摘要：针对带式输送机齿轮箱故障定位复杂、诊断困难的问题，设计了一种基于故障树的带式输送机齿轮箱诊断模型。在深入分析矿用带式输送机齿轮箱结构、运行特点以及故障形式的基础上，分析了齿轮箱子系统的失效模式，构建了齿轮箱故障树，通过最小割集和故障规则库关联实现故障定位和自动诊断。模拟测试结果表明，该方法可以快速地对齿轮箱各单元进行故障诊断和准确定位，并能给出相应解决方案，具有较好的实用性。
关键词：带式输送机；故障树；齿轮箱；诊断
引言
矿用带式输送机是现代煤炭企业的重要生产设备之一，具有结构简单、运输能力大、维修方便等特点，是井下煤炭、物资输送到地面的主要运输设备。矿用带式输送机的运行安全直接影响煤炭企业的生产安全，一旦发生故障，不仅给煤炭企业造成经济损失，同时还可能导致人身安全事故，因此及时发现带式输送机故障并诊断出故障发生位置，对于进一步提高企业生产安全系数、保障生产正常进行具有重要意义。齿轮箱是矿用带式输送机的重要传动部件，是集减速、离合、调速于一体的传动装置。由于带式输送机工作环境相对恶劣、工作强度大、运行时间长，为保持带速稳定，在受较大载荷冲击时经常有急加速和急减速的动作，因此故障发生率较高。本文主要针对矿用带式输送机的齿轮箱故障快速诊断进行研究，通过对影响齿轮箱的各种因素进行分析，建立故障树分析模型；利用最小割集划分，实现带式输送机齿轮箱故障的定性和定量分析。为准确快速实现输送机齿轮箱故障的诊断创造条件，进一步提高带式输送机的可靠性和安全性，降低事故发生率。
1矿用带式输送机齿轮箱结构及故障类型
齿轮箱是带式输送机传动系统中的核心部件，其主要功能是将电动机的动能通过一系列齿轮和轴传递给滚筒进行工作，其目的是在降低转速的同时增大扭矩。传统带式输送机齿轮箱一般为三级弧齿圆柱齿轮减速，设置有4个轴，一轴为与电动机相联的圆弧伞齿轮轴，二轴为斜齿齿轮轴，三轴为圆柱齿轮轴，四轴为输出轴，通过花键带动滚筒。齿轮箱由外壳、轴、轴承、齿轮、密封件、紧固件等部分组成，其结构如图1所示。带式输送机齿轮箱是精密多轴传动部件，近年来随着煤矿机械重型化、自动化的发展，齿轮箱的受力情况日趋复杂，再加上受恶劣工作环境以及制造、装配工艺的影响，导致齿轮箱故障发生率越来越高。据统计，在带式输送机故障中，齿轮箱故障占比达60%以上。齿轮箱故障类型主要有齿轮故障、轴承故障、轴故障、润滑系统故障、紧固件故障等。①齿轮故障主要表现在齿面磨损、点蚀、齿根断裂以及以上几种故障组成的混合故障；②轴承故障包括内外圈故障、滚动体故障、保持架故障以及轴承卡死、断裂等故障形式；③轴故障主要有轴不对中、轴弯曲、轴松动等表现形式；④润滑系统故障主要有漏油、润滑不足、油质污染等情况，多为密封件、密封剂失效引起；⑤紧固件故障主要表现为紧固螺栓松动导致的振动加剧以及箱体刚度失效。
2基于故障树的带式输送机齿轮箱故障诊断
（1）齿轮箱失效模式分析。齿轮箱是一个复杂的精密结构，任何一个单元出现故障都会导致齿轮箱失效。因此在建立齿轮箱的故障树之前，需要对齿轮箱各组件结构进行分析，找到它们之间的逻辑关系。本文根据调查研究及实践经验，得到的带式输送机齿轮箱失效模式分析明细表如表1所示。（2）齿轮箱故障树建立。根据上述齿轮箱失效模式分析，依据故障树建立原则，对带式输送机齿轮箱各二级子系统建立故障树模型如图2所示。如果将齿轮箱失效视为顶事件，则各个子系统的故障则为中间事件，所有中间事件的底事件为整个故障树的底事件。（3）故障树诊断流程。基于故障树的带式输送机齿轮箱诊断步骤：①利用传感器获取齿轮箱各单元的相关参数数据，并保存为指定格式；②故障诊断模块读取按照规范格式保存的检测数据；③将读取的实时检测数据与故障树关联，并根据故障规则运用诊断算法进行判别。诊断算法采用自上而下的故障树搜寻法生成最小割集，实现故障判断与定位，具体流程：①生成最小割集该故障树的29个底事件相互独立，因此每个底事件就是一个最小割集，记为｛X1｝、｛X2｝、｛X3｝、…、｛X29｝。②读取由传感器采集到的各二级子系统参数，得到故障征兆矩阵式中rij———最小割集Xi的第j个故障参数。③根据故障征兆矩阵判断最小割集是否发生。④确定故障并进行定量分析，计算导致故障的底事件的关键重要度。⑤根据重要度给出解决方案。
3模拟测试验证
为了验证故障树诊断法对于带式输送机齿轮箱的诊断性能，本文设计了故障规则数据库，并使用C++编写了故障诊断软件。根据某矿带式输送机的大修记录以及相关文献，选取了齿轮点蚀、断齿、轴承滚动体、轴承保持架以及润滑系统等共计18个故障样本进行模拟。经故障树分析，得到齿轮箱底事件的概率重要度及关键重要度如表2所示。表2带式输送机齿轮箱故障树的底事件概率重要度及关键模拟测试诊断结果显示在软件界面上，齿轮齿面损伤故障的诊断结果以及根据定量分析和历史案例给出的解决方案如图3所示。
4结语
本文主要对带式输送机齿轮箱故障诊断进行了研究，通过对齿轮箱失效模式进行分析，得到各个子系统的故障树。利用最小割集算法对故障进行定性判断，并利用定量分析得到各个底事件的关键重要度。模拟测试证明，当齿轮箱发生故障时，该方法可以实现故障准确诊断与定位，并根据定量分析给出解决方案，供技术、维修人员参考与决策。
作者:沈建明 石云飞 单位:常州工业职业技术学院