基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振动信号识别.pdf

第 4 3卷 第 1 期 2 01 7年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 J a n ．2 01 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 0 9 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 0 3 张启志 ， 邱锦波， 庄德玉． 基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振动信号识别 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 9 1 2 ． 基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振动信号识别 张启 志 ， 邱 锦 波 。 ， 庄德 玉h 。 1 ． 中煤科工集 团上海研究院， 上海 2 0 0 0 3 0 ；2 ． 天地科技股份有限公司 上海分公司 ， 上海2 0 0 0 3 0 摘 要 在基 于煤岩截 割振 动信 号分析 的煤 岩界 面识 别过 程 中， 针 对常 规 时频 域 分析 方 法对 噪 声敏 感 、 振 动信 号 能量 变化适 应性 差等 问题 ， 提 出一种基 于倒谱 距 离的采 煤 机煤 岩 截割 振 动信 号 识 别 方法 。通 过分 析 振动 传 感器采 集 的采煤机 不 同 负载 状况 下的截 割振 动信 号 ， 得 出结论 与 采煤 机 割岩 状 态相 比 ， 割 煤状 态下 得 到的振 动信 号 与空载状 态下的标 准信 号的倒 谱距 离更 大 ； 割 岩状 态下振 动 信号 的 倒谱 距 离呈 明显 的周 期 性 ， 且周期为滚筒旋转 1周的时间， 而割煤状 态下的振动信号无此特征 。工业试验结果表明， 该方法在煤岩 硬 度差 大 于 1 O MP a时 ， 识 别准确 率达 7 5 。 关 键词 煤炭 开采 ； 采 煤机 ；煤 岩截 割 ；煤岩 识别 ； 振 动信 号 ；倒谱 距 离 中图分类 号 T D 6 3 2 ． 1 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 1 2 3 0 0 9 3 1 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 2 3 0 ． 0 9 3 1 ． 0 0 2 ． h t m1 Vi b r a t i o n s i g na l i d e n t i f i c a t i o n o f c o a l r o c k c u t t i n g o f s he a r e r ba s e d o n c e p s t r a l di s t a nc e ZHANG Qi z h i 一， QI U J i n b o 一， ZHUANG De y u t 1． CCTEG Sha ng ha i Re s e a r c h I n s t i t u t e，S ha ng ha i 2 0 0 03 0，Ch i na；2． Sh a ng ha i Br a nc h Ti a n d i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co ． ，Lt d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o s o l v e pr o bl e ms t ha t c on v e nt i o na l t i m e f r e q u e nc y d o m a i n a n a l y s i s me t h od s we r e s e ns i t i v e t o n oi s e a n d ha d po o r a d a pt a bi l i t y o f e ne r gy c h a ng e i n c oa l r o c k i nt e r f a c e i d e n t i f i c a t i o n ba s e d o n vi br a t i o n s i g na l a na l y s i s，a v i br a t i o n s i gn a l i d e nt i f i c a t i on m e t ho d of c o a l r oc k c ut t i ng o f s he a r e r ba s e d o n c e p s t r a l d i s t a n c e wa s p r o p o s e d．B y a n a l y z i n g c u t t i n g v i b r a t i o n s i g n a l s o f s h e a r e r a c q u i r e d b y v i b r a t i o n s e n s o r u nd e r di f f e r e nt l o a d c o nd i t i o ns ， f ol l o wi n g c o nc l us i o ns a r e g ot t e n． Co m p a r e d wi t h c on di t i o n o f c ut t i ng r o c k，t he c e p s t r a l d i s t a n c e b e t we e n v i b r a t i o n s i gn a l u nd e r c on di t i on o f c u t t i n g c oa l a n d s t a nd a r d s i gn a l u nd e r no l oa d c on di t i o n i s l a r g e r ．The c e p s t r a l d i s t a nc e o f t he v i br a t i o n s i gna l u nd e r c o nd i t i on of r o c k c ut t i ng i s o bv i o us l y pe r i o di c ，a n d t he c yc l e i s o ne r o t a t i on c yc l e o f s he a r e r d r um ，wh i l e t he v i br a t i on s i g n a l u n d e r c o n d i t i o n o f c u t t i n g c o a l h a s n o p e r i o d i c f e a t u r e ．Th e i n d u s t r i a l t e s t r e s u l t s h o ws t h a t t h e me t h o d ha s i d e nt i f i c a t i o n a c c ur a c y o f 7 5 whe n h a r d ne s s di f f e r e nc e be t we e n c oa l a n d r o c k i s mo r e t ha n 1 0 M Pa． Ke y wo r d s c o a l mi n i n g；s h e a r e r ；c o a l r o c k i d e n t i f i c a t i o n；v i b r a t i o n s i g n a l ；c e p s t r a l d i s t a n c e 0 引言 采煤机截割作业过程 中， 实现煤岩界面 自动识 别进 而 实现采 高 自动 控 制 ， 是 综 采工 作 面 自动化 领 域 的关键 难题 。国 内外 已公 开发表 的煤 岩识 别技术 有 2 o余种 ， 但 目前为止尚未见成熟的方法及产品推 广应用 一 。 在不同的采煤工作面 ， 煤岩介质在硬度 、 密度及 赋存特征等方面存在差异， 采煤机滚筒与截齿在强 力旋 转撞 击 、 截 割煤 岩过 程 中 ， 产生 的机械 振动信 号 收稿 日期 2 0 1 6 0 8 1 5 ； 修回 日期 2 0 1 6 1 1 1 6 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 天地科 技技术创新基金资助项 目 K J 一 2 0 1 5 - T DS H一 0 1 。 作者简介 张启志 1 9 9 2 一 ， 男 ， 安徽阜阳人， 硕士研究生 ， 研究方 向为采煤机电气控 制， E ma i l z h a n g q i z h i 1 3 6 1 6 3 ． c o rn。 1 0 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 会 随截 割对象 与 状态 的不 同而变化 。通 过分 析相 关 机械振 动信号特 征， 可 间接进 行煤 岩截 割状态 识 别l 7 ] 。与雷达 、 射线等方式相 比， 机械振动信号更 易于检测、 处理。基于截割振动信号分析 的煤岩界 面识别 技术是 目前 比较 活跃 的研究 方 向 。 在 实 际工 作 状 态下 ， 采 煤 机滚 筒 截齿 与煤 岩 直 接作用产生的振动信号与采煤机 自身大功率截割电 动 机及 摇臂齿 轮 减速 系 统 、 牵 引 电动机 驱 动 系 统 的 机械振动噪声 ， 刮板输送机工作振动噪声等相互耦 合 ， 造成 严重 干扰 。另外 ， 不 同工作 面甚 至 同一工作 面不 同区域的煤岩在硬度 、 密度、 摩擦阻力 因数等方 面均可能有较大差异 ， 导致截割振动信号的能量范 围变化 极大 。大 量随机 噪声 的存在 及煤 岩层 赋存 性 质 随截 割推进 过 程不 可 预 测 的 变化 ， 导 致 采 集 的振 动信号具有随机性及非平稳 性， 其特点在于振动信 号具有非周期性且频谱随时间变化 。在 目前常见的 煤岩截割振动信号分析方法中， 时域、 频域及波形分 析方 法对 噪声 较敏 感 ， 基 于 时 频 域 能量 幅 值 特 征对 比的方法也难 以适应煤 岩硬度 随机变化较大 的情 况 ， 极易 造成误 判 _ 】 ” ] 。 采煤机配套截割滚筒结构 、 质量和截齿分布是 固定 的 ， 且三 相异 步 电动 机 驱 动 的采 煤 机 截 割 滚筒 旋 转速 度变 化一般 受 限于 电动机转 差率 ， 较 为稳定 。 在 采煤 机煤岩 截 割振 动 信 号 识别 过 程 中 ， 如 果 能 充 分利用这些对振动信号产生直接影 响又相对稳定的 信 息 ， 来 进行 噪声 排除 抑制 ， 将有 利 于提升 识别 准 确 率 。基于 此 ， 本 文提 出一种 与滚 筒旋转 周期 、 滚筒 截齿数相关联的基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振 动信号识别方法。该方法将采煤机空载运行时摇臂 振动信号作为标准信号 ， 采煤机作业 截割岩石或煤 层 时摇臂振动信号作为待测信号 ， 计算 出待测信号 与标准信号问的倒谱距 离， 从 而实现煤岩识别 。该 方 法在 对采 煤机 煤 岩截 剖 振 动 特征 进 行 分 析 、 提 取 时， 可有效抑制无关噪声 ， 避免对时频域振动能量幅 值 进行 直接 比较 ， 具有 较好 的适应 性 。 1 倒 谱距 离定 义 信号倒谱的定义是能量谱密度函数 s 叫 对数 值的傅里叶反变换 ， 或可作为信号能量谱密度 函数 S ∞ 对数的傅里叶级数来展开 ， 即 l g s 一∑c e x p 一 j 砌 1 nE N 式中 为倒谱系数 ， C 一c ； c o 为信号频率。 1 r c 。 一 I l g S 叫 2 假设 信号 5 咒 的 z变换 S z 具 有 有 理 函数 的形式 ， 即 卅 1 mO 1 7 [ 1 一a k z 一 1 - 1 7 1 一b k z s 一A z 等L 3 I I 1 一C k z 一 Ⅱ 1 一d k 一 一 1 一 1 式 中 A 为常数 ； z为 复变量 ； r E』 v ； ， r n 。 分别 为单 位圆内和圆外 的零点数 ； P ， P 。 分别为单位圆 内和 圆外 的 极 点 数 ； 口 ， b ， ， d 均 为 模 小 于 1的 有 理数 。 对 l g s 取逆 变换， 得到倒谱系数的另一 种表 达式 0 0 显然 ， 当 趋向无穷大时， 倒谱系数的幅值是收 敛 的 ， 即 l ， I n i _ ．o o 5 式中 为实常数 ； 为 n ， b ， C ， d 模 的最大值 。 从式 5 可看 出， 倒谱 系数是一个快 速衰减序 列 ， 其衰减速率 至少为 ， 因此 在误差允许 范 围 内， 可以用 有 限阶的倒谱 系数 近似 无 限阶 的倒 谱 系数 。 根据 P a r s e v a l 定理， 对 于 2个不 同信号 5 。 ， z 和 s ， 其 倒 谱 差 异 的 均 方 值 可 用 倒 谱 距 离 来 表示 1 f ’ 一 I I l g S ￡， 一l g S 。 cJ I 。 d 叫 6 式 中 d 。 为倒 谱 距 离 ； S 。 c c ， ， S 分 别 为 5 。 ， 2 ， 5 的谱密度函数。 C 。 和 c 分 别 为 S 。 ∞ 和 S c ￡ ’ 的 倒 谱 系数 。 用 q q为有理数 阶倒谱系数近似无限阶倒谱系数 ， 倒 谱距 离可 近似 为 ep 一 4 3 4 2 。 √ 以 一 。 。 2 E 一 0 7 信号与其倒谱是一一对应 的， 因此倒谱 的均方 距离可以反映 2个信号 如振动信号 与其他干扰信 号 谱 的差 别 引。 堕 ∑ ∑ 1 _ ● 一 n 一 ∑ ∑ 一 一 2 0 1 7年 第 1 期 张启 志等 基 于倒谱 距 离的采 煤机 煤岩截 割振 动信 号识 别 1 1 2 采煤机 煤岩 截割振 动信 号采 集 2 ． 1 振 动传 感 器及 其安 装位 置 笔者所在课题组开发 了一款集成信号采集处理 功能 、 基 于压 电 陶瓷加 速 度 敏感 元 件 的本 质安 全 型 振动传感器 ， 用 于采集采煤机煤岩截 割振动信号 。 该传感器 以噪声密度小于 5 0 g ／ ／ Hz 、 检测范 围为 一 5 0 g ～5 0 g g为重力 加 速度 的微 型 三维 振 动 加 速 计为 核 心 ， 配套 动 态 范 围 超 过 1 0 6 d B的 3通 道 2 4位 同步 采样 AD C， 以及 处 理 能 力 达 2 1 0 DMP I S 的高性能单 片信号处理器 ， 可实现 4 8 k Hz高速信 号采集、 三维空间振动矢量的实时重构分析与输 出 存储 功能 。 根据 振动 传感 器 优化 布置 研究 口 。 结 果 ， 并 结 合现场安装环境， 将振动传感器 安装在摇臂 I I I 轴 齿轮 端盖 处 ， 如 图 1 a 所示 ， 现 场安 装 如 图 1 b 所 示 。振动 传感 器 敏感 检 测 轴 方 向 轴 为采 煤 机 行 走方 向 ， Y轴 为采煤 机 垂 直方 向 ， 轴 为 采 煤 机 推进 方 向 。 a 安装位置示意 b 现 场 安 装 图 1 振 动传感器安装位置 2 ． 2振 动试验 及数 据采 集 方法 现场试验在陕西某矿井进行。试验工作面煤层 赋存稳定 ， 结构简单 ， 煤层倾角为 1 ～5 。 ， 煤层厚度 为 0 ． 3 ～4 ． 2 m， 单 轴抗 压强 度 为 1 0 ～2 0 MP a 。煤 层 含夹 矸 0 ～3层 ， 夹矸厚 度 为 0 ． 0 6 ～0 ． 7 5 m， 一般 为 0 ． 2 0 m， 岩性多为泥岩 ， 夹矸单轴抗压强度与煤 层相当。工作面顶底板 以粉砂岩为主 ， 单轴抗压强 度为 3 O～ 4 0 MP a 。试 验 采 用 总 装 机 功 率 为 2 4 0 0 k W 、 截 割 电动机 功 率 为 9 0 0 k W 的某 大 型采 煤 机 。该采 煤机 的 螺旋 型滚 筒 采 用 三螺 旋 叶 片 ， 共 有 5 4 只 滚 筒 齿 座 端 盘 上 有 2 4 只 ， 叶 片 上 有 3 O只 。 生产 作 业 过程 中 ， 利 用安 装 在 采煤 机左 右 摇 臂 上的振动传感器， 以及安装在机身中部 、 与采煤机电 控系统联网运行的在线式振动信号分析装置 ， 对现 场截割振动信号进行采集与存储。 为了便于对基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振 动信号识别方法的准确性进行验证 ， 在截割信号采 集 过程 中， 由专人 跟 机 观察 采 煤 机 滚筒 对 岩 石 的截 割 比例 截割岩石 占总采高的近似 比例 ， 并根据人 工判 断结果 通过 无线 遥控器 设 置振动信 号分 析装 置 的截 割 比例 字 ， 并与 电动机 电流 、 采煤 机位 置等基 本 工况信息 ， 以及截割振动信号进行同步关联存储。 3振动信 号处 理与分 析 采煤机滚筒割煤转速为 3 2 ． 1 6 r ／ mi n ， 分析周期 T为 滚 筒 旋 转 1周 的 时 间 ， 即 T一 6 0 ／ 3 2 ． 1 6 S ≈ 1 ． 8 6 6 S 。实 际工 作 中采 煤 机 滚 筒 一 直处 于 满 截 深 状态 ， 1次 截 齿 数 量 N 为 端 盘及 叶 片上 截 齿 总 数 ， 即 N一5 4 。1 个 时 间裁剪 长度 t 为 平 均 1个 截齿 在 1个分 析周 期 内的工 作时 间 ， 即 ￡ 一T／ NT ／ 5 4 。 1 个 时 间裁 剪 段 记 为 目标信 号 的 1帧 。1帧数 据量 Df T ／ 5 4点数据 ． 厂为信号采样频率 ， 共需 5 4组帧向量， 即需要分析 D5 4矩阵的特征值 。 负载工况 的不可预测性及工作面设备的高电磁 干 扰使 得采煤 机 煤岩截 割振 动信 号 中包 含 了过多 的 噪声及干扰信号 ， 在提取振动信号特征值之前 ， 需要 对 其进 行预处 理 ， 具 体包 括 向量 合成 、 背景 滤 波 预 滤 波 、 时域裁 剪 分 帧 、 预 处理 重采样 。 将采煤机空载运行时的振动信号作为标准信号 S 。 ， 采煤 机 割 煤 或 割 岩 时 的振 动 信 号 为 待测 信 号 S ， 利用式 7 计算采煤机割煤或割岩时振动 信号与标准信号的倒谱距离。2种截割状态下的倒 谱 距 离如 图 2所 示 ， 其 中 1帧为 1 5 2 4点数 据 。 从 图 2可看 出 ， 采 煤机 在割 煤状 态下 ， 振动信 号 与标准信号间的倒谱距离均值约为 0 ． 1 8 ， 帧与帧之 间 的差异 性较 为分散 ， 没 有典 型规律 性 ； 采 煤机在 割 岩状态下 ， 振动信号与标准信号问的倒谱距离约为 0 ． 1 5 ， 且呈 明显 的周期 性 ， 周期 为 5 4帧距 离 ， 恰好 是 采煤机滚筒旋转 1 周的时间。 通过分析可看 出， 采煤机煤岩截割振动信号倒 谱距离可作为判断采煤机截割状态的频域特征值之 1 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 褪 撤 匾 键 熟 蕊 帧数 a 割煤状态下 帧 数 b 割岩状态下 图 2 采煤机煤岩截割振动信号倒谱距离 一 ，具体表现 1 与采 煤 机 割 岩状 态 相 比 ， 割 煤 状 态 下 得 到 的振动信号与空载状态下的标准信号的倒谱距离更 大， 即割煤状态与空载状态下 的振动信号 间倒谱距 离大 ， 割岩状态与标准状态下 的振动信号 间倒谱距 离小 。 2 割岩状态下振动信号的倒谱距离呈明显的 周期性 ， 且周期为滚筒旋转 1周的时间。割煤状态 下的振动信号无此特征。 4 结 语 倒谱距离计算过程中涉及的相关参数对振动信 号 的能量 幅值不 敏 感 ， 解决 了常 规 时 频域 分 析 方 法 对噪声信号敏感及能量变化适应性差等 问题 ， 可直 接用作煤岩识别过程中的特征 向量， 即将倒谱距离 作为采煤机煤岩截割振动信号的频域特征值 ， 用于 实现 对采煤 机煤 岩截 割状态 的判 断 。通过 分析 采煤 机截割煤岩过程 中的振动信号 ， 并采用振动信号采 集时关联存储的人工记录数据进行验证可知 ， 基于 倒谱距离的采煤机煤岩截割振动信号识别方法在煤 岩硬度差大于 1 O MP a时， 识别准确率达 7 5 。 参考文献 [1 ] [ 2] [3 ] 张世洪． 我 国综采采煤机技术 的创新研 究[ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 1 8 9 8 1 9 0 3 ． 孙继平． 基 于图像识别 的煤岩界 面识别 方法研究 F J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 7 7 7 9 ． 孙继平 ， 陈浜 ． 基 于小波域 非对称 广义高斯 模 型的煤 岩识别 算 法 [ J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 1 5 ， 4 0 增 刊 2 5 6 8 5 75 ． [4] 田立勇 ， 毛君 ， 王启铭． 基 于采煤机摇臂惰 轮轴受力分 析 的综合煤 岩识别方 法 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 1 6 ， 4 1 3 78 2 7 8 7． [5] 邱锦波． 滚 筒采煤机 自动化与智能化控制技术发展及 应用[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 1 1 0 1 3 ． [6] 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