燃煤電站膠帶缺陷狀態(tài)下頭部清掃器振動沖擊特性分析

摘要：膠帶清掃器廣泛應(yīng)用于燃煤電站輸送機(jī)的表面清掃中，通過清掃器刮刀與輸送膠帶之間施加的正壓力，形成接觸和摩擦，清除輸送膠帶表面粘附的煤泥。但當(dāng)膠帶存在表面缺陷或表面修補(bǔ)后形成凸起時(shí)，膠帶清掃器的刮刀反復(fù)碰撞和碾壓該缺陷或凸起點(diǎn)，將進(jìn)一步損壞膠帶。鑒于此，提出了一種基于清掃器振動沖擊信號識別膠帶表面缺陷的方法，首先在清掃器主軸上安裝振動傳感器，測試膠帶運(yùn)動過程中清掃器的振動信號；然后通過振動中的沖擊成分識別刮刀碰撞的激振源；同時(shí)給出了基于峰值因子和峭度的沖擊識別算法，經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，基于峭度值進(jìn)行沖擊識別效果更好。

關(guān)鍵詞：燃煤發(fā)電廠；帶式輸送機(jī)；清掃器；膠帶缺陷；振動沖擊特性

中圖分類號：TM621.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0067-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.015

0 引言

中煤紅星發(fā)電有限公司位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，晝夜溫差大、春季多風(fēng)而干旱、冬季寒冷而漫長。公司機(jī)組容量為2×660 MW，年需燃煤約388.30萬t（設(shè)計(jì)煤種）；輸煤系統(tǒng)采用帶式輸送機(jī)，共有#1甲乙、#2甲乙、#3甲乙、#4甲乙、#5甲乙、#6甲乙十二條膠帶。由于氣候的原因，膠帶表面夏季有粘結(jié)的煤泥，冬季有凍結(jié)的粘結(jié)物，影響帶式輸送機(jī)的運(yùn)行安全。

輸煤系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)人員研究了各類帶式輸送機(jī)用的清掃技術(shù)，部分已在現(xiàn)場得到推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]分別設(shè)計(jì)了一種重錘式頭部智能清掃器和彈簧式頭部智能清掃器，應(yīng)用于礦用帶式輸送機(jī)頭部清掃中；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一套自動清掃裝置；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種回程輸送帶清掃及物料收集的清掃裝置；文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)回程雙向空段清掃器，實(shí)現(xiàn)正反向清掃狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

但現(xiàn)有膠帶清掃裝置是通過清掃用的刮刀與膠帶表面直接接觸，在膠帶運(yùn)行過程中，通過刮刀與膠帶表面的相對運(yùn)動和摩擦ioaAh4rp7M+1ldp+XEtkrXduwi9bEba2BSqcFkaKIDU=，實(shí)現(xiàn)清除膠帶表面粘結(jié)物的目的。當(dāng)膠帶存在表面缺陷或表面修補(bǔ)后形成凸起時(shí)，膠帶清掃器的刮刀反復(fù)碾壓該缺陷或修補(bǔ)凸起點(diǎn)，將進(jìn)一步損壞膠帶。為避免這樣的事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)膠帶清掃器在清除表面附著物的同時(shí)，不會進(jìn)一步損壞表面缺陷或修補(bǔ)凸起點(diǎn)，本文深入研究了膠帶表面修補(bǔ)凸起點(diǎn)激勵(lì)清掃器的振動特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)基于清掃器振動信號識別膠帶缺陷的目的。

1 膠帶清掃器組成

膠帶清掃器安裝在帶式輸送機(jī)頭部漏斗內(nèi)，如圖1所示，由刮刀、刮刀架、刮刀高度微調(diào)單元、鎖緊螺母等組成，可全面清除回程皮帶面上粘附的物料，避免撒煤，確保清掃下來的物料直接落到漏斗中被帶走?，F(xiàn)場安裝如圖2所示。

2 膠帶表面缺陷激勵(lì)清掃器的振動特點(diǎn)

在帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，膠帶表面修補(bǔ)凸起點(diǎn)運(yùn)動到清掃器位置會與清掃刮刀發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊振動信號。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺

如圖3所示，該平臺位于湖北孝感的凱瑞知行智能裝備有限公司研發(fā)場地。

將振動傳感器布置于刮刀主軸上，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)平臺膠帶缺陷包含金屬故障點(diǎn)、橡膠故障點(diǎn)以及組合故障點(diǎn)等，模擬不同故障點(diǎn)產(chǎn)生的不同沖擊，如圖5所示。

2.2 膠帶表面缺陷激勵(lì)清掃器振動信號

設(shè)置采樣頻率10 kHz、采樣時(shí)間20 s，皮帶全長40 m，在額定運(yùn)行速度2 m/s下采集時(shí)間正好采滿一圈。采集的清掃器主軸振動信號如圖6所示，可以很清晰地看到?jīng)_擊信號。

2.2.1 峰值提取

峰值提取方法是一種在信號處理和數(shù)據(jù)分析中常用的技術(shù)，用于檢測和識別數(shù)據(jù)中的峰值或極值點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特性分析，本文峰值點(diǎn)的定義為大于前后兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，并且大于設(shè)定的閾值。在滿足這些條件的情況下，將該點(diǎn)視為峰值點(diǎn)，并記錄下其位置和數(shù)值。同時(shí)，后面算法還考慮了峰值點(diǎn)之間的最小距離限制，確保相鄰峰值點(diǎn)之間的距離大于一個(gè)數(shù)值，從而避免重復(fù)計(jì)算。

峰值因子（Crest Factor）Ip是信號峰值和有效值RMS的比值，具體公式如下：

Ip= （1）

式中：Xp為信號的最高峰值；Xrms為有效值或均方根值。

峰值因子是一種重要的信號特征指標(biāo)，其作用如下：

1）峰值因子可以進(jìn)一步體現(xiàn)信號的峰值與均方根之間的關(guān)系，反映信號的峰值特性，同時(shí)可以評估信號的峰值部分相對于整體的幅度大小，從而更容易了解信號特征。

2）峰值因子可以判斷信號質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用于音頻處理、通信系統(tǒng)和振動分析等領(lǐng)域，當(dāng)發(fā)生振動引發(fā)沖擊信號時(shí)，峰值因子會明顯增大，反之信號平穩(wěn)時(shí)，峰值因子數(shù)值會很低。

3）峰值因子可以用于峰值檢測和異常檢測，通過對比峰值因子數(shù)值的前后變化，可以快速發(fā)現(xiàn)采集信號中的異常峰值，便于對信號進(jìn)行有效分析和處理。

綜上所述，峰值因子是一種重要的特征指標(biāo)，在信號處理和監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。在本實(shí)驗(yàn)中使用峰值因子，可以較準(zhǔn)確地判斷出刮刀與故障點(diǎn)是否存在碰撞，從而觸發(fā)故障點(diǎn)路程計(jì)算算法。

2.2.2 峭度指標(biāo)

峭度（Kurtosis）計(jì)算公式如下：

k4=-3 （2）

式中：Xi為對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)；X為數(shù)據(jù)的均值；N為數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)（采樣數(shù)量）。

峭度指標(biāo)作用如下：

1）用來衡量采集數(shù)據(jù)的分布尖峭程度，方便更好地了解數(shù)據(jù)分布的特征，通過峭度數(shù)值可以判斷數(shù)據(jù)分布的尾部厚度和尖峭程度，從而對數(shù)據(jù)特征有更深入的了解。

2）峭度還便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分布的比較，采集到的多組數(shù)據(jù)可以用峭度值來比較它們的形狀特征，從而分析不同組數(shù)據(jù)的特性。

一般情況下，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的沖擊次數(shù)越多，峭度指標(biāo)可能會越大。峭度指標(biāo)通常用于衡量數(shù)據(jù)分布的尖銳程度和偏斜程度，而沖擊事件的發(fā)生會導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布更為尖銳和偏斜，因此在許多情況下，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的沖擊次數(shù)增多可能會導(dǎo)致峭度指標(biāo)增大。然而，具體情況仍取決于數(shù)據(jù)的特性和分布情況。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析

選取多組故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別取無故障的數(shù)據(jù)和存在沖擊的數(shù)據(jù)如圖7所示，對其均值、峰值因子和峭度值進(jìn)行計(jì)算。

通過Matlab軟件，計(jì)算得出四組數(shù)據(jù)的均方根值、峰值因子和峭度數(shù)值，如表1所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，均方根值、峰值因子和峭度指標(biāo)均會增大，其中峭度指標(biāo)增加最快。綜合信號圖和表格數(shù)據(jù)分析，可以得出存在沖擊振動時(shí)，峭度作為一種重要的統(tǒng)計(jì)量，能更全面地揭示數(shù)據(jù)分布的形狀特征，檢測數(shù)據(jù)的偏態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分布的分析和比較。相較于峰值因子，峭度值對故障的反應(yīng)更為敏感。在本文中，通過比較正常工況下和發(fā)生故障時(shí)采集到的數(shù)據(jù)的峭度值，來發(fā)現(xiàn)潛在故障。此外，峭度值還可用于判斷信號中包含的故障信號成分的程度。

3 結(jié)論

1）當(dāng)帶式輸送機(jī)膠帶表面存在凸起、翻邊等故障點(diǎn)時(shí)，安裝于膠帶的清掃器與故障點(diǎn)碰撞會產(chǎn)生沖擊振動信號。通過分析該振動信號，可有效識別膠帶表面缺陷，從而避免清掃器反復(fù)碾壓和刮碰該缺陷點(diǎn)，引起缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展。

2）通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值因子和峭度指標(biāo)分析，可知峭度指標(biāo)對刮刀振動變化更為敏感。膠帶出現(xiàn)故障后的峭度值遠(yuǎn)大于無故障時(shí)的峭度值。因此，在基于刮刀振動信號識別膠帶表面缺陷時(shí)選擇峭度指標(biāo)作為主要依據(jù)是合理的。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 武熙，李珂，孟慶靈，等.礦用帶式輸送機(jī)頭部智能清掃器研究與設(shè)計(jì)[J].金屬礦山，2023（8）：253-259.

[2] 張紅鎖.礦用帶式輸送機(jī)清掃裝置優(yōu)化改進(jìn)[J].山東煤炭科技，2023，41（6）：135-137.

[3] 錢衛(wèi)國.煤炭港口運(yùn)輸輸送帶煤泥清掃裝置設(shè)計(jì)安裝[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2022（21）：22-27.

[4] 趙振鹿，蘭宇，楊彥寧，等.帶式輸送機(jī)回程空段雙向清掃器研究與設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程，2021，37（12）：65-72.

收稿日期：2024-06-15

作者簡介：喬紅寶（1984—），男，新疆哈密人，工程師，研究方向：火力發(fā)電廠自動化控制。