燃煤电站胶带缺陷状态下头部清扫器振动冲击特性分析

摘要：胶带清扫器广泛应用于燃煤电站输送机的表面清扫中，通过清扫器刮刀与输送胶带之间施加的正压力，形成接触和摩擦，清除输送胶带表面粘附的煤泥。但当胶带存在表面缺陷或表面修补后形成凸起时，胶带清扫器的刮刀反复碰撞和碾压该缺陷或凸起点，将进一步损坏胶带。鉴于此，提出了一种基于清扫器振动冲击信号识别胶带表面缺陷的方法，首先在清扫器主轴上安装振动传感器，测试胶带运动过程中清扫器的振动信号；然后通过振动中的冲击成分识别刮刀碰撞的激振源；同时给出了基于峰值因子和峭度的冲击识别算法，经实测数据验证，基于峭度值进行冲击识别效果更好。

关键词：燃煤发电厂；带式输送机；清扫器；胶带缺陷；振动冲击特性

中图分类号：TM621.7 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）20-0067-04

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

0 引言

中煤红星发电有限公司位于新疆维吾尔自治区哈密市，昼夜温差大、春季多风而干旱、冬季寒冷而漫长。公司机组容量为2×660 MW，年需燃煤约388.30万t（设计煤种）；输煤系统采用带式输送机，共有#1甲乙、#2甲乙、#3甲乙、#4甲乙、#5甲乙、#6甲乙十二条胶带。由于气候的原因，胶带表面夏季有粘结的煤泥，冬季有冻结的粘结物，影响带式输送机的运行安全。

输煤系统相关技术人员研究了各类带式输送机用的清扫技术，部分已在现场得到推广应用。文献[1]分别设计了一种重锤式头部智能清扫器和弹簧式头部智能清扫器，应用于矿用带式输送机头部清扫中；文献[2]设计了一套自动清扫装置；文献[3]设计了一种回程输送带清扫及物料收集的清扫装置；文献[4]设计了一种带式输送机回程双向空段清扫器，实现正反向清扫状态的转换。

但现有胶带清扫装置是通过清扫用的刮刀与胶带表面直接接触，在胶带运行过程中，通过刮刀与胶带表面的相对运动和摩擦ioaAh4rp7M+1ldp+XEtkrXduwi9bEba2BSqcFkaKIDU=，实现清除胶带表面粘结物的目的。当胶带存在表面缺陷或表面修补后形成凸起时，胶带清扫器的刮刀反复碾压该缺陷或修补凸起点，将进一步损坏胶带。为避免这样的事故发生，实现胶带清扫器在清除表面附着物的同时，不会进一步损坏表面缺陷或修补凸起点，本文深入研究了胶带表面修补凸起点激励清扫器的振动特点，以实现基于清扫器振动信号识别胶带缺陷的目的。

1 胶带清扫器组成

胶带清扫器安装在带式输送机头部漏斗内，如图1所示，由刮刀、刮刀架、刮刀高度微调单元、锁紧螺母等组成，可全面清除回程皮带面上粘附的物料，避免撒煤，确保清扫下来的物料直接落到漏斗中被带走。现场安装如图2所示。

2 胶带表面缺陷激励清扫器的振动特点

在带式输送机运行时，胶带表面修补凸起点运动到清扫器位置会与清扫刮刀发生碰撞，产生冲击振动信号。

2.1 实验平台

如图3所示，该平台位于湖北孝感的凯瑞知行智能装备有限公司研发场地。

将振动传感器布置于刮刀主轴上，如图4所示。实验平台胶带缺陷包含金属故障点、橡胶故障点以及组合故障点等，模拟不同故障点产生的不同冲击，如图5所示。

2.2 胶带表面缺陷激励清扫器振动信号

设置采样频率10 kHz、采样时间20 s，皮带全长40 m，在额定运行速度2 m/s下采集时间正好采满一圈。采集的清扫器主轴振动信号如图6所示，可以很清晰地看到冲击信号。

2.2.1 峰值提取

峰值提取方法是一种在信号处理和数据分析中常用的技术，用于检测和识别数据中的峰值或极值点。根据实验数据特性分析，本文峰值点的定义为大于前后两个点的数值，并且大于设定的阈值。在满足这些条件的情况下，将该点视为峰值点，并记录下其位置和数值。同时，后面算法还考虑了峰值点之间的最小距离限制，确保相邻峰值点之间的距离大于一个数值，从而避免重复计算。

峰值因子（Crest Factor）Ip是信号峰值和有效值RMS的比值，具体公式如下：

Ip= （1）

式中：Xp为信号的最高峰值；Xrms为有效值或均方根值。

峰值因子是一种重要的信号特征指标，其作用如下：

1）峰值因子可以进一步体现信号的峰值与均方根之间的关系，反映信号的峰值特性，同时可以评估信号的峰值部分相对于整体的幅度大小，从而更容易了解信号特征。

2）峰值因子可以判断信号质量，被广泛应用于音频处理、通信系统和振动分析等领域，当发生振动引发冲击信号时，峰值因子会明显增大，反之信号平稳时，峰值因子数值会很低。

3）峰值因子可以用于峰值检测和异常检测，通过对比峰值因子数值的前后变化，可以快速发现采集信号中的异常峰值，便于对信号进行有效分析和处理。

综上所述，峰值因子是一种重要的特征指标，在信号处理和监测中发挥重要作用。在本实验中使用峰值因子，可以较准确地判断出刮刀与故障点是否存在碰撞，从而触发故障点路程计算算法。

2.2.2 峭度指标

峭度（Kurtosis）计算公式如下：

k4=-3 （2）

式中：Xi为对应的数据点；X为数据的均值；N为数据点的总数（采样数量）。

峭度指标作用如下：

1）用来衡量采集数据的分布尖峭程度，方便更好地了解数据分布的特征，通过峭度数值可以判断数据分布的尾部厚度和尖峭程度，从而对数据特征有更深入的了解。

2）峭度还便于进行数据分布的比较，采集到的多组数据可以用峭度值来比较它们的形状特征，从而分析不同组数据的特性。

一般情况下，单位时间内发生的冲击次数越多，峭度指标可能会越大。峭度指标通常用于衡量数据分布的尖锐程度和偏斜程度，而冲击事件的发生会导致数据分布更为尖锐和偏斜，因此在许多情况下，单位时间内发生的冲击次数增多可能会导致峭度指标增大。然而，具体情况仍取决于数据的特性和分布情况。

2.2.3 数据分析

选取多组故障数据进行分析，分别取无故障的数据和存在冲击的数据如图7所示，对其均值、峰值因子和峭度值进行计算。

通过Matlab软件，计算得出四组数据的均方根值、峰值因子和峭度数值，如表1所示。

根据数据分析，当发生碰撞时，均方根值、峰值因子和峭度指标均会增大，其中峭度指标增加最快。综合信号图和表格数据分析，可以得出存在冲击振动时，峭度作为一种重要的统计量，能更全面地揭示数据分布的形状特征，检测数据的偏态，并进行数据分布的分析和比较。相较于峰值因子，峭度值对故障的反应更为敏感。在本文中，通过比较正常工况下和发生故障时采集到的数据的峭度值，来发现潜在故障。此外，峭度值还可用于判断信号中包含的故障信号成分的程度。

3 结论

1）当带式输送机胶带表面存在凸起、翻边等故障点时，安装于胶带的清扫器与故障点碰撞会产生冲击振动信号。通过分析该振动信号，可有效识别胶带表面缺陷，从而避免清扫器反复碾压和刮碰该缺陷点，引起缺陷进一步扩展。

2）通过对实验数据进行峰值因子和峭度指标分析，可知峭度指标对刮刀振动变化更为敏感。胶带出现故障后的峭度值远大于无故障时的峭度值。因此，在基于刮刀振动信号识别胶带表面缺陷时选择峭度指标作为主要依据是合理的。

[参考文献]

[1] 武熙，李珂，孟庆灵，等.矿用带式输送机头部智能清扫器研究与设计[J].金属矿山，2023（8）：253-259.

[2] 张红锁.矿用带式输送机清扫装置优化改进[J].山东煤炭科技，2023，41（6）：135-137.

[3] 钱卫国.煤炭港口运输输送带煤泥清扫装置设计安装[J].起重运输机械，2022（21）：22-27.

[4] 赵振鹿，兰宇，杨彦宁，等.带式输送机回程空段双向清扫器研究与设计[J].电力科学与工程，2021，37（12）：65-72.

收稿日期：2024-06-15

作者简介：乔红宝（1984—），男，新疆哈密人，工程师，研究方向：火力发电厂自动化控制。