采掘装备包括连续采煤机、掘锚一体机、悬臂式掘进机等，是智能化快速掘进系统的龙头装备。采掘装备传动系统采用电机+减速器+执行机构或液压马达+减速器+执行机构工作模式，减速器是采掘装备传动系统的关键部件之一，若减速器发生严重故障，会造成采掘装备主要功能丧失，导致智能化快速掘进系统瘫痪，最终使掘进工作面停产[1-3]。

采掘装备在国内推广应用过程中，存在减速器等关键元部件可靠性不足问题。部分国产减速器平均无故障工作时间明显低于进口减速器，与运输、支护、提升设备减速器相比，减速器服役环境更为复杂恶劣，受到粉尘、潮湿、振动、时变波动的重载荷、冲击载荷的综合作用，更容易出现严重漏油、高温以及齿轮和轴承损坏等问题。基于此，提升国产减速器的可靠性是必须突破的瓶颈问题之一。

1 采掘装备减速器的可靠性研究现状

目前，减速器的可靠性研究主要表现在基于建模与仿真的可靠性分析和基于故障信息的可靠性分析，比如FMEA分析、FTA分析等。

邹殿龙等研究人员[4]以薄煤层采煤机摇臂减速器为例，进行了基于 ANSYS/PDS 模块的三维动态齿轮齿根弯曲强度可靠性分析。研究了在不同工况下，齿根应力、安全系数和可靠性三者之间的关系。通过与 MATLAB 数值计算结果对比，验证了有限元法求解可靠度的准确性。

田震等研究人员[5]为研究多因素影响下采煤机截割部行星减速器的可靠性，以MG400/951-WD采煤机为研究对象，根据截齿受力分析和煤样机械性质测定结果，计算出螺旋滚筒受到的载荷曲线。将载荷施加给截割部模型进行仿真，得到行星架与行星轴的应力信息；通过构建应力-可靠度的高斯型隶属度函数，获取行星架与行星轴的可靠度信息。

马宪民等研究人员[6]在可靠性寿命分析中，针对传统的 Weibull 分布进行可靠性寿命参数估计时一般为线性估计，但故障信息的随机性使得预测结果误差较大。提出粒子群算法对模型参数进行优化最终得到可靠性寿命预测值。

武文娟等研究人员[7]对减速器进行FMEA分析及FTA分析，找出减速器最严重的失效形式，并分析出减速器输出轴故障最直接的原因。根据各失效原因制定相应的预防和控制措施，从而减轻或避免不必要的风险和损失，为减速器可靠性水平的提高提供了参考依据。

2 采掘装备减速器可靠性问题

2.1 可靠性问题概述

与进口设备相比，国产减速器的可靠性较低，主要表现在平均无故障工作时间较短、故障严酷性较强、可靠性研究技术相对滞后等方面。一是国产减速器可靠性水平较低，部分国产减速器可靠性水平不足进口设备的50%，部分减速器无故障工作时间不足半年；二是与进口减速器相比，国产减速器故障的严酷性较强，表现在严重漏油、花键、轴承、齿轮损坏的比重相对较大，导致减速器的传动功能丧失、修复成本相对较高、部分严重故障在井下无法修复，需要整体更换减速器，由此带来较大的质量成本，并且顾客满意度下降；三是国产减速器可靠性研究相对滞后，主要表现在减速器可靠性设计能力不足、减速器制造装配可靠性保障能力不足、减速器试验能力不足、减速器可靠性基础数据不足以及可靠性标准化工作尚未起步等方面。

2.2 可靠性设计方面问题

在减速器可靠性设计方面，缺乏对减速器可靠性问题本质规律的认知，缺乏结合减速器服役环境和复杂装备自身特性的系统的可靠性设计方法，传统的以串并联为核心的可靠性建模方法并不适用于复杂装备的可靠性分析。在减速器设计阶段没有提出明确的可靠性指标值[8-9]。

2.3 制造、装配方面问题

在减速器制造、装配方面，减速器功率相对较高、结构较为复杂，包含着多级齿轮传动甚至多级的行星传动。减速器加工、制造、装配质量不仅取决于齿轮、轴等零件的制造质量，而且取决于装配质量。减速器各级齿轮、各级传动轴之间存在着严格的形位公差要求。目前，缺乏减速器装配形位公差检测技术手段，减速器装配误差导致传动轴不对中、齿轮啮合不良等问题，进而影响了减速器的工作可靠性。

2.4 试验方面问题

在减速器试验方面，首先部分国产减速器生产制造厂家不具备减速器加载试验能力，仅以减速器空运转试验作为出厂试验，试验工况与减速器实际服役工况不符，导致减速器故障或故障隐患不能在出厂试验阶段暴露，降低了减速器服役可靠性[10-11]。其次减速器的加载试验方式与实际服役工况存在较大偏差，加载试验未达到模拟实际工况的目标，试验效果不理想。减速器加载试验示意如图1所示。

减速器包括高速箱体、连接部、低速箱体，高速箱体为矩形箱体，通过螺栓、定位键装配在减速器安装架上；低速箱体为圆柱形箱体。减速器实际工作方式为2台电机驱动高速箱体，高速箱体的动力通过连接部传递到低速箱体，滚筒装配在低速箱体，低速箱体旋转驱动滚筒旋转割煤。减速器服役过程中、高速箱体受到电机驱动扭矩作用，低速箱体受到煤岩载荷作用。减速器试验模拟加载方式为拖动电机拖动减速器运转，负载电机给减速器施加负载，减速器低速箱体除了主轴、锥齿轮副外，其余传动副未受到载荷作用，因此，减速器加载试验方式与实际工况不符。

减速器加载试验的载荷为恒定载荷，减速器在井下服役过程中受到的载荷为动载荷。载荷幅值随着煤岩性质、进刀量、截割工况的变化而实时变化，冲击载荷、交变载荷为不能忽略的载荷频谱成分。载荷是引起减速器故障进而影响其工作可靠性的核心诱因。减速器加载试验的载荷与实际载荷不符，因而加载试验未实现暴露减速器设计缺陷、故障隐患的目标。

此外，减速器的测试和故障诊断技术相对落后，目前的减速器测试手段仍然是测试温升、检查减速器的密封性能，减速器加载试验仅仅测试了减速器的效率。振动测试分析法是机械设备故障诊断的重要方法，大部分减速器试验未测试振动性能，个别减速器试验即使测试了振动性能，也未涉及测试数据分析工作，因而国产减速器的振动测试未达到故障诊断的目标。

2.5 可靠性基础数据方面问题

在减速器可靠性基础数据方面，故障信息不完整，减速器故障信息包括实验室试验信息和工业性试验信息，减速器未建立完整的故障信息库。减速器故障不标准和不规范的信息无法直接输入到专业的可靠性分析软件。因而，不能准确识别减速器的可靠度、失效概率密度、可靠寿命等可靠性指标值。

2.6 国内外可靠性标准对比

在减速器可靠性标准方面，国外可靠性标准化工作开展较早，各类可靠性标准比较完善，美国在1952年成立了电子设备可靠性咨询小组，并制定了著名的MTL-HDBK-217《电子设备可靠性预测》等标准。1962年，德国提出成立了国际电工委员会(IEC)的第56个技术委员会——TC56(“可信性”技术委员会)，TC56应用“工具箱”的结构概念，制定、重组了一系列标准，形成了由核心标准、过程标准、支撑标准、相关标准等4个层次的标准组成的可靠性标准体系。国外减速器经过多年的技术积累，形成了成熟的技术标准，成为装备高可靠性的重要保障。

检索发现，我国目前尚未建立减速器可靠性分析评价标准，仅制定了《滚动轴承寿命及可靠性试验规程》(JB T 50013-2000)和《滚动轴承寿命与可靠性试验及评定》(GB T 24607-2009)，减速器可靠性评定缺少客观统一的规范。

3 采掘装备减速器可靠性提升方法

3.1 强化减速器可靠性设计

可靠性设计是可靠性提升的重要环节，可靠性设计原理是在传统设计的基础上，将载荷、材料性能、强度、零部件尺寸等与设计有关的参数、变量等要素处理为服从某种统计分布规律的随机变量，按可靠性设计准则建立概率数学模型，应用概率与数理统计理论及强度理论，给出在给定设计条件下零部件产生破坏的概率公式，并应用这些公式求出在给定可靠度下零部件的尺寸、寿命等[12-13]指标值。将可靠性设计原理应用于减速器设计，将减速器服役环境的影响纳入减速器可靠性设计，充分考虑载荷的波动性，建立减速器疲劳强度的概率模型，考虑粉尘、振动、潮湿的环境对减速器时变可靠性的影响，同时在设计阶段求出减速器的寿命指标值。

3.2 提升减速器制造质量检测能力

制造质量是设备及其零部件固有可靠性的保证，减速器的加工、装配质量直接影响减速器的服役可靠性。减速器齿轮制造质量通过格里森齿轮测量机检测来保证，大型减速器壳体的形位公差以及装配的形位公差通过三坐标测量机来检测。三坐标测量机包括龙门式和关节臂式，龙门式三坐标测量机适合建设在车间、检测中心、实验室等部门的专用计量区域，完成零部件的精密检测，检测效率相对较低。关节臂式三坐标测量机又称便携式三坐标测量机，与龙门式三坐标测量机相比，关节臂式三坐标测量机便于携带和组装，避免了工件运输、装卡的麻烦。关节臂式三坐标测量机的结构主要由关节臂、控制电路、上位机软件及附件组成。其中，关节臂由3根刚体臂、3个活动关节和1个测头组成，可实现对量程范围内的空间任意位置进行测量[14-15]。关节臂式三坐标测量机如图2所示。

3.3 提升测试技术水平减小减速器试验误差

模拟井下实际工况进行减速器加载试验是减小试验误差的重要措施，应用先进的测试技术，全面测试减速器在井下服役过程中的转速、载荷信号，通过井下5G环网、地面指挥中心，将减速器的测试信号传输至网络云端，实验室登录工业大数据云平台下载数据。依据减速器的实际受力情况设计试验台，保证减速器输入的载荷大小与波动情况与井下工况一致，保证减速器各级运动副受载方式、输入转速与井下工况一致，完成模拟井下工况加载试验流程。

3.4 加强减速器可靠性数据治理

减速器可靠性水平评估、改进提升以可靠性数据为基础，从故障信息的全面性、规范性、信息化、循环迭代与闭环管理等方面加强数据治理，提高数据的利用率。

(1)故障信息的全面性是指故障信息不仅包含售后服务部门、用户反馈的减速器使用阶段的故障信息，而且还应包含加工制造、标准件采购、装配、试验、装配整机调试以及出厂检验阶段发生的故障信息。

(2)故障信息的规范性是指每条故障信息应包含可靠性分析需要的完整的故障信息，首先故障信息应包含减速器出厂编号、出厂日期、故障发生时间、地点、环境条件等信息；其次故障模式应采用标准化语言描述，避免不同的信息采集员描述故障出现模糊、不一致的情况。

(3)故障信息的信息化是指建立故障信息管理系统，采集员将收集到的故障信息录入系统，为公司不同层面的员工设置不同级别的查看权限。故障信息管理系统集成数据库功能，减速器历史故障信息存储于数据库内部，便于调用和分析。

(4)故障信息的循环迭代与闭环管理是指建立故障报告、分析、纠正措施系统。针对每一条故障信息，设置故障信息录入节点、数据审核节点、故障分析节点、故障处理节点、处理措施验证节点，每一条故障都形成闭环管理。

3.5 实施减速器可靠性标准化战略

标准是经济活动和社会发展的技术支撑，是国家基础性制度的重要方面。2021年10月中共中央、国务院印发了《国家标准化发展纲要》，可靠性纳入《国家智能制造标准体系建设指南(2021版)》A基础共性。

在可靠性试验方面，需要制定减速器可靠性试验行业标准，测定、验证减速器可靠性水平。可靠性评价方面，需要做减速器故障模式分析，建立减速器故障模式库，建立减速器故障判定准则，在此基础上开展减速器可靠性水平评价[16-17]。

4 结语

自2019年以来，部分国内大型煤机生产制造企业实施了可靠性提升计划，国产采掘装备减速器可靠性提升初见成效。中国煤炭科工集团掘、支、运一体化快速掘进系统刷新了掘进进尺记录，2022年3月，在复杂围岩条件下，月最高进尺856 m，掘进效率提高1.5倍；2022年5月，在中等稳定围岩条件下，月最高进尺2 086 m，掘进效率提高3倍，减速器可靠性提升为采掘装备工作效能的提升奠定了基础。国产采掘装备减速器可靠性改进提升是一个长期的过程，随着减速器可靠性水平的逐步提升，快速掘进系统必将创造更多的奇迹[18-20]。

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Reliability research on reducers of domestic mining and tunneling equipment

ZHANG Licai1, ZHAO Huanshuai2

(1. China National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery, CCTEG Taiyuan Research Institute Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030032, China;2. School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Abstract In response to issues such as insufficient reliability of reducer components in the application process of mining equipment, the reliability of reducers of domestic mining and tunneling equipment was studied. The current research status of the reliability of the reducers is introduced, and the problems of reducers of the domestic mining and tunneling equipment were analyzed in terms of the short mean time between failures, the strong severity of failures, and the relative lagged reliability research technology by comparing with the imported equipment, and the specific measures to improve the reliability of reducers of mining and tunneling equipment were proposed from five aspects: strengthening reliability design, improving manufacturing quality inspection capability, improving detection technology to reduce test errors, strengthening reliability data governance, and implementing reliability standardization strategy.

Keywords mining and tunneling equipment; reducer; reliability design; manufacturing quality inspection capability; reliability standardization

中图分类号 TD421.8

文献标志码 A

引用格式：张礼才,赵环帅.国产采掘装备减速器可靠性研究[J].中国煤炭,2023,49(6):68-72. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.010

ZHANG Licai, ZHAO Huanshuai.Reliability research on reducers of domestic mining and tunneling equip-ment [J].China Coal,2023,49(6):68-72. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.06.010

基金项目：国家重点研发计划(2020YFB1314003)，山西省攻关专项(2020XXX001)，太原研究院自立项目(M2023-MS01)

作者简介：张礼才(1983-)，辽宁朝阳人，硕士，高级工程师，主要研究方向为机械仿真测试。E-mail：m15034135460@163.com

(责任编辑 路 强)