基于平移多小波诊断矿用皮带机齿轮系统故障研究

冀 杰

（山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 030600）

0 引言

皮带运输机齿轮结构是煤矿井下大型运输机械设备的传动构件，齿轮系统性能状态直接决定了皮带运输机运输的稳定性和安全性，若发生故障将严重影响矿井运输环节，进而给矿井生产带来经济损失。平移多小波理论[1]在其他领域已经试验成功，并已运用到工程实践中。为此，本文借鉴其他领域的成果，在判断矿井皮带机齿轮系统故障运用平移多小波来进行诊断[2]。皮带机在运行过程中齿轮结构常常发生断齿、点蚀、磨损等故障，为了找出齿轮故障位置、故障类型以及危害程度，在井下工作条件下，采取停机检查，但由于仅凭检修人员经验或者肉眼观察，容易出现误判，反而会耽误皮带机的生产运输。为了精准判断、分析皮带机齿轮系统故障，采用现代技术的平移多小波[3]为分析工具，针对井下皮带机齿轮系统故障进行诊断，从而有效评判出齿轮故障类型、原因、位置，及时为维修人员提供帮助，避免皮带机运行过程中发生事故。希望通过利用平移多小波技术对皮带机齿轮系统故障成果诊断，以解决煤矿机械设备故障评判难题，确保矿井安全生产和稳定运输。

1 齿轮系统故障类型

矿用皮带机齿轮系统常见的齿轮故障类型主要有以下几类。

（1）断齿。在皮带机运输中齿轮受到载荷作用，其根部会承受脉冲循环弯曲应力作用，齿轮根部材料极限无法应对周期性的应力时，根部出现裂纹。随着运输的进行，裂纹逐渐扩大，一旦传动载荷超过齿轮剩余根部，承受极限就会出现断齿。

图1 皮带机齿轮断齿

（2）齿面磨损。若在齿面添加的润滑油中夹有杂物等硬性物质，在齿轮啮合过程中，杂物会造成齿面磨损。

（3）齿面胶合。当皮带机齿轮系统处于高温高热、重载荷和高速运转状态下，润滑油补充不及时或者出现润滑效果不好等情况，齿轮与齿轮之间强制磨合，造成一个齿面与另一个齿面熔焊，形成划伤状胶合。

（4）点蚀。皮带机齿轮系统在工作中，齿轮间既会发生相对滑动，也会发生相对滚动，在摩擦力作用下产生脉动载荷。齿轮表面受到外物载荷和脉动载荷影响，齿轮表面内部会形成周期性剪应力，剪应力一旦超过齿轮自身结构的疲劳极限，致使齿面小金属脱落，齿面上就会突显凹凸不平的小坑，这被称之为疲劳点蚀。

为了确保皮带机不受齿轮系统影响，采用平移多小波理论对断齿、磨损、胶合、点蚀等齿轮故障进行诊断，进一步降低生产运输风险，为维修提供支持。

2 平移多小波故障诊断

通过平移多小波发生器，对需要诊断的齿轮进行检测。利用平移多小波技术提取冲击信号，通过仪器上波形图与无故障的波形图进行对比，分析周期冲击特征，在仪器和控制中心处理后，就可以判断出齿轮系统故障类型、原因、位置等[4～5]。平移多小波发生器采集的波形如图2所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示振幅。

图2 利用平移多小波技术对齿轮诊断的波形图

平移多小波发生器通过发射小波对皮带机齿轮结构进行采样，提取波形特征信号，矿用皮带机齿轮结构的故障特征信号作为即将检测的样本信息，然后对其处理。待检测信号利用控制中心预估、评判、分析，就得到了故障波形图，与正常波形图对比，从而得出齿轮系统故障类型、位置。

3 实验研究

3.1 基本情况

某矿井主斜井担负着整个矿井的煤炭运输，若齿轮系统发生故障将严重影响矿井的生产效益。为此，为了验证平移多小波的诊断齿轮系统故障的适用性，在实验室进行模拟试验。实验所采用的皮带机齿轮结构中既有正常齿轮，又有故障齿轮。实验室模拟所用器材如图3所示，实验皮带机齿轮结构中间轴上有故障齿轮。为控制变量，电机转速设定为固定值，第二级齿轮啮合频率设定为130 Hz；中间轴上的齿轮旋转频率设定为2.5 Hz；齿轮结构的输出轴旋转频率设定为0.5 Hz。

图3 诊断齿轮结构的实验台

为了验证平移多小波诊断皮带机齿轮结构故障的效果，把齿轮故障进行组合得到不同类型、不同位置、不同原因的故障，在实验中将正常运行齿轮的波形作为标准的参考值。在实验中，利用平移多小波发生器采集了诊断信号，并对该波形信号进行识别和诊断。

3.2 实验结果

根据平移多小波诊断原理，利用概率论对获取的波动信号进行参数估计，提取波形特征信号。利用控制中心预估、评判、分析，就得到了故障波形图，与正常波形图对比，从而得出齿轮系统故障类型、位置。实验中利用平移多小波技术诊断皮带机齿轮故障幅值谱和包络谱如图4所示。

图4 利用平移多小波诊断皮带机齿轮故障结果

由图4可知，仪器对小波分解后选取重构逼近信号，利用平移多小波技术对特征信号进行提取[6]。根据诊断齿轮的幅值谱明显看出频率为133.7 Hz最为突出，与第二级的齿轮啮合频率130 Hz基本接近，说明平移多小波技术能够准确评判出齿轮啮合状况。对仪器提取的特征波形信号进行包络谱调质分析，发现包络谱中的调质频率有0.55 Hz、7.02 Hz、14.05 Hz、21.13 Hz、28.15 Hz等信号成分，0.55 Hz频率正好与齿轮系统输出轴的旋转频率接近，而其他信号成分均大于中间轴上的齿轮旋转频率。通过分析可以初步判定中间轴上的齿轮为故障齿轮，与实验初期设定结果相符。

3.3 工程试验

为了进一步确认平移多小波诊断齿轮故障准确率，对某矿的主斜井皮带运输机齿轮系统进行了工业性试验。采用平移多小波对皮带机齿轮系统进行诊断，提取有效特征信号，对提取的齿轮特征频率采用幅值谱和包络谱进行分析，通过对比正常齿轮波形频谱图，进而确定出了齿轮故障[7-8]。利用平移多小波诊断齿轮系统故障的波形频谱如图5所示。

图5 诊断结果

从图5诊断结果看出，周期性脉冲信号时强时弱、交替出现，如图中的冲击波形I1和I2。I1波出现大冲击波形，说明故障严重，仪器显示该齿轮发生了断齿，主要原因是受瞬时冲击载荷造成；图中标注处的I2是微小冲击波形，表明该处为齿面胶合，由缺少润滑油引起。停止皮带机运输，对其齿轮结构检查，发现大齿轮断掉了1个齿，而在大齿轮和小齿轮啮合面上有相互胶合损伤，断齿与胶合损伤相间约1/4圆周距离。

利用实验对样本测试结果表明，平移多小波诊断皮带机齿轮结构故障准确度高达99.7%，说明该方法可行有效，良好地解决了煤矿困扰多时的皮带机齿轮结构故障难题。平移多小波诊断矿用皮带机齿轮结构故障，可行性高、技术先进，能够为维修人员对皮带机故障查找提供精准的类别、位置，降低维修人员的劳动强度、减少工作量，有效避免了因皮带机齿轮结构故障造成的安全事故，为矿井高效率生产奠定了基础。

4 结束语

为了精准判断矿井皮带机齿轮系统故障，减小维修难度，论文基于平移多小波诊断齿轮系统故障研究，分别从3个方面进行了分析、探讨。

（1）矿井皮带机齿轮系统在工作过程中主要有断齿、胶合、磨损、点蚀等故障，受工作环境限制，人工诊断齿轮故障难度高。

（2）平移多小波在发生器中对采集的特征信号进行分析、评判处理，与正常齿轮波形对比，综合确定齿轮系统故障类型、位置和原因。

（3）为了验证平移多小波的实用性，分别在实验室和现场进行了试验。试验表明，利用平移多小波诊断皮带机齿轮系统故障准确性高、可行性强，能够为维修人员提供有效帮助，也为矿井皮带运输机安全、稳定运输奠定了基础。