礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙在線動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警方法

李學(xué)哲,李孝平,何 偉,王 菲

(1. 華北科技學(xué)院 河北省礦山設(shè)備安全監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 東燕郊 065201；2. 國電承德華御新能源有限公司，河北 承德 068450)

0 引言

葉尖間隙是指通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)殼之間的最小徑向距離(如圖1所示)，它是關(guān)系到通風(fēng)機(jī)性能與安全的重要技術(shù)參數(shù)，葉尖間隙過大或過小嚴(yán)重影響通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率和安全穩(wěn)定[1-2]。葉尖間隙檢測是優(yōu)化通風(fēng)機(jī)性能、保障通風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。國家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對通風(fēng)機(jī)葉尖間隙檢測的重要性和技術(shù)規(guī)范都做了明確的闡述[3-4]：主通風(fēng)機(jī)葉片與機(jī)殼的單側(cè)間隙值應(yīng)不小于2.5 mm，測量儀器分度值不大于0.05 mm；壓入式軸流通風(fēng)機(jī)葉輪的葉片與機(jī)殼之間的徑向間隙應(yīng)為葉輪直徑的1.5‰～3.5‰。

目前，通風(fēng)機(jī)葉尖間隙檢測主要是采用靜態(tài)測量方法實(shí)現(xiàn)，即在通風(fēng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，利用塞尺或智能儀表完成葉尖間隙的檢測。常見的間隙靜態(tài)測量方法有[5-8]：放電探針法、超聲波法、電容法、電渦流法等。靜態(tài)測量技術(shù)相對成熟，但實(shí)時性差、評價結(jié)果片面、智能化水平低，只適合葉尖間隙的離線抽檢，不能滿足通風(fēng)機(jī)葉尖間隙實(shí)時在線監(jiān)測和安全預(yù)警的技術(shù)要求。通風(fēng)機(jī)葉尖間隙在線動態(tài)檢測一直以來是煤礦安全監(jiān)測的重要需求，也是個難題，目前國內(nèi)外鮮有研究。所謂在線動態(tài)檢測就是在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)時檢測和分析葉尖間隙的變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取措施防止事故發(fā)生。動態(tài)測量方法在實(shí)時性、科學(xué)性和智能化等方面都具有明顯的優(yōu)勢。

本文研究了一種基于光學(xué)非接觸測量技術(shù)的礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙動態(tài)測量方法，采用先進(jìn)的2D激光輪廓測量傳感器，在線動態(tài)采集葉尖間隙幾何信息，然后通過投影變換、輪廓提取、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)實(shí)時分析葉尖間隙測量結(jié)果。該方法具有非接觸、高動態(tài)響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、智能化水平高等特點(diǎn)，很好地解決了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下葉尖間隙的動態(tài)測量難題，為現(xiàn)場葉尖間隙實(shí)時在線監(jiān)測提供了有效的技術(shù)解決方案。

1 葉尖間隙在線動態(tài)測量總體技術(shù)方案

為了實(shí)時精準(zhǔn)的掌握葉尖間隙變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異常并安全預(yù)警，本文設(shè)計了如圖2所示的礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙在線動態(tài)測量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的光學(xué)非接觸測量技術(shù)，解決了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下葉尖間隙的動態(tài)測量問題。系統(tǒng)主要由三角測量支架、四自由度姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、2D激光測量傳感器、測控計算機(jī)等組成。其中，三角測量支架負(fù)責(zé)測量系統(tǒng)與被測間隙之間位置關(guān)系調(diào)整，完成測量坐標(biāo)系的建立。四自由度姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)傳感器測量姿態(tài)的優(yōu)化。如圖2所示，通過高低、前后、俯仰、偏擺等四個自由度的靈活調(diào)整，優(yōu)化間隙測量結(jié)果。2D激光測量傳感器是測量系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)葉尖間隙幾何特征的高精度動態(tài)采集。該傳感器具有非接觸、高動態(tài)響應(yīng)等技術(shù)特點(diǎn)，很好地解決了葉尖間隙動態(tài)測量的技術(shù)難題。測控計算機(jī)上運(yùn)行專用的測量分析軟件，負(fù)責(zé)測量流程的控制、數(shù)據(jù)傳送和結(jié)果處理與分析。

葉尖間隙動態(tài)測量原理及過程：首先，如圖2所示將測量系統(tǒng)安裝在運(yùn)行通風(fēng)機(jī)的前方，選擇3點(diǎn)鐘方位的間隙作為測量對象，并調(diào)整三角測量支架的位置，直至傳感器采集到清晰的葉尖間隙圖像，完成測量坐標(biāo)系O-XYZ的建立；然后，優(yōu)化傳感器設(shè)置、調(diào)整傳感器測量姿態(tài)，直至測量軟件上采集到穩(wěn)定、清晰、理想的間隙測量輪廓；最后，采集間隙輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理、特征提取、間隙計算及評定。

系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用注意事項(xiàng)：選用DC24V礦用本安電源解決傳感器的供電問題；采用RS485通信接口將測量數(shù)據(jù)上傳測控計算機(jī)，并由專用軟件處理，實(shí)時計算和分析葉尖間隙的變化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取措施防止事故發(fā)生。

2 2D激光測量傳感器的選擇

礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙具有如下特點(diǎn)：(1)尺寸跨度小，通常在2.5 mm～15mm之間[9]；(2)測量精度要求高，通常要求測量儀器分度值不大于0.05 mm[10]；(3)測量條件差，空間狹小，基準(zhǔn)建立和測量評定困難；(4)在線動態(tài)監(jiān)測難度大。礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的這些特點(diǎn)，給測量帶來極大的困難，傳統(tǒng)的測量手段很難滿足測量要求。

近年來，激光測量技術(shù)在動態(tài)測量分析系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[11-12]。本文選用日本奧泰斯公司LS-100CN激光輪廓測量傳感器實(shí)現(xiàn)葉尖間隙幾何特征的實(shí)時動態(tài)采集。

如圖3所示，該傳感器采用線結(jié)構(gòu)光投射到被測物表面，由成像元件接收被測形狀調(diào)制的光條圖像，然后根據(jù)所得圖像信息，通過投影變換，得到測量輪廓，實(shí)現(xiàn)高度和寬度的測量。該傳感器工作距離為100 mm，測量范圍為±25 mm，線激光在工作距離位置處的寬度為22 mm，Y軸重復(fù)精度2μm，X軸分辨率30μm，線性精度±0.1%F.S.，最快采樣周期0.5 ms，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)可以滿足礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量的相關(guān)要求。

圖3 LS-100CN激光輪廓測量傳感器

LS-100CN傳感器具有如下技術(shù)特點(diǎn)[13]，非常適合葉尖間隙的在線動態(tài)監(jiān)測和分析。

(1) 非接觸、高速、高精度、低成本；

(2) 光學(xué)適應(yīng)性強(qiáng)。通過拍攝模式優(yōu)化和快門時間調(diào)節(jié)，匹配測量環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)，提高成像質(zhì)量，進(jìn)而滿足動態(tài)測量的技術(shù)要求；

(3) 內(nèi)置圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)輪廓自動補(bǔ)償；

(4) 軟件功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)自動處理與分析。

3 測量方法優(yōu)化研究

3.1 傳感器測量位置與姿態(tài)的優(yōu)化

傳感器的空間位置和姿態(tài)對間隙測量結(jié)果有很大影響。因此，為了提高間隙測量的精度，測量前必須首先選擇和優(yōu)化傳感器的位置和姿態(tài)。

(1) 間隙選擇與傳感器在X、Z方向位置優(yōu)化

圖4 傳感器在X、Z方向位置優(yōu)化

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，會形成如圖4所示穩(wěn)定的環(huán)形間隙，在環(huán)形間隙上沿任意方位測量，均可以得到間隙的動態(tài)測量結(jié)果。但是為了簡化測量模型、優(yōu)化測量光路，本文選擇3點(diǎn)鐘方位的間隙作為測量對象，并根據(jù)選擇的間隙，調(diào)整三角測量支架，直至傳感器采集到清晰、完整的葉尖間隙圖像，從而確定傳感器在X、Z方向的最佳位置。

(2) 傳感器在Y方向位置優(yōu)化

如圖5所示，LS-100CN傳感器的工作距離為100 mm，測量范圍±25 mm，全量程線性精度±0.1%。

圖5 傳感器在Y方向位置優(yōu)化

研究表明，LS-100CN傳感器的非線性誤差隨著測量范圍的增大而增大，滿量程時非線性誤差最大，達(dá)到±50μm。因此，通過優(yōu)化傳感器測量位置和測量范圍，可以有效的減小非線性誤差，從而提高測量的精度。本文中，調(diào)整三角測量支架在Y方向的位置，使得被測間隙與傳感器的距離為100mm，從而確定傳感器在Y方向的最佳位置。

(3) 傳感器測量姿態(tài)優(yōu)化

受材料性質(zhì)、表面質(zhì)量、測量環(huán)境等因素的影響，采集的葉尖間隙圖像存在雜波、噪聲等干擾信息，這些干擾信息極大的影響測量的精度，嚴(yán)重時甚至造成測量失敗。通過傳感器俯仰或偏擺調(diào)整，可以有效改善圖像質(zhì)量，從而提高間隙測量的精度。傳感器測量姿態(tài)優(yōu)化后，間隙測量結(jié)果可以按公式(1)計算，其中，δm為間隙測量結(jié)果，δ’m為姿態(tài)優(yōu)化后間隙測量值，k為校準(zhǔn)系數(shù)(可以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定確定)。

δm=k×δ’m

(1)

3.2 成像與輪廓提取優(yōu)化

如圖6所示，線激光投射到旋轉(zhuǎn)葉片上，受葉片運(yùn)動影響，光條沿運(yùn)動方向被拉寬。被拉寬的光條嚴(yán)重影響間隙測量的精度，本文通過優(yōu)化圖像質(zhì)量和輪廓提取算法，有效的補(bǔ)償了這種運(yùn)動效應(yīng)帶來的誤差。

(1) 通過調(diào)整快門時間和受光增益，優(yōu)化受光量，進(jìn)而提高傳感器圖像采集的質(zhì)量。

圖6 動態(tài)間隙原始測量圖像

(2) 根據(jù)葉尖間隙的光學(xué)特征和幾何特點(diǎn)，優(yōu)化傳感器的拍照模式和輪廓提取算法，提高輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集精度。

(3) 通過精確設(shè)置拍照范圍和采樣頻率，提高傳感器的響應(yīng)速度，以適應(yīng)葉尖間隙動態(tài)測量的要求。

3.3 間隙識別算法

傳感器采集的原始測量數(shù)據(jù)存在噪聲干擾，且邊緣特征不清晰。基于采集的圖像數(shù)據(jù)，邊緣提取并自動識別葉尖間隙是本文研究的一個關(guān)鍵[14-15]。

在數(shù)學(xué)上，函數(shù)的變化率由導(dǎo)數(shù)來表征，準(zhǔn)確的邊緣位置對應(yīng)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的極大值點(diǎn)。因此，工程上常用一階微分算子提取測量數(shù)據(jù)的邊緣信息。常見的用于邊緣檢測的一階微分算子有Roberts、Sobel、Prewitt。與Roberts、Prewitt算子相比，Sobel算子具有一定的平滑作用，有助于濾除噪聲，且邊緣定位準(zhǔn)確。因此，本文選用Sobel算子提取數(shù)據(jù)邊緣，進(jìn)而提高間隙檢測的精度。

圖7 Sobel邊緣檢測算子

葉尖間隙具有如下幾何特征：(1)由于超出了傳感器測量范圍，間隙區(qū)間的坐標(biāo)點(diǎn)沒有測量值；(2)間隙值大于2.5 mm；(3)間隙區(qū)間兩側(cè)的坐標(biāo)點(diǎn)存在明顯的高度差。依據(jù)這些幾何約束，設(shè)計如圖8所示的葉尖間隙識別算法。該算法自動提取葉尖間隙，效果良好。

圖8 葉尖間隙識別算法流程圖

3.4 間隙預(yù)警方法

結(jié)合煤礦現(xiàn)場對通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的具體技術(shù)要求，利用上位機(jī)軟件設(shè)置間隙報警的閾值范圍。實(shí)時采集通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量值，并與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)采集的動態(tài)間隙值超出設(shè)定范圍時，通過聲光或GSM短信預(yù)警提示工作人員及時處理，預(yù)防安全事故的發(fā)生。GSM短信預(yù)警電路如圖9所示。

圖9 GSM短信預(yù)警電路

4 實(shí)驗(yàn)分析

利用本文提出的葉尖間隙動態(tài)測量方法，對YBT-2.2KW/FBY礦用隔爆軸流式局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了測試分析，間隙動態(tài)測量效果如圖6所示。測量方法優(yōu)化后，間隙測量輪廓如圖10所示，由圖10可以得出結(jié)論，葉尖間隙的幾何特征被有效提取，葉尖間隙動態(tài)測量值δ= 3.844 mm。利用本方法測量間隙5次，計算間隙平均值δmean= 3.886 mm。間隙的約定真值為4 mm(游標(biāo)卡尺測得)，則計算得到間隙動態(tài)測量相對誤差E=-2.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于2D激光輪廓傳感器的通風(fēng)機(jī)葉尖間隙動態(tài)測量方法是有效的、可行的，該方法可以實(shí)現(xiàn)葉尖間隙的在線動態(tài)測量，精度達(dá)到2.8%，具有非接觸、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論

(1) 本文提出了一種基于2D激光測量技術(shù)的礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙在線動態(tài)測量方法，詳細(xì)分析了測量的原理、總體方案和優(yōu)化方法。

(2) 該方法采用LS-100CN激光輪廓測量傳感器，在線動態(tài)采集葉尖間隙幾何信息，然后通過輪廓提取、數(shù)據(jù)處理與分析等技術(shù)實(shí)現(xiàn)葉尖間隙的實(shí)時動態(tài)提取。

(3) 該方法通過優(yōu)化傳感器測量位置與姿態(tài)、成像質(zhì)量、輪廓提取算法等，有效地改善了葉尖間隙動態(tài)測量的效果。

(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下葉尖間隙的實(shí)時在線監(jiān)測，具有非接觸、高動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 葉尖間隙動態(tài)測量結(jié)果