基于2D激光測量技術(shù)的礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量方法研究*

李學(xué)哲，李清林，韓 宇，黃亞坤

(華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引 言

通風(fēng)機(jī)安全、可靠、高效運(yùn)行對保障礦井安全生產(chǎn)、井下工作人員身體健康和生命安全等具有重要作用[1]。通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型主要由靜子、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼構(gòu)成，葉尖間隙δ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[2]。為了優(yōu)化通風(fēng)機(jī)的工作性能，葉尖間隙必須設(shè)計(jì)合理。δ值過大，泄漏風(fēng)量、沖擊和容積損失也隨之增大，進(jìn)而降低了通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率；δ值過小，由于溫度變化引起葉片膨脹或者機(jī)殼收縮，都會(huì)導(dǎo)致葉片與機(jī)殼產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而嚴(yán)重影響通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行[3]。因此，δ值過大或過小都不利于通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的檢測對于提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率、優(yōu)化通風(fēng)機(jī)性能、確保安全穩(wěn)定運(yùn)行等具有重大意義[4-5]。

在航空領(lǐng)域，葉尖間隙測量技術(shù)研究起步較早，并且取得了豐富的研究成果，常見的間隙測量方法有[6-10]：放電探針法、超聲波法、電容法、電渦流法等。但礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙檢測技術(shù)相對比較落后，國內(nèi)外鮮有研究。目前，煤礦現(xiàn)場對葉尖間隙的檢測主要利用塞尺人工完成，測量的效率和精度低，智能化水平差，難于滿足通風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化和安全預(yù)警的技術(shù)要求。

為了解決葉尖間隙高精度、智能化測量的問題，本文將提出一種基于2D激光測量技術(shù)的通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量方法，采用新型2D形狀測量傳感器，采集葉尖間隙幾何信息，然后通過投影變換、特征提取、數(shù)據(jù)處理與分析等技術(shù)得到間隙值。

1 2D激光測量技術(shù)的優(yōu)勢與現(xiàn)狀

因具有非接觸、響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)，激光測量技術(shù)在幾何量計(jì)量中有廣泛的應(yīng)用[10]。一維激光測量技術(shù)采用點(diǎn)激光入射，該方法測量精度高，可以達(dá)到微米級，但是一次只能采集單點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，測量信息有限，適合于長度、寬度等簡單幾何量的測量。盡管利

用激光掃描技術(shù)，克服了上述不足，使一維激光位移傳感器在形狀、位置等復(fù)雜幾何量測量中得到了應(yīng)用，但是受掃描分辨率的限制，一維激光測量技術(shù)存在丟失測量信息的問題，難于實(shí)現(xiàn)葉片等大曲率變化對象的高精度測量。

二維激光測量技術(shù)采用線激光投射于被測物體表面，同時(shí)測量一段直線上各個(gè)像素點(diǎn)到傳感器的距離，可以輸出光幕寬度方向和距離方向兩個(gè)軸的位置數(shù)據(jù)。

二維激光測量技術(shù)如圖1所示。

圖1 二維激光輪廓測量傳感器

該方法測量效率和精度高，一次采樣可以獲取被測對象的二維坐標(biāo)信息，適合于形狀測量、特征識別等復(fù)雜應(yīng)用。目前，2D激光測量技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，測量精度、可靠性、智能化水平都顯著提高，市場上有多種成熟的商用產(chǎn)品可供選擇。

常見的2D激光輪廓測量傳感器如表1所示。

表1 常見的2D激光輪廓測量傳感器

2 2D激光輪廓測量傳感器

國家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ1011-2005《煤礦在用主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全檢測檢驗(yàn)規(guī)范》和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT222-2007《煤礦用局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)條件》中，對葉尖間隙的檢測精度、量程范圍等技術(shù)參數(shù)作了明確規(guī)定：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，儀器測量精度要小于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‰[12-13]。

通過分析，日本奧泰斯公司LS-100CN輪廓測量傳感器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)可以滿足礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙檢測要求，其工作原理如圖2所示[14]。

圖2 LS-100CN輪廓測量傳感器的工作原理圖

該傳感器采用基于三角測量的光平面相交法，由接收元件接收發(fā)射出的帶狀激光束的反射光，然后根據(jù)所得圖像數(shù)據(jù)，通過投影變換得到測量輪廓。

該傳感器具有如下技術(shù)特點(diǎn)，非常適合礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的測量和分析：

(1)高速、高精度、小型化、低成本；

(2)快門速度自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以根據(jù)受光量自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，提高成像質(zhì)量；

(3)傳感器提供4種拍攝模式，可以選擇最佳設(shè)置來匹配測量環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)；

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

(5)軟件功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理與分析。

3 基于2D激光測量的礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量方法

3.1 總體測量方案

通風(fēng)機(jī)的軸測圖如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)軸測圖

具體步驟是：分別在正北、正東、正南、正西4個(gè)方向，沿軸向選擇4個(gè)測量位置P1、P2、P3、P4。首先將LS-100CN輪廓測量傳感器定位到位置P1，分別測量葉片B1、B2、B3、B4在正北方向的間隙值δ1_1、δ1_2、δ1_3、δ1_4；然后依此類推將LS-100CN輪廓測量傳感器定位到位置P2、P3、P4，分別測量葉片B1、B2、B3、B4在正東、正南和正西方向的間隙值δ2_1、δ2_2、δ2_3、δ2_4、δ3_1、δ3_2、δ3_3、δ3_4、δ4_1、δ4_2、δ4_3、δ4_4；最后基于采集的間隙測量值和評定算法，綜合表征和評價(jià)通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的實(shí)際狀態(tài)，為通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警提供科學(xué)、準(zhǔn)確的葉尖間隙參數(shù)。

3.2 測量系統(tǒng)的組成及工作原理

為了提高測量的精度，傳感器與被測間隙的軸向距離設(shè)定為100 mm。

P1位置葉尖間隙測量示意圖如圖4所示。

圖4 正北方向葉尖間隙測量示意圖(P1位置)

由圖4可知：測量系統(tǒng)由三軸移動(dòng)平臺、角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、LS-100CN輪廓測量傳感器、測控計(jì)算機(jī)、被測通風(fēng)機(jī)等組成，其中：

(1)三軸移動(dòng)平臺由X、Y、Z這3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸系組成，負(fù)責(zé)傳感器測量位置的選擇和控制，通過三軸運(yùn)動(dòng)的控制，可以方便地定位4個(gè)測量位置P1、P2、P3、P4；

(2)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)傳感器測量姿態(tài)的設(shè)定，根據(jù)被測間隙的幾何特征，靈活調(diào)整測量姿態(tài)，優(yōu)化間隙測量結(jié)果；

(3)輪廓測量傳感器是測量系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)基于三角測量和投影變換高精度提取葉尖間隙的幾何特征，LS-100CN傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)保證了測量結(jié)果的精度和可靠性；

(4)測控計(jì)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。

3.3 葉尖間隙表征評價(jià)方法

傳統(tǒng)的葉尖間隙測量方法以某一固定點(diǎn)的單次間隙測量結(jié)果作為評價(jià)的依據(jù)，評價(jià)結(jié)果片面，無法全面、科學(xué)地表征通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的實(shí)際幾何狀態(tài)。利用本文提出的間隙測量方法，可以得到測量參數(shù)，基于間隙測量值和數(shù)據(jù)處理算法，可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的綜合表征與評價(jià)。

葉尖間隙測量結(jié)果如表2所示。

表2 葉尖間隙測量結(jié)果

(1)葉片形位偏差的表征和評價(jià)。基于采集的葉尖間隙測量值，求解P1、P2、P3、P4這4個(gè)測量位置的間隙標(biāo)準(zhǔn)差，并以間隙標(biāo)準(zhǔn)差δ1_sd、δ2_sd、δ3_sd、δ4_sd表征和評價(jià)通風(fēng)機(jī)葉片的形狀和位置偏差。間隙標(biāo)準(zhǔn)差越小越好，間隙標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明通風(fēng)機(jī)葉片變形或位置偏移越嚴(yán)重；

(2)機(jī)殼形狀偏差的表征和評價(jià)。基于采集的葉尖間隙測量值，求解P1、P2、P3、P4這4個(gè)測量位置的間隙平均值δ1_mean、δ2_mean、δ3_mean、δ4_mean，進(jìn)而得到間隙平均值標(biāo)準(zhǔn)差δmean_sd，并以δmean_sd表征和評價(jià)通風(fēng)機(jī)機(jī)殼的形狀偏差，δmean_sd越大，表明通風(fēng)機(jī)機(jī)殼變形越嚴(yán)重；

(3)綜合葉尖間隙的表征和評價(jià)。基于采集的葉尖間隙測量值，求解葉尖間隙總的平均值δmean，并以δmean表征和評價(jià)通風(fēng)機(jī)綜合葉尖間隙。

通風(fēng)機(jī)綜合葉尖間隙如下式所示：

(1)

式中：δ1_1，δ1_2，δ1_3，δ1_4—B1～B4在P1位置的間隙測量值；δ2_1，δ2_2，δ2_3，δ2_4—B1～B4在P2位置的間隙測量值；δ3_1，δ3_2，δ3_3，δ3_4—B1～B4在P3位置的間隙測量值；δ4_1，δ4_2，δ4_3，δ4_4—B1～B4在P4位置的間隙測量值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

筆者利用本文提出的葉尖間隙測量方法，對某型礦用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了測試分析，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 葉尖間隙測量實(shí)驗(yàn)圖

圖6 葉尖間隙δ1_1測量結(jié)果

P1位置葉片B1的間隙測量輪廓如圖6所示。 由圖6可以看出：

葉尖間隙的幾何信息被有效采集，間隙測量值δ1_1=4.149 mm。利用本方法測量間隙5次，計(jì)算間隙平均值δa=4.121 mm。間隙的約定真值為4 mm(游標(biāo)卡尺測得)，則計(jì)算得到間隙測量相對誤差E=3.0%。

傳感器測量姿態(tài)、數(shù)據(jù)處理算法、被測間隙的光學(xué)特性等都是影響該方法測量精度的重要因素，通過相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高測量的精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

該文提出的基于2D激光輪廓傳感器的通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量方法，可以實(shí)現(xiàn)葉尖間隙的快速、自動(dòng)測量，具有精度高、非接觸、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

為了解決葉尖間隙高精度、智能化測量的技術(shù)問題，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)葉尖間隙測量方法，并詳細(xì)分析了測量的原理、總體方案和評價(jià)方法，具體有：

(1)該方法采用LS-100CN激光輪廓測量傳感器，結(jié)合三軸移動(dòng)平臺和姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，采集葉尖間隙幾何信息，然后通過投影變換、特征提取、數(shù)據(jù)處理與分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了葉尖間隙幾何特征的高精度測量；

(2)該方法采用葉片形位偏差、機(jī)殼形狀偏差、綜合葉尖間隙等參數(shù)，綜合地表征和評價(jià)通風(fēng)機(jī)葉尖間隙的實(shí)際幾何狀態(tài)，評價(jià)結(jié)果更全面、更科學(xué)；

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法測量相對誤差為3.0%，滿足礦用通風(fēng)機(jī)葉尖間隙測量的技術(shù)要求。該方法可以實(shí)現(xiàn)葉尖間隙的快速、自動(dòng)測量，具有高精度、非接觸、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

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