燃煤電站膠帶缺陷狀態下頭部清掃器振動沖擊特性分析

摘要：膠帶清掃器廣泛應用于燃煤電站輸送機的表面清掃中，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。但當膠帶存在表面缺陷或表面修補后形成凸起時，膠帶清掃器的刮刀反復碰撞和碾壓該缺陷或凸起點，將進一步損壞膠帶。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；同時給出了基于峰值因子和峭度的沖擊識別算法，經實測數據驗證，基于峭度值進行沖擊識別效果更好。

關鍵詞：燃煤發電廠；帶式輸送機；清掃器；膠帶缺陷；振動沖擊特性

中圖分類號：TM621.7 文獻標志碼：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

中煤紅星發電有限公司位于新疆維吾爾自治區哈密市，晝夜溫差大、春季多風而干旱、冬季寒冷而漫長。公司機組容量為2×660 MW，年需燃煤約388.30萬t（設計煤種）；輸煤系統采用帶式輸送機，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的煤泥，冬季有凍結的粘結物，影響帶式輸送機的運行安全。

輸煤系統相關技術人員研究了各類帶式輸送機用的清掃技術，部分已在現場得到推廣應用。文獻[1]分別設計了一種重錘式頭部智能清掃器和彈簧式頭部智能清掃器，應用于礦用帶式輸送機頭部清掃中；文獻[2]設計了一套自動清掃裝置；文獻[3]設計了一種回程輸送帶清掃及物料收集的清掃裝置；文獻[4]設計了一種帶式輸送機回程雙向空段清掃器，實現正反向清掃狀態的轉換。

但現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，在膠帶運行過程中，通過刮刀與膠帶表面的相對運動和摩擦ioaAh4rp7M+1ldp+XEtkrXduwi9bEba2BSqcFkaKIDU=，實現清除膠帶表面粘結物的目的。當膠帶存在表面缺陷或表面修補后形成凸起時，膠帶清掃器的刮刀反復碾壓該缺陷或修補凸起點，將進一步損壞膠帶。為避免這樣的事故發生，實現膠帶清掃器在清除表面附著物的同時，不會進一步損壞表面缺陷或修補凸起點，本文深入研究了膠帶表面修補凸起點激勵清掃器的振動特點，以實現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頭部漏斗內，如圖1所示，由刮刀、刮刀架、刮刀高度微調單元、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。現場安裝如圖2所示。

2 膠帶表面缺陷激勵清掃器的振動特點

在帶式輸送機運行時，膠帶表面修補凸起點運動到清掃器位置會與清掃刮刀發生碰撞，產生沖擊振動信號。

2.1 實驗平臺

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場地。

將振動傳感器布置于刮刀主軸上，如圖4所示。實驗平臺膠帶缺陷包含金屬故障點、橡膠故障點以及組合故障點等，模擬不同故障點產生的不同沖擊，如圖5所示。

2.2 膠帶表面缺陷激勵清掃器振動信號

設置采樣頻率10 kHz、采樣時間20 s，皮帶全長40 m，在額定運行速度2 m/s下采集時間正好采滿一圈。采集的清掃器主軸振動信號如圖6所示，可以很清晰地看到沖擊信號。

2.2.1 峰值提取

峰值提取方法是一種在信號處理和數據分析中常用的技術，用于檢測和識別數據中的峰值或極值點。根據實驗數據特性分析，本文峰值點的定義為大于前后兩個點的數值，并且大于設定的閾值。在滿足這些條件的情況下，將該點視為峰值點，并記錄下其位置和數值。同時，后面算法還考慮了峰值點之間的最小距離限制，確保相鄰峰值點之間的距離大于一個數值，從而避免重復計算。

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，其作用如下：

1）峰值因子可以進一步體現信號的峰值與均方根之間的關系，反映信號的峰值特性，同時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量，被廣泛應用于音頻處理、通信系統和振動分析等領域，當發生振動引發沖擊信號時，峰值因子會明顯增大，反之信號平穩時，峰值因子數值會很低。

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值的前后變化，可以快速發現采集信號中的異常峰值，便于對信號進行有效分析和處理。

綜上所述，峰值因子是一種重要的特征指標，在信號處理和監測中發揮重要作用。在本實驗中使用峰值因子，可以較準確地判斷出刮刀與故障點是否存在碰撞，從而觸發故障點路程計算算法。

2.2.2 峭度指標

峭度（Kurtosis）計算公式如下：

k4=-3 （2）

式中：Xi為對應的數據點；X為數據的均值；N為數據點的總數（采樣數量）。

峭度指標作用如下：

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

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

一般情況下，單位時間內發生的沖擊次數越多，峭度指標可能會越大。峭度指標通常用于衡量數據分布的尖銳程度和偏斜程度，而沖擊事件的發生會導致數據分布更為尖銳和偏斜，因此在許多情況下，單位時間內發生的沖擊次數增多可能會導致峭度指標增大。然而，具體情況仍取決于數據的特性和分布情況。

2.2.3 數據分析

選取多組故障數據進行分析，分別取無故障的數據和存在沖擊的數據如圖7所示，對其均值、峰值因子和峭度值進行計算。

通過Matlab軟件，計算得出四組數據的均方根值、峰值因子和峭度數值，如表1所示。

根據數據分析，當發生碰撞時，均方根值、峰值因子和峭度指標均會增大，其中峭度指標增加最快。綜合信號圖和表格數據分析，可以得出存在沖擊振動時，峭度作為一種重要的統計量，能更全面地揭示數據分布的形狀特征，檢測數據的偏態，并進行數據分布的分析和比較。相較于峰值因子，峭度值對故障的反應更為敏感。在本文中，通過比較正常工況下和發生故障時采集到的數據的峭度值，來發現潛在故障。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 結論

1）當帶式輸送機膠帶表面存在凸起、翻邊等故障點時，安裝于膠帶的清掃器與故障點碰撞會產生沖擊振動信號。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碾壓和刮碰該缺陷點，引起缺陷進一步擴展。

2）通過對實驗數據進行峰值因子和峭度指標分析，可知峭度指標對刮刀振動變化更為敏感。膠帶出現故障后的峭度值遠大于無故障時的峭度值。因此，在基于刮刀振動信號識別膠帶表面缺陷時選擇峭度指標作為主要依據是合理的。

[參考文獻]

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

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

[3] 錢衛國.煤炭港口運輸輸送帶煤泥清掃裝置設計安裝[J].起重運輸機械，2022（21）：22-27.

[4] 趙振鹿，蘭宇，楊彥寧，等.帶式輸送機回程空段雙向清掃器研究與設計[J].電力科學與工程，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：火力發電廠自動化控制。