掘進機隨機振動信號同步采集誤差補償方法

蔡玉杰，楊 倫，劉 濤

（1.鄭州西亞斯學院電信與智能制造學院，河南 鄭州 451100；2.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

1 引言

掘進機是一種煤礦機械，具有切割、搬運、除塵等多種功能，通常應用在巖石和煤炭的切割過程中。作為礦井下必不可少的機械設備，掘進機分為液壓和電機驅動兩種。其中，液壓驅動的同步性非常好，具備無級變速功能，但是噪聲較大，功率低；電機驅動還分為變頻、單速和雙速驅動等形式，變頻驅動是現階段最為常用的驅動電機。掘進機的工作環境通常復雜惡劣，在切割不同煤巖時會發生振動現象。隨著科技的不斷發展和應用，掘進機等工程機械的精度要求越來越高。而振動誤差是影響掘進機精度的主要因素之一。通過分析振動信號，能夠實時掌握設備的運行情況，提高工作人員的操作性能，優化關鍵部件，對提高煤炭生產效率意義重大。

為了提高掘進機的掘進效率和穩定性，需要研究并實現掘進機振動信號誤差補償。但由于工作環境的影響，振動信號具有瞬時性，對信號誤差補償工作帶來較大困難。為此，相關學者針對此方面工作開展大量研究。

文獻［1］提出基于BP改進PID的掘進機閉環回路跟隨誤差補償方法。建立動力驅動系統的AMEsim模型，并對其進行模擬試驗，獲取動力驅動系統的轉速和壓力等參數。采用Simulink算法構造了BP神經網絡控制器，并將BP神經網絡和PID法相結合，對其進行了綜合控制，從而得到了壓力和轉速的變化規律。完成了跟隨誤差補償。該方法能夠完成振動誤差補償工作，但是隨機遲滯現象明顯，導致采集結果和實際振動情況相差較大。文獻［2］設計了基于改進小波閾值-形態學融合算法的振動信號誤差抑制方法。采用小波閾值技術與形態學方法相結合的方法，研究機械設備振動數據采集過程中存在的各種復雜來源，對其進行降噪處理。將改進的小波閾值函數引入到小波變換中，通過調整函數的收斂性，實現對高斯噪音和穩態偏移的有效消除。該方法對信號噪聲的消除效果較好，但信號采集時延較大。文獻［3］提出基于多級干涉的掘進機震源信號的復合干涉方法。基于最優維納濾波器的脈沖反卷積方法壓縮掘進機的聲源信號，消除多峰脈沖的干擾，實現信號脈沖化。該方法可有效檢測掘進機震源干擾信號，但采集到的信號仍存在隨機遲滯的問題。文獻［4］提出采煤機振動信號采集分類方法。

采用STM32對系統中的振動信號進行采集和處理，并將其遠程傳輸到服務器端，采用信號的光譜能量距離提取系統中各類特征，采用經過訓練的VGG16算法來實現特征分類。該方法對振動信號的分類準確性較好，但對采集信號的誤差補償效果較差。文獻［5］提出用于刀具磨損監測的機床功率和振動信號采集方法，開發了一種同步采集機床功率、振動信號的系統，根據采集到的信號，設計了與待監測過程相對應的振動和功率特性信息識別方法。該方法能夠實時采集和篩選刀具全壽命周期內功率和振動信號的變化，但對振動信號誤差的補償準確性較差。

為解決上述問題，這里設計一種掘進機隨機振動信號同步采集誤差補償方法。建立隨機激勵模型，合理選取傳感器型號，通過穩態校準方法提高傳感器的靈敏度，獲得更加精準的振動信號，利用同步采集策略，確保多傳感器獲取的信息能夠實時同步，滿足振動信號誤差同步動態補償。能夠有效解決隨機遲滯現象，提升信號采集準確性。

2 隨機激勵傳感信號分析

掘進機隨機振動信號是掘進過程中的重要監測指標，可以反映掘進機的工作狀態和掘進進度等信息。然而，在實際采集過程中，由于掘進機工作環境的復雜性，如機械振動、溫度變化、電磁干擾等因素的干擾，會導致掘進機隨機振動信號的采集誤差。這種隨機誤差是由于測量過程中的各種偶然因素引起的，是一種不可避免的誤差。為了提高掘進機隨機振動信號的采集精度，需要對采集誤差進行補償。為了實現掘進機振動信號誤差補償，首先需要研究掘進機隨機激勵振動信號特征，得到掘進機的運動狀態和振動誤差信息。并將其作為誤差補償參考值，從而使掘進機運動更加準確可控。

2.1 掘進機運動學特征方程

掘進機是一種重要的礦山開采設備，其運動學特征方程描述了掘進機在工作時的運動規律。掘進機在工作時會受到各種隨機激勵信號的影響，例如地震波、風力、溫度等。為準確模擬出振動信號的激勵過程，需建立掘進機的運動學特征方程，將隨機激勵信號轉化為掘進機的響應信號，進而分析掘進機在不同激勵條件下的響應特性，為掘進機的安全運行提供支持。

2.1.1 基本假設

本章節研究掘進機隨機激勵振動信號特征，因此需要構造合理的激勵函數，準確模擬出振動信號的激勵過程，有利于后期信號的準確采集。要想確保隨機激勵科學合理，需結合掘進機運動學特征進行構造。

將掘進機運動學模型當作某多自由度系統，由于計算較為復雜，必須設置一些假設有利于簡化分析。

為此，提出的基本假設有：

假設1：掘進機每個部位的質量都較為平均，并利用m1、m2和m3表示切割頭、懸臂以及機身質量；

假設2：煤壁壓縮強度始終保持不變；

假設3：利用彈性元件將掘進機各部件連接在一起，且k1、k2和k3代表切割頭、懸臂、機身三個部件分別和底邊之間的剛度，c1、c2和c3描述三者阻尼；

假設4：掘進機無故障，保持正常運行狀態。

2.1.2 運動方程建立

在上述假設下，構建掘進機運動的動力學模型，如圖1所示。

圖1 掘進機運動的動力學模型Fig.1 Dynamic Model of Roadheader Movement

構建掘進機運動的動力學模型，如圖1所示。圖中：(xf，yf)—掘進機前輪坐標值；(xr，yr)—掘進機后輪坐標值；O—掘進機瞬時轉動中心；r—掘進機轉彎半徑；a—掘進機前軸到質心的軸距；b—掘進機后軸到質心的軸距；l—兩軸之間軸距；θ—掘進機旋轉角度。根據圖1構建掘進機運動的動力學方程表示為［6］：

式中：Qj—縱向激振力；t—時間；—廣義速度；qj—廣義位移，j=1，2，3，…；V—系統勢能；T—系統動能；D—耗散函數。V、T、D分別表示為：

2.2 振動信號隨機激勵特性分析

根據掘進機動力學方程特征，構造下述隨機激勵：假設掘進機在功率密度為Sx的隨機激勵x(t)的影響下進行工作，則響應Y的功率譜表示為：

式中：Qj(t)—運動方程響應函數。一般情況下，計算SY較為復雜，因此利用一種虛擬激勵法，該方法簡單高效，具體過程如下。通過虛擬激勵法建立隨機激勵，與其對應的響應為，則有：

如果存在多個響應，則功率譜矩陣公式描述為：

將切割頭在荷載作用下的虛擬激勵寫作矩陣形式：

式中：M—質量；C—阻尼；K—剛度矩陣；F—指示向量。則切割頭隨機激勵的功率密度序列表示為：

式中：R(n′)—自相關函數；k—隨機整數。建立的隨機激勵傳感信號表示為：

在上述構造的隨機激勵傳感信號分析下，利用不同傳感器可實現振動信號采集。

3 基于多傳感器下的掘進機振動信號誤差補償

掘進機隨機振動信號的同步采集誤差主要來源于以下兩個方面：

（1）傳感器誤差：傳感器在長時間使用過程中，可能會出現漂移、失靈等問題，導致采集誤差。

（2）環境干擾：掘進機工作環境復雜，如機械振動、溫度變化、電磁干擾等因素的干擾，也可能導致采集誤差。

為了消除掘進機隨機振動信號的采集誤差，提高采集精度，采用傳感器校準及同步誤差補償算法實現掘進機隨機振動信號同步采集誤差補償。

3.1 多傳感器的選擇與安裝

這里可選取多個加速度傳感器來完成振動信號采集，此種傳感器由質量塊、彈性和敏感元件以及電路構成。多個傳感器中有電壓式、電容式和電感式等類型。

掘進機的工作環境較為惡劣，所以在選取型號時必須綜合考慮溫度和濕度和采樣頻率等因素。以電壓式傳感器為例，選取YA-19F型傳感器［7］，電壓式傳感器參數表，如表1所示。

表1 電壓式傳感器參數表Tab.1 Parameters of Voltage Sensor

多個傳感器在安裝過程中需要注意的事項包括很多，一些安裝因素會影響設備的工作狀態。對于這里所選的傳感器主要考慮安裝形式和位置的問題［8］。這里選擇三一SCR260型掘進機為對象，三一SCR260型掘進機示意圖，如圖2所示。

圖2 三一SCR260型掘進機示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Sany SCR 260 Roadheader

如圖2所示，采用4個傳感器，將傳感器布設在電機附近，為提高信號采集的準確性，將傳感器按順序布置在與電機水平的方位。這樣能夠保證所有傳感器采集范圍能夠覆蓋整個電機。

3.2 傳感器校準

為消除傳感器漂移、失靈等問題導致的采集誤差，利用正弦穩態校準方法提高信號采集精度。

結合正弦穩態校準需求，設計正弦穩態校準系統結構示意圖，如圖3所示。

圖3 正弦穩態校準系統結構示意圖Fig.3 Structural Diagram of Sine Steady State Calibration System

該系統的振動臺使用的是電磁振動臺，由圖3可知，校準系統主要分為四大模塊，包括激勵源、振動設備、測量設備和計算機。各部分作用如下：

（1）激勵源：包括信號和功率放大器兩部分，在校準系統中，通過信號發生器發射正弦信號，功率放大器對其放大，將該信號發送到振動臺，使振動臺運動。

（2）振動設備：為待校準的傳感器提供參考輸入，由控制器、振動臺裝置構成。

（3）測量設備：測量振動臺的產生的波形，通常使用激光測振儀，同時配合高速采集設備使用。

（4）計算機：作為上述設備應用的載體，通過總線連接采集設備，具有傳輸速度快、可靠性高等優勢，能夠實時顯示計算結果。

3.3 掘進機振動信號同步誤差補償

經過上述校準后的傳感器提高了靈敏度，但是還無法實現振動信號同步誤差補償。為了實現掘進機振動信號誤差補償，利用上文經傳感器校準后的掘進機的運動狀態數據和加速度傳感器測量值［9］，在隨機傳感激勵信號分析的基礎上，提出一種同步誤差補償的采集方式。

假設傳感器的傳輸時延最佳預測值計算式為［10］：

式中：d—節點深度；Ta—傳輸固有時延；—i級路由節點的退出時間，Fx(t)隨機信號激勵約束。

據此得出傳感器每次采樣的同步累計誤差為：

式中：fa—理論采樣頻率；fs—實際頻率；Gn—采樣總次數；Ncn—采樣節點獲取的第n個捕獲值。

采集開始后，每個采樣周期的補償值為：

4 實驗過程與結果分析

為驗證所提方法的采集性能，設計掘進機隨機振動信號同步采集誤差補償實驗。實測礦井深度在（580～1200）m之間，實驗選用EBZ120型煤礦用掘進機，EBZ120型煤礦用掘進機井下作業現場圖，如圖4所示。

圖4 EBZ120型煤礦用掘進機井下作業現場圖Fig.4 EBZ120 Type Coal Mine Tunneling Machine Underground Operation Site Diagram

實驗使用3個加速度傳感器，用于采集掘進機在不同位置和方向上的振動信號。傳感器的數量和布置位置可以根據需要進行調整。

ARF-A-T 低量程3軸加速度傳感器實物圖，如圖5所示。

圖5 ARF-A-T低量程3軸加速度傳感器實物圖Fig.5 ARF-A-T Low Range 3-Axis Acceleration Sensor Physical Image

實驗所選懸臂式掘進機，此種設備無需從不同角度進行多次切割，機型靈活，切割臂能夠自由擺動，提高生產效率。掘進機相關技術參數表，如表2所示。

表2 掘進機相關技術參數表Tab.2 Table of Relevant Technical Parameters of Roadheader

采集到的掘進機隨機振動信號加速度，如表3所示。

表3 掘進機隨機振動信號加速度Tab.3 Random Vibration Signal Acceleration of Tunneling Machine

在上述參數的設置下，設置實驗平臺整體架構圖，如圖6所示。

圖6 實驗平臺整體架構圖Fig.6 Overall Architecture of the Experimental Platform

該平臺由控制器、傳感器、儲存模塊等部分構成。

利用主控器接收信號，通過模數轉換器獲得傳感器信號，每完成一次采集任務，控制器都會將數據儲存到芯片中，確保數據安全。

通過任意波形發射器輸入隨機激勵，利用多傳感器采集信號波形，設定采集時間為140s，將同步采集到的振動信號記錄下來，作為后續數據處理和分析的基礎。

4.1 實時采集效果

分析采集振動信號的隨機滯留情況，并將本文方法、基于BP改進PID的掘進機閉環回路跟隨誤差補償方法（文獻［1］方法）、基于改進小波閾值-形態學融合算法的振動信號誤差抑制方法（文獻［2］方法）的采集結果進行對比，分析不同算法的隨機遲滯現象，分析結果，如圖7～圖9所示。

圖7 本文方法下振動信號隨機遲滯對比圖Fig.7 .Comparison Diagram of Random Hysteresis of Vibration Signals Under the Method in this Paper

圖8 文獻［1］方法信號遲滯對比圖Fig.8 Reference［1］Method Signal Hysteresis Comparison Chart

圖9 文獻［2］方法信號遲滯對比圖Fig.9 Reference［2］Method Signal Hysteresis Comparison Chart

分析圖7～圖9可知，多傳感器同步后的信息延遲都較大，但利用這里方法采集的振動信號延遲始終較小，每次隨機遲滯都在0ns左右；文獻［1］方法的信號延遲較為嚴重，雖然比處理前有所好轉，但是依然難以滿足實時采集需求；文獻［2］方法在前80s時信號延遲嚴重，在80s后，系統逐漸進入穩定狀態，遲滯現象有所緩解。這里方法之所以延遲較小時是因為設置了合理的采樣頻率，針對采集延時進行了補償，所以減輕信號遲滯。

4.2 振動信號誤差補償效果

振動信號誤差補償必須在實時的基礎上，具備準確、穩定信號采集的能力。為驗證振動信號誤差的補償效果，通過任意波形發射器上設置所需的隨機激勵函數，設置激勵類型為隨機噪聲、激勵頻率為100Hz、持續時間為5ms。輸入隨機激勵，啟動任意波形發射器發送隨機激勵，并同時開始示波器的測量。確保示波器正常運行并記錄信號波形。作為后續實驗的實際振動信號波形圖。并利用上述三種方法對掘進機隨機振動信號同步采集誤差進行補償，得到不同方法應用下采集到的振動信號波形圖。分析上述三種方法的信號誤差補償效果，不同方法動態信號采集結果圖，如圖10所示。這里采集到的信號波形和實際波形基本一致；文獻［1］方法雖然波形走勢相同，但是幅值比實際波形小；文獻［2］方法采集到的波形與實際波形相差較大。這里使用了正弦穩態校準方法校正了多傳感器的精度，提高傳感器的敏感性，確保振動信號的幅值和相位都能與實際波形相符，能夠有效保障掘進機振動信號誤差補償精度。

5 結論

為完善掘進機設備性能，提出掘進機隨機振動信號同步采集誤差補償方法。構造虛擬的隨機激勵，選取加速度傳感器作為信號采集設備，合理設置參數，確定安裝方式，再通過傳感器校準，提高采集精度，引入傳感器同步采集策略，計算累計誤差并進行補償，實現掘進機振動信號動態誤差補償。實驗結果表明，應用本文方法準確補償振動信號的誤差，實時掌握掘進機的工作狀態，通過采集到的振動信號，分析設備運行情況，提高工作效率。但是掘進機在應用方面依然存在一些問題，例如，在惡劣的工作環境下，故障隨時有可能發生，因此在今后研究中應設計一款實時監測系統，確定故障原因，及時糾正位姿，對確保煤礦工程安全具有十分重要的作用。