基于數(shù)據(jù)融合的掘進(jìn)機(jī)截齒磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)

袁一鳴

摘 要：為了降低掘進(jìn)機(jī)截齒過(guò)度磨損引起的不利影響，設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)截齒磨損狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選取截齒的振動(dòng)信號(hào)和主電機(jī)功率信號(hào)作為研究對(duì)象，采用小波變換技術(shù)和統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)和功率信號(hào)進(jìn)行提取，采用模糊數(shù)據(jù)融合方法對(duì)振動(dòng)、功率特征信號(hào)進(jìn)行融合，降低單一特征信號(hào)提供磨損狀態(tài)信息的局限性，獲得更加全面、準(zhǔn)確的截齒磨損狀態(tài)。結(jié)果表明，基于模糊數(shù)據(jù)融合的掘進(jìn)機(jī)截齒磨損狀態(tài)識(shí)別比單一傳感器系統(tǒng)對(duì)截齒磨損狀態(tài)識(shí)別更為可靠。

關(guān)鍵詞：截齒磨損 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 模糊數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0036-02

掘進(jìn)機(jī)是用于開(kāi)鑿煤礦井下巷道的重要裝備，工作時(shí)截齒與巖石直接作用，而巖石硬度大，截齒與巖石界面間的截割摩擦非常劇烈，產(chǎn)生劇烈的沖擊和截齒表面的快速溫升，造成截齒的嚴(yán)重磨損。而截齒的磨損程度，直接影響掘進(jìn)機(jī)的工作效率、使用壽命和整機(jī)的能耗。因此，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截齒磨損狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)煤礦開(kāi)采的順利進(jìn)行、提高掘進(jìn)機(jī)工作效率以及節(jié)能降耗具有重要的意義。

截齒磨損狀態(tài)監(jiān)控一般是通過(guò)測(cè)量、比較一些信號(hào)來(lái)間接判斷，常用的有截割力、截割熱、聲發(fā)射、振動(dòng)、截割電機(jī)電流和功率等。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程的特點(diǎn)，該文選用截割時(shí)的振動(dòng)信號(hào)和截割電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用模糊數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)截齒磨損狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，克服截齒本身磨損狀態(tài)的模糊性問(wèn)題以及由單一傳感器監(jiān)測(cè)可靠性低的問(wèn)題。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

截齒磨損狀態(tài)監(jiān)控采用單片機(jī)硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)組成有單片機(jī)及其外圍電路、振動(dòng)信號(hào)和功率信號(hào)檢測(cè)處理模塊等幾部分組成。圖1是監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí)，首先初始化各輸入端口、輸出端口，將各參數(shù)賦初值給系統(tǒng)，然后系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)截齒的振動(dòng)信號(hào)、主電機(jī)的功率信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，識(shí)別截齒的磨損程度，進(jìn)行截齒磨損狀態(tài)的在線監(jiān)控。并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)液晶顯示部分輸出，如截齒磨損過(guò)度，則立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 信號(hào)的提取

用振動(dòng)傳感器和功率傳感器分布監(jiān)測(cè)截齒的振動(dòng)信號(hào)和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取相應(yīng)信號(hào)后，由于存在干擾，還需進(jìn)行信號(hào)的提取。為了提取截齒的磨損特征信號(hào)，利用小波分析Mallat算法，對(duì)獲取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析，并在多個(gè)尺度上進(jìn)行分解及單枝重構(gòu)，獲得相應(yīng)的低頻和高頻信號(hào)，將能夠反映截齒磨損狀態(tài)的信號(hào)作為辨識(shí)截齒磨損狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)。

系統(tǒng)采集的功率信號(hào)數(shù)據(jù)非常多，數(shù)據(jù)曲線形狀模糊，無(wú)法直接判斷主驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率大小的變化，更無(wú)法提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，通過(guò)積分對(duì)原始功率信號(hào)進(jìn)行處理，使得處理后的信號(hào)能夠反映出掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中主參數(shù)的變化規(guī)律，將該數(shù)據(jù)作為監(jiān)控系統(tǒng)的另一組輸入數(shù)據(jù)。

3 截齒磨損狀態(tài)識(shí)別

截齒磨損很難定量描述，經(jīng)常采取定性描述和處理，模糊集的基本思想是把普通集合中的絕對(duì)隸屬關(guān)系靈活化，使元素對(duì)集合的隸屬度從原來(lái)只能取0和1值擴(kuò)充到可以取[0，1]區(qū)間中的任一數(shù)值。因此，模糊集理論非常適合對(duì)截齒的磨損狀態(tài)進(jìn)行描述。截齒磨損狀態(tài)可以定性分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損3種，監(jiān)測(cè)的模糊數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器，采用隸屬度值來(lái)表示被測(cè)截齒屬于哪一種磨損狀態(tài)的可能性，該系統(tǒng)采用2個(gè)振動(dòng)傳感器和1個(gè)功率傳感器，則可得到3組共9個(gè)模糊隸屬度值。應(yīng)用多傳感器模糊融合理論進(jìn)行處理，得到3個(gè)傳感器融合以后被測(cè)截齒屬于3種狀態(tài)的隸屬度值，再根據(jù)一定的決策規(guī)則對(duì)被測(cè)截齒磨損狀態(tài)進(jìn)行判定。經(jīng)過(guò)模糊變換，獲得截齒所處各種狀態(tài)的可能性B=A·R=（b1，b2，b3），其中模糊關(guān)系矩陣R=（rij）m×n，rij為某一傳感器推斷為某磨損狀態(tài)的可能性，模糊向量A=（a1，a2，a3）表示各個(gè)傳感器所判斷截齒磨損狀態(tài)的可信度，ai（i=1，2，3）為各個(gè)傳感器對(duì)截齒磨損狀態(tài)決策所做的貢獻(xiàn)，即傳感器權(quán)重。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分組成，能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)工作過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)和功率信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、分析、識(shí)別、結(jié)果顯示、報(bào)警等多種功能。系統(tǒng)軟件采用前臺(tái)和后臺(tái)相結(jié)合的方式，后臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊、接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等功能，前臺(tái)有控制、調(diào)度、參數(shù)設(shè)置等與用戶直接交流界面。主程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)截齒磨損狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，并選取振動(dòng)信號(hào)和功率信號(hào)作為反映截齒磨損狀態(tài)的研究對(duì)象，進(jìn)行了信號(hào)檢測(cè)。采用小波變換和統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)振動(dòng)信號(hào)和功率信號(hào)進(jìn)行提取處理，對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊數(shù)據(jù)融合處理，避免了單一特征信號(hào)提供磨損狀態(tài)信息的局限性，減少由于受單傳感器信息量局限引起的誤報(bào)和錯(cuò)報(bào)，獲得了更加全面、準(zhǔn)確的截齒磨損狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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