基于概率約束的超聲相控陣輸煤機工傷缺陷檢測

王雁軍

（國家能源集團國電電力發展股份有限公司，北京 100101）

輸煤機是火力發電廠的重要設備之一，其運行狀態直接影響到煤炭的輸送質量和效率。然而，由于長時間高強度的工作，輸煤機容易出現各種故障，如皮帶跑偏、打滑、撕裂等，這些故障不僅會影響煤炭的輸送，嚴重時甚至會導致整個火力發電廠的停機。因此，對輸煤機進行缺陷檢測具有重要意義。

針對輸煤機缺陷檢測問題，很多相關專家和學者對此問題進行了研究[1]，提出了利用多元變模式分解算法診斷機械設備工傷缺陷解決方案[2]，研究了超聲相控陣技術對小口徑接管座角焊縫檢測技術[3]以及奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫側壁未熔合相控陣超聲檢測技術[4]，但已有方案仍然存在檢測實時性低、識別誤報、漏報等不足。因此，本文提出了基于概率約束的超聲相控陣輸煤機工傷缺陷檢測技術，以實現準確檢測其各種面狀和體積狀工傷缺陷。本文分析了平面和凸面2 種相控陣列的聲壓和聲場分布情況，并將回波信號的數據存儲深度作為輸煤機工傷缺陷的判斷依據。建立了基于超聲相控陣的輸煤機工傷缺陷檢測模型，通過不同模塊之間的相互作用，實現對輸煤機工傷缺陷的精準檢測。此研究為輸煤機的穩定運行提供了有力支持，提高了煤炭的輸送質量和效率，降低了企業的運營成本和風險。

1 輸煤機工傷缺陷事件發生概率計算

輸煤機主要由輸送帶、滾筒、清掃裝置、托輥組以及機架構成。通過向滾筒施加動力，帶動圍繞在滾筒上的輸送帶連續運動，完成煤炭的輸送工作。在該過程中，輸煤機會發生不同類型的工傷缺陷。為了更好地了解和預防這些缺陷，需要精確地計算這些缺陷事件發生的概率。通過計算缺陷概率，可以判定輸煤機的運行狀況，預測可能出現的問題，并采取有效的措施來預防和解決這些問題，提高輸煤機的運行效率和安全性。

輸煤機工傷缺陷事件類型及代表符號如表1所示。

表1 輸煤機工傷缺陷事件類型及代表符號Tab.1 Types and representative symbols of work-related injury and defect events in coal conveyors

表1 中，輸煤機工傷缺陷T 為工傷缺陷類型總稱，其余工傷缺陷事件之間存在“或”的邏輯關系，由此可得輸煤機工傷缺陷的布爾代數表達式為

每類工傷缺陷事件之間相互獨立，作為T 的最小割集。通過分析每類工傷缺陷事件，確定輸煤機的實際運行狀況。輸煤機工傷缺陷事件之間存在“或門”的關系[5]，由此可確定工傷缺陷事件發生概率Q：

式中：Bn為輸煤機工傷缺陷事件類型；n 為工傷缺陷事件數量。通過式（2）得到每類輸煤機工傷缺陷事件發生概率，如表2 所示。

表2 輸煤機工傷缺陷模型事件發生概率Tab.2 Probability of occurrence of coal conveyor work-related injury defect model events

將后續超聲相控陣檢測技術得到的結果與輸煤機常見的工傷缺陷類型和發生概率進行參考對照，即可判斷是否出現工傷缺陷。

2 基于超聲相控陣檢測技術的輸煤機工傷缺陷檢測

在基于超聲相控陣檢測技術的輸煤機缺陷檢測中，計算出的缺陷概率可以作為參考指標，以此確定輸煤機的運行狀態和安全狀況。當計算出的缺陷概率較高時，以此為約束條件，增加對輸煤機的檢測頻次，加強對其運行狀況的監控，及時發現并解決潛在的缺陷問題。超聲相控陣檢測技術[6]是通過使得陣列換能器中所有陣元的激勵脈沖時間發生延遲，改變陣元發射聲波到達物體內某個點的關系，進而改變聚焦點和聲束方位，實現相控陣波束合成。同樣在接收回波信號時，按照該方法對信號作延遲處理，從而實現輸煤機工傷缺陷檢測。

2.1 平面和凸面超聲相控陣聚焦聲壓獲取

在超聲相控陣中，聚焦聲壓是通過對多個超聲發射元素的激勵和延遲形成的。平面超聲相控陣通常由一排等間距的超聲發射/接收元素組成，而凸面超聲相控陣則具有彎曲的表面，使得發射/回波信號以不同位置呈現。

2.1.1 平面超聲相控陣聚焦聲壓表達式獲取

超聲相控陣的幾何參數如圖1 所示。

圖1 超聲相控陣列幾何參數Fig.1 Geometric parameters of ultrasound phased array

定義第h 陣元的延時時間為Δth，超聲相控陣列中的陣元總數為H，一個陣元的幾何寬度為a，系數為k，一定距離下一個陣元所產生的聲壓為Ph。在xy 平面中，根據聲場的分布情況[7]，將某個點處所有陣元聲壓進行疊加，得到該點處的總聲壓：

式中：r 為任意一個陣元中心與平面某點處的距離；θ 為r 與z 軸之間形成的夾角；t 為時間；j 為聲壓系數；w 為疊加系數；d 為2 個相鄰陣元之間的距離。

假設超聲相控陣聲束的偏轉角度為θ0[8]，由式（3）得到平面線陣聚焦聲壓表達式為

式中：λ 為激勵陣元。

2.1.2 凸面超聲相控陣聚焦聲壓表達式獲取

定義凸面陣的半徑長度值為α，高度為U，陣元與陣元之間的夾角為γ，相鄰2 個陣元之間的夾角為β，焦距為l，陣元輻射面的法向速度為uhexp（jwt）。在第i 個陣元輻射面上隨機選取一個點i（α，θi，zi），該點的積分[9]dsi的矢徑為ei。在平面中選取一個點L，dsi與L 之間的矢徑Li的表達式為

通過亥姆霍茲積分公式對H 個陣元在L 點形成的聲壓進行計算，公式為

式中：ρ、c 分別為亥姆霍茲積分公式中的運算系數。

ηi表示陣元與x 軸之間形成的夾角[10]，其計算公式為

進而得到凸面超聲相控陣聚焦聲壓表達式為

式中：C 為超聲相控陣聲速。

2.2 回波信號數據深度計算

在選擇超聲相控陣成像時，需要根據具體檢測需求和回波信號數據深度來考慮采用平面或凸面陣列。對于平面超聲相控陣，聚焦聲壓與回波信號數據深度之間存在一種線性關系，即聚焦深度越深，回波信號數據深度也會相應增加。對于凸面超聲相控陣，由于凸面形狀的變化，在聚焦點附近的聲壓分布會更集中，因此可以實現更精確的聚焦效果[11]。回波信號數據深度在凸面超聲相控陣中具體取決于凸面形狀、傳感器的參數等因素。通過回波信號存儲深度d 檢測輸煤機的工傷缺陷。為此，結合平面和凸面超聲相控陣聚焦聲壓，對其數據深度進行計算。將發射波形開始產生時間作為0 時刻，定義相控陣換能器與輸煤機之間的聲傳播介質聲速為v、距離為s，A/D 采樣頻率為fs，則可以得到d 的計算公式為

通過式（9）確定回波信號的數據深度，根據不同數據深度判斷輸煤機是否發生工傷缺陷。

當采集了所有回波信號后，找出回波信號中的最大值和最小值，并設定一個閾值，通過比較幅度閾值和信號峰值、谷值，確定輸煤機是否發生工傷缺陷。對所有參與發射的陣元進行遍歷，確定發射通道數量，對發射通道再次進行工傷缺陷判斷。將所有工傷缺陷情況進行匯總，與表2 進行對比，確定輸煤機最終的工傷缺陷檢測結果。

3 實驗分析

輸煤機工傷缺陷檢測的實驗流程如圖2 所示。

圖2 輸煤機工傷缺陷檢測實驗流程Fig.2 Flow chart of detecting work-related injuries and defects in coal conveyors

圖2 中，上位機的作用是用來設置回波幅度閾值、檢測時間以及其他參數；發射控制模塊的作用是向高壓開關芯片發送控制信號，確定要發送陣元的數量和位置；高壓開關芯片的作用是根據實際情況及時調整相控陣列多通道，保證相控陣換能器接收到不同陣元發射的超聲信號；超聲發射/接收電路的作用是生成高壓脈沖信號，發射和接收回波信號；A/D 采樣模塊的作用是采集回波信號，并對其進行量化處理，便于進行工傷缺陷檢測。

為了驗證所提方法在實際應用中的性能，進行實驗測試。實驗采用OLYMPUS 相控陣檢測設備，具有A 掃、B 掃、C 掃以及S 掃多種掃查方式，同時具備聲線跟蹤功能，可對工傷缺陷部位進行精準定位，設備參數如表3 所示。

表3 OLYMPUS 相控陣檢測設備參數Tab.3 OLYMPUS phased array detection equipment parameters

利用上述設備采集輸煤機的工傷缺陷信號，輸煤機輸送帶不轉，經人工檢查，存在輸送帶斷裂的故障。引入本文方法，計算輸煤機工傷缺陷概率為0.1068，根據表1 可以判定為發生了輸煤機工傷缺陷事件，即為輸送帶問題類型。選取某廠運行中的一臺輸煤機作為實驗對象，人為分別添加了4 個、3個、2 個工傷缺陷，工傷缺陷類型均不相同，利用所提算法對其進行工傷缺陷檢測，工傷缺陷響應圖與對應檢測結果如圖3～圖5 所示。

圖3 存在4 個工傷缺陷時輸煤機工傷缺陷檢測結果Fig.3 Inspection results of coal conveyor work-related defects with four work-related defects

圖4 存在3 個工傷缺陷時輸煤機工傷缺陷檢測結果Fig.4 Inspection results of coal conveyor work-related defects with three work-related defects

圖5 存在2 個工傷缺陷時輸煤機工傷缺陷檢測結果Fig.5 Inspection results of coal conveyor work-related defects with two work-related defects

觀察圖3～圖5 可以看出，在3 種不同的工傷缺陷數量下，所提方法分別檢測出4、3、2 個工傷缺陷回波信號，且每個回波信號表現突出，易于分辨，由此可知，所提方法能夠準確檢測輸煤機工傷缺陷。這主要是因為所提方法充分考慮了輸煤機工傷缺陷概率因素，通過計算輸煤機出現工傷缺陷事件的概率，將概率約束作為優化超聲相控陣檢測的重要依據，使得檢測方法更具有針對性和準確性。

4 結語

本文研究了基于概率約束的輸煤機工傷缺陷檢測方法。通過分析輸煤機可能出現的工傷缺陷事件類型，計算了設備出現工傷缺陷事件的概率。以缺陷概率為約束條件，優化了超聲相控陣檢測的過程，提高了檢測準確性和魯棒性。實驗結果表明，所提方法能夠準確檢測到輸煤機中的所有工傷缺陷，可準確識別和區分不同數量的工傷缺陷回波信號。因此，所提方法為輸煤機工傷缺陷檢測提供了一種更有效和可靠的手段，有助于保障輸煤機的安全穩定運行。