0 引言

齿轮传动因具有传递功率范围较大、传动比较准确、使用寿命也长等优点，是各种机械结构中应用最为广泛的一种传动机构。但矿用设备减速器的运行工况恶劣，影响因素多，故障率高，维修难度也大[1]。由于实际问题比较复杂，故减速器动力学特性的理论分析能否反应客观实际，必须通过测量和试验来验证。为此，在生产装配阶段，必须预先对减速器进行振动试验，分析其振动信号频谱，这对提高减速器的服役过程质量、降低运行维护成本具有重要意义[2]。对此，设计了一种矿用设备减速器振动测试系统，该设备由声振综合测试仪和加速度传感器构成，依托减速器试验台来测试减速器关键部位测点振动信号。同时，鉴于减速器振动信号的复杂性，对其进行了快速傅里叶变换，以获得减速器不同部位测点振动信号的频谱，并结合减速器的设计参数，分析其振动信号的频谱和边频[3]。

1 减速器试验台组成和原理

1.1 基本组成

矿用设备减速器试验台主要由驱动电动机、电动机台架、传动机构、减速器台架及被试减速器等组成，如图1所示。电动机通过螺栓固定在电动机台架上，被试减速器通过平键、螺栓固定在减速器台架上，电动机台架、减速器台架又通过压板固定在带有“T”型槽的试验台面上，电动机与被试减速器之间的传动机构由联轴器、传动轴、轴承座构成，通过控制电动机台架及减速器台架高度方向加工精度，保证了电动机输出轴、减速器输入轴同轴度要求。

  

1-电动机； 2-电动机台架； 3-联轴器； 4-传动轴； 5-轴承座；

 

6-轴承座台架； 7-被试减速器； 8-减速器台架

 

图1 减速器基本结构及试验台示意图

1.2 工作原理

通过实验室电控柜给电动机供电，由控制台控制电动机的启动、停止试验时，电动机转速与被试减速器按井下实际工况的输入转速相匹配，然后控制台发出指令，电动机启动，通过传动机构驱动被试减速器运转。此矿用减速器应按井下实际工况采用双电动机驱动，高速箱左右侧输入端分别布置驱动电动机。该实验台用于减速器空载运转实验，由于驱动力远小于井下实际工况，故采用单电动机驱动减速器，其驱动端布置在减速器的高速箱右侧输入端。

2 减速器振动测试

2.1 振动测试系统的构建

减速器振动测试系统由振动信号测量装置和振动信号采集装置构成，其中前者包括加速度传感器、信号放大电路，后者包括模数转换器、数据采集仪、工控机。振动测试系统框架构成如图2所示，箭头表示数据传输方向。

作为馈源阵基本辐射单元的喇叭选择基膜喇叭，喇叭的口径选择为40 mm，天线的初级辐射方向图如图2所示。

图2 减速器振动测试系统框架图

2.2 振动测试

景点可以通过在门票或合适的媒介上引入AR应用，引导用户在手机或终端下载AR应用，然后打开，对着景区门票进行扫描，就会出现风景区的视频宣传片，全方位介绍了景区的自然和人文景观。

2.2.2 测试流程

矿用减速器结构复杂，为完整拾取减速器振动信息，采用多通道、并行测频信号的测试方法进行振动测试。减速器运转过程中齿轮及传动轴的振动通过轴承传递到壳体上，其齿轮及传动轴振动测点布置在减速器壳体上轴承位置，行星机构太阳轮为输入端，行星架为输出端，内齿圈通过螺栓、定位销固定在减速器壳体上，行星机构振动通过内齿圈传递到壳体上，故行星机构振动测点布置在行星机构内齿圈上，鉴于减速器结构的对称性，需合理简化测点数量和测量位置[5]。振动测点布置如图3所示，其测点1为高速箱轴承测点，测点2为低速箱轴承测点。

减速器基本结构如图1所示。矿用减速器由高速箱和低速箱两部分组成，高速箱为减速器输入端，尺寸较小，外形为矩形箱体，低速箱为减速器输出端，尺寸较大，外形为圆柱形箱体结构，包括左右驱动轮毂、中间驱动轮毂3部分[4]。

2.2.1 基本结构

减速器振动测试参数设置为采样频率10 240 Hz，分析带宽5 120 Hz。测试流程如下：

  

1-高速箱轴承测点，2-低速箱轴承测点

 

图3 减速器振动测点布置

1) 将加速度传感器通过磁力座固定在减速器测点处，通过数据线连接加速度传感器与数据采集仪，启动振动测试系统软件，进行通道设置、实验参数设置，然后通过敲击测点，调试振动测试系统，观察测点振动示波信号是否符合要求。

通过全面感知提供智能工厂完整的数据支撑，精准执行实现生产计划、生产操作指令、智能决策的落地实现，最终落实在对生产设备的操作控制、工艺流程的优化控制，实现通过感知和执行体现业务系统的价值。

3) 实验完成后，操作数据采集软件，停止记录，保存采集结果，控制台发出停机指令，电动机、被试减速器停止运转[6]。

在微机继电保护装置安装调试完成后，对其进行验收运行工作。对微机继电保护装置验收，主要利用保护整组传动来进行数据观测，结合遥测、遥控、遥调功能进行对应管理操作，确保设备整体正常运行后，对其功能参数以及性能指标做好及时的跟踪比对，明确其质量新性能无误后，将其投入运行，对相关重要数据库资料进行及时备份，为后续设备改造或故障排除时，提供参考资料。

3 振动信号频谱分析

3.1 测点主频率分析

百姓的生活有没有同步提高呢？回答是否定的。不仅没有提高，反而生活在水深火热之中。我们再来看与“富国”形成鲜明对比的另一组事实与数据:

起兴，又叫“兴”。起兴先说其他事物，再说要说的事物。有起情，营造作品气氛，协调韵律，确定韵脚和音步，拈连上下文关系等的作用。“水向东流”可以看做一个起兴，先说水，再说时间。使得歌词音律和谐，同时使语言咏唱自由，行文更加顺畅。“水向东流”无疑打破了这个美梦，水和时间都无法逆流，揭露了残酷的现实：过去的已经过去，也无法回去。

通过对减速器振动测试数据进行快速傅里叶变换(FFT)，得到以频率为变量的谱函数，减速器高低速箱轴承测点频谱如图4、图5所示。从分析减速器测点频谱可知，各个测点主要频率成分为450 Hz及其倍频成分，测点频率统计见表1。由此，矿用减速器设计参数中，其减速器输入端一级齿轮副啮合频率为450 Hz，即该矿用减速器各个测点振动载波频率为减速器输入端啮合频率。

作为时间函数的振动信号，通常在时间域里描述该信号随时间变化的性质，但在振动信号的分析方法中，往往还需要采用频率域的概念对信号进行描述[7]，即把信号从时域描述变换为频域描述的方法称为傅里叶变换。但傅里叶变换的计算量太大，计算成本又过高，使之缺乏实用性，而采用快速傅里叶变换的运算，其效率较高，存储空间开销较小[8]。

2) 调试完成后，控制台发出指令，电动机启动，通过传动机构驱动被试减速器运转，传感器布置在减速器振动测点处，拾取减速器关键部位振动信号，通过数据线将采集的数据传递至数据采集前端，操作数据采集软件，实时记录采集的数据信号。

  

图4 高速箱测点频谱图

  

图5 低速箱测点频谱图

 

表1 测点频率统计 Hz

3.2 测点边频分析

对减速器测点某一载波频率展开，比如对已知450 Hz为中心频率进行局部展开，得到减速器高速箱轴承的测点边频，如图6所示，低速箱轴承的测点边频，如图7所示。通过分析减速器测点边频成分得知，减速器的各个测点边频间隔为25 Hz及其倍频，减速器各个测点边频统计如表2所示。由此通过矿用减速器输入轴转动频率为25 Hz，可得知矿用减速器各个测点边频为减速器输入轴转频及其倍频[9]。

  

图6 高速箱测点边频图

  

图7 低速箱测点边频图

 

表2 测点边频成分统计

 

Hz

  

边频成分401.50 425.00 450.25 475.50 500.00

4 结论

本文以某矿用设备减速器为研究对象，以减速器试验台及被试减速器为载体，构建了减速器关键部位振动测试系统，并进行了减速器空载运转试验，测试了减速器关键部位测点振动加速度，并对测点加速度数据进行了频域分析。由减速器测点振动信号频谱分析表明，高速箱测点和低速箱测点载波频

率基本一致，均为减速器输入端啮合频率，减速器各个测点频谱的边频成分为输入轴转频及其倍频。

由此得出，减速器输入轴转频对输入端啮合频率信号成了调制作用，减速器输入端啮合频率、减速器输入轴转频对减速器各部位振动影响显著。该矿用减速器已经研制成功，在短短的几年里，累计销售量达到60余台，已创造产值数千万元，其传动效率达到95%左右，故障率低，返工返修率几乎为零，在神东公司等大型现代化矿井得到了广泛的应用。

参考文献：

[1] 赵文丽. 矿用机械设备维修费用的控制与考核[J]. 露天采矿技术,2015(4):85-87，90.

[2] 马凤苹.矿用车辆驾驶室振动分析[J].煤矿机电,2016(5):94-96.

[3] 贺洪华，陆俭.刨煤机刨头的振动分析与仿真研究[J].煤矿机电,2013(2):5-7.

[4] 刘爽,魏伟,何卫东,等.四环板针摆行星减速器振动测试与分析[J].机械设计与制造,2014(2):167-170.

[5] 顾庆丰,赵艳平,阚晓平,等.大型振动设备振动测试及模态分析系统[J]. 煤炭技术,2009,28(7):1-3.

[6] 房广海. 大型减速器运行工况及其测试方法[J].煤炭技术，2009,28(2):29-31.

[7] 韩少军,张丙伟,李政天,等.汽车齿轮的振动测试与分析[J]. 噪声与振动控制,2010,8(4):125-128.

[8] 胡丽莹,肖蓬.快速傅里叶变换在频谱分析中的应用[J].福建师范大学学报(自然科学版),2011, 27(4)：27-30.

[9] 王明敏.掘进机截割减速器的故障分析研究[J].煤矿机电,2016(3):105-106.

作者简介：张礼才(1983—)，男，工程师。2009年毕业于辽宁工程技术大学机械设计专业(硕士学位)，现从事软岩采掘装备研发工作，发表论文10篇。