皮帶機(jī)托輥故障異響監(jiān)測及故障點(diǎn)定位技術(shù)研究與應(yīng)用

華守彤，張聞中，陳 逸，唐瑋駿

（華能國際電力股份有限公司上海石洞口第二電廠，上海 201100）

0 引言

皮帶機(jī)的類型多樣、結(jié)構(gòu)簡單，常見的類型包括固定式和移動式兩種。皮帶機(jī)通過環(huán)繞驅(qū)動滾筒和改向滾筒的輸送帶，將物料從一端傳遞到另一端。目前的皮帶機(jī)被廣泛應(yīng)用到礦山開采、物品裝卸等工作當(dāng)中。但受較大工作量和使用時(shí)間長久等因素影響，皮帶機(jī)托輥軸承會因?yàn)榱踊a(chǎn)生異響，此時(shí)托輥軸承在工作狀態(tài)下溫度升高，高溫引發(fā)托輥進(jìn)一步劣化，最終導(dǎo)致托輥完全抱死。這種情況導(dǎo)致托輥與皮帶之間的摩擦力增大，工作狀態(tài)下的托輥與皮帶之間摩擦生熱，若不及時(shí)檢測嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)火災(zāi)[1]。傳統(tǒng)技術(shù)通過仿真的模式模擬皮帶機(jī)工作狀態(tài)，根據(jù)模擬結(jié)果多以人工排查的方式檢測皮帶機(jī)托輥工作[2]。這種方法早期獲取異常數(shù)據(jù)的能力較弱，很難定位到準(zhǔn)確的故障位置，針對這一問題基于PLC和紅外技術(shù)研究全新的皮帶機(jī)托輥故障異響監(jiān)測及故障點(diǎn)定位技術(shù)。PLC通過邏輯運(yùn)算獲取及時(shí)性數(shù)據(jù)，該技術(shù)具有功能性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)以及抗干擾能量強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；紅外技術(shù)通過紅外輻射可以對近距離、遠(yuǎn)距離的事物進(jìn)行掃描，通過紅外熱像儀或紅外攝像機(jī)等硬件獲取與生成紅外圖像。結(jié)合上述兩種技術(shù)，開始研究托輥故障異響監(jiān)測與定位。

1 皮帶機(jī)托輥故障異響監(jiān)測及故障點(diǎn)定位技術(shù)

1.1 巡檢機(jī)器人監(jiān)測托輥溫度

選擇一個(gè)裝載紅外熱成像儀的巡檢機(jī)器人，要求該機(jī)器人在復(fù)雜的操作環(huán)境中，具有穩(wěn)定行走、爬坡、自適應(yīng)行進(jìn)以及停機(jī)自鎖等功能。要求選擇的巡檢機(jī)器人可以自主行走，行進(jìn)速度為0.2m/s、爬坡極限超過15°。為了方便監(jiān)測與保障皮帶機(jī)的安全運(yùn)行，在皮帶機(jī)的上方設(shè)計(jì)行走軌道，將選擇的巡檢機(jī)器人以吊掛式的方式裝入軌道，在吊掛行走過程中實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)的全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測，巡檢機(jī)器人的監(jiān)測方式如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人監(jiān)測方式

穩(wěn)定行走是實(shí)現(xiàn)往復(fù)式巡檢監(jiān)測的重要前提，該元素

式中：Pai表示導(dǎo)向輔助輪彈簧的壓力；pbi表示每個(gè)行走輪的阻力。巡檢機(jī)器人按照上述條件在吊軌上行走，利用傳感器采集軸承信號。當(dāng)皮帶機(jī)托輥發(fā)生異響時(shí)，根據(jù)軸承信號的特殊性，利用IEFEA算法（信息熵特征提取算法）提取滾動軸承聲學(xué)信號特征[3]。該算法利用隨機(jī)變量Z描述皮帶機(jī)托輥的狀態(tài)特性，由于隨機(jī)變量是一個(gè)有限的值，所以對應(yīng)獨(dú)立的隨機(jī)變量zn，通過下式確定隨機(jī)變量Z的信息熵：直接影響機(jī)器人對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，最終影響定位結(jié)果。結(jié)合機(jī)器人水平行走時(shí)的阻力、行走過程中走輪的支持力以及自身重力，設(shè)置控制巡檢機(jī)器穩(wěn)定行走不偏離吊軌的條件：

式中：zi是n個(gè)獨(dú)立隨機(jī)變量中的第i個(gè)變量；s(zi)表示隨機(jī)變量的概率分布。通過上述方法從采集的信號中提取滾動軸承的信號特征，監(jiān)測該狀態(tài)下的托輥溫度數(shù)據(jù)。托輥故障異響是托輥軸承狀態(tài)劣化導(dǎo)致的，這一故障會使皮帶機(jī)托輥產(chǎn)生高頻嘶鳴，影響溫度信號的監(jiān)測精度，所以在監(jiān)測托輥運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要根據(jù)噪聲信號頻譜分析噪聲信號頻率。將信息熵以傅里葉變換的方法將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換至頻率域，輸出對應(yīng)的頻率成分，從而描述托輥故障異響狀態(tài)下的溫度信號特征。時(shí)域信號的頻譜為：

式中：N表示采樣點(diǎn)數(shù)量；n表示采樣次數(shù)；Δt表示采樣間隔。傅里葉變換以不同尺度分析獲得的監(jiān)測信號，獲取信號的全貌，通過不同頻段的濾波處理得到變換至頻率域的信號。變換尺度的計(jì)算公式為：

式中：f(z)表示變換尺度；f(2t-i)表示尺度系數(shù)。通過上述公式實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測信號的變換，得到完整的托輥溫度信號。

1.2 搜索監(jiān)測信號譜峰選定譜峰參數(shù)

軸承與傳感器的頻率共振造成托輥故障異響，經(jīng)傅里葉變換后去除了高頻嘶鳴噪聲，但實(shí)際上還會殘留故障頻率諧頻成分，這些成分被皮帶機(jī)本身的運(yùn)行振動掩蓋，所以會存在諧頻分量混疊的現(xiàn)象，影響對溫度異常位置的定位，所以利用一種頻譜搜索的方式進(jìn)行故障點(diǎn)位置搜索。頻率分量的功率幅值，描述了托輥故障信號的頻譜結(jié)構(gòu)，假設(shè)頻譜中存在三個(gè)頻率分量，分別為I(k-1)、I(k)以及I(k+1)。當(dāng)對應(yīng)頻譜局部峰值存在L(k)＞L(k-1)且L(k)＞L(k+1)的條件時(shí)，可以在頻譜中獲得大量的局部峰值。由于故障頻率諧頻成分的影響，這些局部峰值之間存在一定差異，所以去除其中的極小峰值，實(shí)現(xiàn)一定程度上的噪聲抑制，抑制條件為：

式中：c表示頻譜幅值的平均移動值、ψ表示需要保留的譜峰的峰值數(shù)量[4]。按照上述條件搜索監(jiān)測信號譜峰后，設(shè)置托輥故障軸承的頻率在I1和I2之間，設(shè)置頻率柵格為：

式中：μ表示頻率柵格分辨率。根據(jù)上述公式可知頻率I1和I2的差值與頻率柵格分辨率加1的比值為頻率成分總數(shù)，所以假設(shè)頻譜中第k個(gè)頻率分量I(k)處搜索獲得的譜峰為L(k)，當(dāng)頻率分量I(k)與式(6)的比值為正整數(shù)時(shí)，可以證明投影到頻率柵格H上的譜峰信息的隨機(jī)頻率分量。為了解析頻譜結(jié)構(gòu)，設(shè)置投影到頻率柵格H上，第i個(gè)頻率分量的譜峰數(shù)量和譜峰能量分別為Ui和W(i)，通過下列公式得到上述兩個(gè)譜峰參數(shù)：

式中：I`(k)是頻率分量I(k)的投影結(jié)果。當(dāng)托輥軸承異響頻率是頻率柵格的整數(shù)倍時(shí)，此時(shí)可通過上述公式確定明顯的峰值，公式為：

式中：α表示諧頻分量；q表示信號頻率；H(i)表示頻率柵格H在第i個(gè)頻率分量處的投影區(qū)域；表示取整；r(i，j)表示第i個(gè)頻率分量、第j個(gè)諧頻分量的取整結(jié)果。通過上述過程搜索得到的監(jiān)測信號頻譜譜峰，通過投影構(gòu)建頻譜結(jié)構(gòu)，利用譜峰數(shù)量與譜峰能量兩個(gè)參數(shù)獲取故障范圍。在故障范圍內(nèi)進(jìn)行托輥故障篩查，通過控制與自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)行故障點(diǎn)定位。

1.3 基于PLC與紅外技術(shù)定位故障點(diǎn)

PLC（可編程邏輯控制器）作為一種自適應(yīng)能力較高的控制技術(shù)，在輔助定位過程中，可以通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將譜峰搜索結(jié)果轉(zhuǎn)換后發(fā)送給CPU進(jìn)行電流分析，當(dāng)皮帶機(jī)的拉線開關(guān)等位置串入電阻值時(shí)，利用PLC檢測信號頻率的大小，確定異常反復(fù)出現(xiàn)的位置。已知振蕩電路參數(shù)決定了其輸出頻率，二者之間存在如下所示的關(guān)系：

式中：A表示電容；R1、R2分別表示正常電阻和串入電阻。根據(jù)上述關(guān)系與式(8)的取整結(jié)果，結(jié)合皮帶機(jī)托輥軸承摩擦生熱程度，縮小目標(biāo)所在范圍。假設(shè)摩擦產(chǎn)生的熱量為E，則熱傳遞范圍的計(jì)算公式為：

式中：η表示紅外相機(jī)拍攝焦距；λ表示輻射發(fā)射率；T表示監(jiān)測周期；l1、l2表示紅外射線的波長范圍；g(l，E)表示熱輻射與波長關(guān)系；D(l)表示紅外相機(jī)光譜響應(yīng)結(jié)果[5]。利用紅外技術(shù)可以獲取每個(gè)像素點(diǎn)電壓與溫度的關(guān)系，通過直接觀察即可找到故障點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)異響故障的定位。

2 應(yīng)用測試與結(jié)果分析

2.1 測試準(zhǔn)備

為驗(yàn)證研究方法的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)皮帶機(jī)托輥故障異響監(jiān)測及故障點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)，選擇6個(gè)皮帶機(jī)作為測試對象，分別記為A、B、C、D、E、F，其中皮帶機(jī)A的第6個(gè)托輥、皮帶機(jī)E的第3個(gè)托輥存在異響。兩個(gè)皮帶機(jī)如圖2(a)、圖2(b)所示。將所有皮帶機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)室的寬敞位置處，在皮帶機(jī)的側(cè)面安裝龍門架和機(jī)器人行走軌道。選定巡檢機(jī)器人，如圖2(c)所示。將巡檢機(jī)器人懸掛在軌道上，利用直流減速電機(jī)控制機(jī)器人的上部行走結(jié)構(gòu)行進(jìn)速度，利用下部的傳感器、紅外攝像頭等硬件進(jìn)行信號采集與監(jiān)測。

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)該機(jī)器人的出廠證書可知，其單次續(xù)航時(shí)間為8h，行進(jìn)速度在0.1～0.5m/s，爬坡極限為20°，滿足此次研究要求。根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的監(jiān)測方式，將巡檢機(jī)器人裝入行走軌道，搭建硬件測試環(huán)境。將巡檢機(jī)器人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，登錄皮巡檢機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)，利用系統(tǒng)顯示界面連接機(jī)器人、啟動監(jiān)控程序、設(shè)置機(jī)器人行進(jìn)速度，并展示實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面，如圖3所示。

圖3 巡檢機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

通過上述界面可以直接觀察皮帶機(jī)的工作情況，并獲取托輥的溫度曲線。當(dāng)溫度曲線異常時(shí)，預(yù)警信息模塊迅速預(yù)警，通過紅色指示燈提示托輥故障，若溫度曲線無異常，則會亮起白燈。為了保證測試結(jié)果具有可靠性，需要測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，試運(yùn)行皮帶機(jī)與巡檢機(jī)器人。該過程中確認(rèn)編號為A、E的兩組皮帶機(jī)分別運(yùn)行5min和9min后存在異響。檢查巡檢機(jī)器人是否可以在懸掛軌道上運(yùn)行順暢、是否與計(jì)算機(jī)建立有效連接，是否能夠輸出有效數(shù)據(jù)，測試無問題后進(jìn)入正式測試。

2.2 結(jié)果分析

按照先后順序，本文方法利用巡檢機(jī)器人分別獲取6組皮帶機(jī)的托輥運(yùn)行信號。當(dāng)皮帶機(jī)托輥故障異響發(fā)生時(shí)，巡檢機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)的溫度監(jiān)測曲線發(fā)生劇烈變化，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4顯示的監(jiān)測結(jié)果可知，皮帶機(jī)A和E的溫度信號發(fā)生巨變，這一結(jié)果與實(shí)際相符。根據(jù)監(jiān)測信號進(jìn)行譜峰搜索，并選定譜峰數(shù)量與譜峰能量兩個(gè)參數(shù)，利用PLC與紅外技術(shù)定位故障位置，結(jié)果如圖5所示。

圖4 溫度監(jiān)測信號

圖5 紅外定位結(jié)果

根據(jù)上述紅外定位結(jié)果可直接看出，皮帶機(jī)A和E兩個(gè)測試對象均有1處托輥過熱現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)6組測試對象的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 多輪測試結(jié)果

根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果與紅外定位結(jié)果可知，研究的方法可以準(zhǔn)確監(jiān)測皮帶機(jī)托輥異響時(shí)的溫度變化信號，并根據(jù)這一結(jié)果快速定位故障點(diǎn)位置，給出皮帶機(jī)和托輥在工作狀態(tài)下的溫度差異，實(shí)現(xiàn)對故障問題的精準(zhǔn)監(jiān)測與定位。

3 結(jié)語

此次研究的皮帶機(jī)托輥故障監(jiān)測與定位技術(shù)，融合了PLC與紅外技術(shù)，增強(qiáng)了監(jiān)測與定位的自適應(yīng)性與同步性，為獲取更加準(zhǔn)確的定位結(jié)果提供了更加可靠的技術(shù)支持。但此次研究存在兩點(diǎn)不足之處：第一，研究的監(jiān)測與定位技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)不同，通過可視化的方式直觀獲取定位結(jié)果，所以在研究成本上要高于傳統(tǒng)方法；第二，研究的技術(shù)是針對托輥故障異響提出的，當(dāng)托輥沒有出現(xiàn)異響時(shí)，可能會影響故障點(diǎn)的定位精度，所以這種情況下的定位還有待驗(yàn)證。今后可以設(shè)置發(fā)出異響與無異響兩種測試條件，討論與分析本文技術(shù)的應(yīng)用效果，針對其中的不合理問題進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。