希爾伯特解調(diào)在電廠磨煤機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

陳 光

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

0 概 述

電力行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。我國(guó)是人口大國(guó)，同時(shí)，也是電力消費(fèi)大國(guó)。根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)［1］，截至2013年3月底，我國(guó)裝機(jī)容量已達(dá)到112 275萬(wàn)千瓦，其中火電裝機(jī)容量達(dá)82 544萬(wàn)千瓦，占比73.5%。在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，火力發(fā)電機(jī)組仍將是我國(guó)電力供應(yīng)的主力機(jī)組。然而，火電機(jī)組的組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)難度較大。一旦出現(xiàn)問題，輕則導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，重則引發(fā)重大安全事故。

磨煤機(jī)作為制煤粉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成環(huán)節(jié)，其安全有效運(yùn)行是關(guān)乎鍋爐穩(wěn)定燃燒的重要保障［2］。尤其是鋼球磨煤機(jī)，通常工作在極其惡劣的環(huán)境中，較易發(fā)生故障。但是，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的背景噪聲較大，故障引發(fā)的聲音常被淹沒在大量的背景噪聲中，利用傳統(tǒng)的時(shí)域分析法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障診斷。因此，磨煤機(jī)的故障診斷一直是困擾電廠運(yùn)行維護(hù)人員的較大問題。

通常情況下，對(duì)磨煤機(jī)的故障診斷是利用手持式測(cè)振儀，依據(jù)儀器顯示的有效值或峰值對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷，但是鋼球磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸較大，傳動(dòng)系統(tǒng)較多，工作環(huán)境的背景噪音大，某個(gè)傳動(dòng)部件出現(xiàn)故障時(shí)，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致不同部位多個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值均超過標(biāo)準(zhǔn)值，無(wú)法有效診斷故障部件。因此磨煤機(jī)故障診斷困難重重［3］。

2009年，劉定平等人［4］提出了基于核主元分析和最小二乘支持向量機(jī)的中速磨煤機(jī)故障診斷方法，應(yīng)用于磨煤機(jī)的仿真信號(hào)中，取得較好結(jié)果；2011年，魯雪艷、趙征［5］提出基于D－S證據(jù)理論的模糊聚類分析方法，應(yīng)用于磨煤機(jī)故障診斷。診斷結(jié)果顯示，該方法可有效判別故障類型，并預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)。2013年，盧洪波等人［6］采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行了故障診斷方面的研究，取得了較好的成果。

通過研究發(fā)現(xiàn)，磨煤機(jī)故障診斷吸引了較多研究學(xué)者的注意，因此，現(xiàn)從磨煤機(jī)發(fā)生故障的機(jī)理出發(fā)，利用解調(diào)分析法診斷磨煤機(jī)齒輪故障。

1 希爾伯特解調(diào)方法基本理論

解調(diào)方法有檢波濾波解調(diào)、共振解調(diào)、希爾伯特解調(diào)等。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)頻譜中往往存在較多的低頻噪聲干擾，通過解調(diào)，將調(diào)制在高頻處的故障特征成分，解調(diào)到低頻，減弱低頻干擾，提高信噪比［7］。

以希爾伯特解調(diào)為例，說明解調(diào)的基本原理。若一連續(xù)的時(shí)間信號(hào)x（t），其希爾伯特變換（t）為：

因此，希爾伯特變換其本質(zhì)上是90度濾波器。

信號(hào)x（t）的希爾伯特變換包絡(luò)定義為：

因此，對(duì)包絡(luò)信號(hào)做頻譜分析，即可得到包絡(luò)信號(hào)的包絡(luò)頻譜。

2 仿真驗(yàn)證

磨煤機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速箱減速后帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后驅(qū)動(dòng)滾筒做圓周運(yùn)動(dòng)，利用滾筒內(nèi)鋼球的自由下落，將煤塊砸為煤粉。齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)在傳動(dòng)鏈中發(fā)揮著重要作用。在齒輪傳動(dòng)的聲音頻譜中，一般會(huì)出現(xiàn)齒輪軸轉(zhuǎn)頻及倍頻、嚙合頻率及倍頻。當(dāng)齒輪存在故障時(shí)，故障齒輪所在軸每轉(zhuǎn)一圈，故障齒輪嚙合一次，因此，信號(hào)頻譜中便出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻調(diào)制嚙合頻率的現(xiàn)象。

以一般調(diào)制為例，對(duì)仿真一組信號(hào)進(jìn)行分析驗(yàn)證，設(shè)仿真信號(hào)為x（t）：

則x（t）＝ ［1＋cos（2πfrt）］cos（2πfmt）

其中fr＝6Hz，代表故障調(diào)制頻率，fm＝100 Hz，代表載波。采樣頻率為2 000Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為10s，其時(shí)域波形如圖1所示。

圖1 仿真信號(hào)x（t）時(shí)域波形

利用希爾伯特包絡(luò)解調(diào)對(duì)信號(hào)x（t）分析，得到x（t）希爾伯特解調(diào)時(shí)域信號(hào)，如圖2所示。解調(diào)頻譜如圖3所示。

圖2 仿真信號(hào)x（t）希爾伯特解調(diào)信號(hào)時(shí)域波形

圖3 仿真信號(hào)x（t）希爾伯特解調(diào)信號(hào)頻譜

從圖3可知，在頻率為6Hz處出現(xiàn)譜線，對(duì)應(yīng)信號(hào)的轉(zhuǎn)頻fr。因此，利用希爾伯特變換可以解調(diào)出調(diào)制信號(hào)，完成齒輪的故障診斷。

3 工程應(yīng)用

某廠的磨煤機(jī)為雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，即磨煤機(jī)滾筒由左右2個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖4所示。

圖4 雙驅(qū)動(dòng)鋼球磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在左右驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈中，電機(jī)通過一級(jí)齒輪箱減速，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器帶動(dòng)小牙輪，最后，小牙輪與滾筒通過齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾筒做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煤塊到煤粉的轉(zhuǎn)變。該磨煤機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，如表1所示。

表1 磨煤機(jī)齒輪參數(shù)

該廠磨煤機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為980r／min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)頻為16.33Hz，通過表1傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪齒數(shù)，得到該磨煤機(jī)各齒輪嚙合頻率及轉(zhuǎn)頻，如表2所示。

表2 磨煤機(jī)齒輪嚙合頻率及轉(zhuǎn)頻

其中：fr1——電機(jī)轉(zhuǎn)頻；

fr2——減速器輸入軸轉(zhuǎn)頻；

fr3——減速器輸出軸轉(zhuǎn)頻；

fm1——減速器嚙合頻率；

fr4——小牙輪轉(zhuǎn)頻；

fr5——滾筒轉(zhuǎn)頻；

fm2——小牙輪嚙合頻率。

在2013年，對(duì)鋼球磨煤機(jī)日常點(diǎn)檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值超標(biāo)。其中，左側(cè)的驅(qū)動(dòng)通頻值，如表3所示，右側(cè)的驅(qū)動(dòng)通頻值，如表4所示。

表3 磨煤機(jī)左側(cè)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)通頻值

表4 磨煤機(jī)右側(cè)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)通頻值

從表3、表4可知，測(cè)點(diǎn)7與測(cè)點(diǎn)7.1處的振動(dòng)較大，對(duì)應(yīng)于磨煤機(jī)小牙輪的2個(gè)軸承座測(cè)點(diǎn)處。為了準(zhǔn)確診斷磨煤機(jī)故障，利用便攜式數(shù)據(jù)采集儀，對(duì)振動(dòng)最大點(diǎn)7.1測(cè)點(diǎn)處，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到的時(shí)域信號(hào)，如圖5所示。

圖5 鋼球磨煤機(jī)測(cè)點(diǎn)7.1處振動(dòng)時(shí)域信號(hào)波形

在圖5的時(shí)域信號(hào)中，可以看出存在部分沖擊，但是沖擊周期性不明顯，且信號(hào)中含有大量背景噪聲。為了準(zhǔn)確診斷故障原因，利用希爾伯特解調(diào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，得到信號(hào)的包絡(luò)譜，如圖6所示。

圖6 鋼球磨煤機(jī)測(cè)點(diǎn)7.1處振動(dòng)信號(hào)解調(diào)譜

從信號(hào)的包絡(luò)譜中，可以看出頻率為2.38Hz的頻率成分及其倍頻，對(duì)應(yīng)于磨煤機(jī)的小牙輪轉(zhuǎn)頻，因此，診斷故障發(fā)生位置為小牙輪［8］。為了驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，在機(jī)組大修時(shí)，對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行解體，解體后發(fā)現(xiàn)小牙輪已有部分?jǐn)帻X現(xiàn)象，實(shí)物如圖7所示。

圖7 磨煤機(jī)解體小牙輪斷齒故障

4 結(jié) 語(yǔ)

磨煤機(jī)通常工作在低速重載、伴有沖擊的惡劣環(huán)境中，且工作環(huán)境嘈雜，測(cè)得信號(hào)信噪比低，時(shí)域信號(hào)中故障信息被淹沒在背景噪聲中，無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)其故障診斷。為此，利用希爾伯特解調(diào)原理，通過仿真驗(yàn)證了其有效性，準(zhǔn)確診斷了磨煤機(jī)的小牙輪故障。