传动副处于高速状态，由于恶劣工况的使用要求以及齿轮箱内部润滑条件的恶化，在齿轮传动中致使啮合齿面间的油膜破裂，齿轮齿面在一定的压力作用下直接接触，其故障主要表现为齿轮齿面的磨损、点蚀、胶合和擦伤等，严重时会导致齿面接触部位“焊合”后又继续相对运动，使得金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤。高速区故障容易引起齿轮副的强烈振动及异常噪声，进而产生过热引发轴承故障，若不能被及时检测，往往需要更换齿轮以及相关的所有轴承，甚至出现安全事故。
低速区的齿轮副在工作中往往处于重载条件，其故障主要为两级行星轮系故障，特别是二级行星轮断齿、内齿圈断齿故障以及摇臂齿轮箱大轴承故障。该部位的齿轮系由于受到巨大的冲击或者长期过载，容易导致行星轮的内齿圈疲劳点蚀、裂纹，甚至引起断齿，同样地，该工作条件下轴承故障主要表现为磨损、剥落等。对于浮动密封故障引起的直接表现为漏油，但是其间接影响可导致齿面间接触点局部温度升高，油膜及其它表面膜破裂，表层金属熔合而后又撕裂形成热胶合损伤，形成传动副之间严重的振动和噪声。
二、齿轮箱结构分析
就当前经常使用的采煤机结构而言，其由电动机、截割部、辅助装置和牵引部四个部分组成，经常使用到的摇臂齿轮箱属于截割部。当前使用的采煤机摇臂齿轮箱的减速形式常用的有两类，其中一个是行星轮减速，另一个是直齿轮减速。在日常的故障诊断中，只有首先对摇臂齿轮箱的结构和性质作出判断，才能准确的查找出问题的原因。
三、采煤机摇臂齿轮箱故障分析
1、采煤机摇臂齿轮箱传统的故障诊断
（1）定期检查法
这种定期检查法需要煤矿企业专门成立检查小组，由检查小组的人员对机器进行定时定量的检修，通过开展年检或者是月检，及时发现可能出现的问题，并通过一定的手段加以改正。这种方法在检修过程中需要将正在使用或者是运作的设备关闭，不仅会导致煤矿生产中断，而且还会影响企业的生产效率。当员工通过拆卸设备对机器进行检修时，会使得外界的杂质进入设备精密部分的内部，从而造成严重的企业设备污染问题，影响设备后期的正常运行。
（2）经验判断法
这种方法依靠员工对机器的精密掌握程度，通过对采煤机摇臂齿轮箱问、摸、测、查等步骤，从而发现机器出现的异常问题。就具体操作过程而言，首先由机器操作人员发现机器出现故障时查看设备的日常使用记录，同时通过多方观察、对比发现可能出现的问题，最终综合多方判断，对设备进行处理。然而，这种使用方法对设备的处理情况较差，不能对出现的问题做出精准的判断，而且极易出现人工误判，最终导致设备不能及时修理，影响后期的使用。 （3）铁谱分析法
就这种方法而言，需要对采煤机摇臂齿轮箱中的润滑油做定期的提取，从而在铁谱分析技术法下对比正常的数据，对可能出现的状态做出判断。例如，通过对润滑油中的磨损杂质分析，从而做出采煤机摇臂齿轮箱工作状况的判断。当前这种方法下，对问题的分析精度较高，而且判断较为准确，同时可以做到对出现的故障的提前防预，但是，从另一方面来看，这种方法适用的范围较小，在一定程度上不能很好的起到诊断的作用。
2、新型故障诊断技术
就当前使用中的三种传统技术而言，其在使用中都有不容忽视的缺点，而且都无法真正的做到正确的评估、完全的防预可能出现的问题或者是故障。在使用的基础上，结合当前现代技术的特点，通过振动传感技术，实时监测采煤机摇臂齿轮箱，从而采用新的方法解决可能出现的问题。这种技术的应用主要是利用振动传感技术，在发生故障的齿轮或者是轴承中的关键地方做出感应装置的布局，判断此机器的工作是否正常。这种有效的、实时的监测技术，不仅精度较高，而且灵敏度好，可以及时的发现可能出现的任何问题，最终做出有效的问题规避。
四、降低采煤机摇臂故障率的措施
上文所述采煤机摇臂常见的故障，很多时候是由于日常维护不到位，因此加强摇臂的日常维护管理措施，可以有效降低采煤机摇臂发生故障的几率。具体的措施如下：
1、严格执行操作规程，规范操作行为
在实际工作中，由于操作人员的责任心、操作技能、突发事件等原因，很可能会出现野蛮操作、不按规程操作等情况，很容易出现切割护帮板或铲煤板的事故，强大的反作用力会致使摇臂内的各个零部件遭受损坏。因此，必须严格執行操作规程，规范操作行为，防止意外事故的发生。
2、严格执行维修规程，强化日常检修
遵照维修制度，分解维修内容，量化工作指标，严格按照检修规程规范维修作业，结合先进的诊断技术，运用灵活的维修手段，秉持谨慎细致的作风，准确确定故障所在与故障原因，按时修复，杜绝维修时发生二次污染或再次损坏等情况。
3、坚持设备运行的在线监测制度
科学技术的进步给现场工作人员带来了很多便利，同时也会增进人的惰性。在利用远程监控系统监测机电一体化设备的时候，很容易出现消积怠工、关注度下降等情况。生产事故往往发生在人员麻痹大意的时候，因此，必须坚持设备运行的在线监测制度，强调看似枯燥的监测工作的重要性，强化相应的检查督促，避免因一时的疏忽大意而没有发现和避免意外事故的发生。
4、加强日常学习与管理
加强日常学习不放松，学习文件制度，学习维修技巧，学习新设备的使用与操作，学习良好工作作风，提高个人与集体的维修水平。坚持日常管理力度不松懈，明确责任，规定权利，合理安排维修计划，规范奖罚制度，提高个人与集体的管理水平。
5、细化定期检查
在当前工作中，技术人员应当熟练掌握采煤机摇臂齿轮箱的内部构造，对机器进行定时定量的检查，开展具有针对性的安全排除方法，通过油液分析或者是铁谱分析等排除可能出现的安全隐患。同时，工作中还应当尽量避免外界中存在的有害物质进入机器内部，从而保证工作质量。
6、加强断齿诊断
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，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。
结语
在空间狭小、环境恶劣的井下，采煤机摇臂若是出现较为严重的故障，势必影响到正常的生产，影响到人员士气，影响到企业效益的增长。现总结出大功率采煤机摇臂容易发生的故障，提出相应的解决办法和管理措施，在以往的工作中起到了有效延长摇臂使用寿命、预防设备过早老化、避免事故经常发生等作用，对于维护煤矿正常生产、提升企业与个人的经济收入都具有积极的意义。
参考文献
[1]吕达，闫海鹏，刘文婧等.采煤机摇臂齿轮箱振动信号及故障类型分析[J].煤矿机械，2015，36（11）：318-321.
[2]刘静坤.采煤机摇臂齿轮箱的故障特征分析[J].科技视界，2015，（24）：288-289，316.
[3]陈渊，马宏伟.基于PSO-SVM的采煤机摇臂齿轮箱故障诊断研究[J].煤矿机械，2015，36（10）：303-306.