鋼球磨煤機(jī)噪聲信號(hào)的檢測(cè)與分析

鋼球磨煤機(jī)噪聲信號(hào)的檢測(cè)與分析

鋼球磨煤機(jī)（球磨機(jī)）廣泛應(yīng)用于發(fā)電和水泥工業(yè)公司。其工作環(huán)境非常惡劣。如何正確測(cè)量球磨機(jī)的負(fù)荷是控制球磨機(jī)負(fù)荷的關(guān)鍵之一。但在實(shí)際設(shè)備中,傳感器不可能安裝在筒體內(nèi)直接對(duì)負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量,而只有通過(guò)測(cè)量球磨機(jī)負(fù)荷的信號(hào)包括振動(dòng)信號(hào)、出口差壓、工作電流、溫度等來(lái)間接檢測(cè)。經(jīng)長(zhǎng)期的探索和大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)球磨機(jī)在不同負(fù)荷時(shí)運(yùn)行的噪音不同,在負(fù)荷較小時(shí),由于存料量少,鋼球與球磨機(jī)金屬筒壁的撞擊機(jī)會(huì)多,產(chǎn)生的噪音較大;反之存料量較多時(shí),鋼球與物料混在一起,撞擊時(shí)發(fā)出的噪音就較小。因此,通過(guò)球磨機(jī)的噪音來(lái)間接檢測(cè)球磨機(jī)內(nèi)負(fù)荷是一種較為理想的方法。1fft算法中干擾因素的特征分析采集韓城和渭河發(fā)電廠球磨機(jī)的噪聲信號(hào)并進(jìn)行分析。在離球磨機(jī)進(jìn)口部1/3、2/3處各安裝了聲音傳感器,在采樣的同時(shí)使用頻譜分析儀對(duì)球磨機(jī)前后聲音信號(hào)與前后軸的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。現(xiàn)場(chǎng)錄制從球磨機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始持續(xù)1h。在聲音采集中,保證啟動(dòng)過(guò)程均勻給料,使給煤機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500r/min,到第13min提高給煤機(jī)轉(zhuǎn)速增加負(fù)荷。第14min到第29min這段時(shí)間使給煤機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)穩(wěn)定在500r/min。到第30min降低給煤機(jī)轉(zhuǎn)速,使筒內(nèi)負(fù)荷降低。采樣所得的序列x(n)的能量Ex可寫(xiě)成:式(1)稱為Parseval定理。由式(1)可得序列x(n)的能量譜密度:信號(hào)x(n)在[ω1,ω2]頻帶內(nèi)的能量為:式中的X(ejω)=∑n=0N?1x(n)e?jωnX(ejω)=∑n=0Ν-1x(n)e-jωn,為x(n)的DTFT(離散時(shí)間序列的傅立葉)變換。DTFT變換與DFT(離散傅立葉)變換的關(guān)系為:X(k)=∑n=0N?1x(n)e?j2πNnk=X(ejω)|ω=2πNk(4)X(k)=∑n=0Ν-1x(n)e-j2πΝnk=X(ejω)|ω=2πΝk(4)即X(k)是對(duì)X(ejω)在頻域上的抽樣。用X(k)表示X(ejω)則有:X(ejω)=1?e?jωNN∑k=0N?1X(k)1?ej2πNke?jω(5)X(ejω)=1-e-jωΝΝ∑k=0Ν-1X(k)1-ej2πΝke-jω(5)即連續(xù)譜X(ejω)可由離散譜X(k)經(jīng)插值后得到。則式(3)可化為:Ex=1πEx=1π∫ω2ω1ω1ω2∣∣∣∣1?e?jωNN∑k=0N?1X(k)1?ej2πNke?jω∣∣∣∣2dω(6)|1-e-jωΝΝ∑k=0Ν-1X(k)1-ej2πΝke-jω|2dω(6)可整理為:Ex=M∑k=0N?1|X(k)|2(7)Ex=Μ∑k=0Ν-1|X(k)|2(7)其中M為與k無(wú)關(guān)的系數(shù)。信號(hào)x(n)從k1到k2內(nèi)的能量即為:Ex=M∑k=k1k2|X(k)|2(8)Ex=Μ∑k=k1k2|X(k)|2(8)因?yàn)镸的存在對(duì)于定性分析沒(méi)有影響,所以考慮到實(shí)際計(jì)算的方便,可以有:H=∑k=k1k2|X(k)|2(9)Η=∑k=k1k2|X(k)|2(9)信號(hào)x(n)的采樣率fs=44.1kHz,在對(duì)x(n)進(jìn)行變換時(shí),使用的是N=44.1×1024點(diǎn)的混合基FFT算法。因此得到它的頻率分辨率為Δf=fs/N=1Hz,所以FFT變換X(k)中的k即為頻率f。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),根據(jù)公式(9),分別計(jì)算出k1>0(即為整個(gè)頻段),k1=2.8kHz、k2=3.2kHz(頻率為(2.8～3.2)kHz的頻段),k2<800Hz(800Hz以下頻段)在整個(gè)采集過(guò)程的頻段能量累加圖(圖1～圖3)。圖2與實(shí)際工況符合較好。圖1所示的情況含有較多的干擾量,且隨球磨機(jī)負(fù)荷變化不明顯。產(chǎn)生這種情況的原因是球磨機(jī)運(yùn)行中有干擾噪聲,干擾噪聲主要包括球磨機(jī)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲,減速機(jī)齒輪和球磨機(jī)大小齒輪等嚙合處所產(chǎn)生的噪聲,風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲等,這些干擾噪聲使球磨機(jī)噪聲信號(hào)有一段與負(fù)荷變化無(wú)關(guān)的頻率段。從圖3可以看出,在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi),圖形在某一固定值附近振蕩,即800Hz以下的頻率值隨負(fù)荷沒(méi)有明顯變化,證明此段頻率為與負(fù)荷無(wú)關(guān)的一段頻率。因此,采集信號(hào)整理結(jié)論如下:(1)在800Hz(不同球磨機(jī)此頻率不同)以上,選取不同中心頻率及長(zhǎng)度的頻段,存在一個(gè)特征頻段可以準(zhǔn)確地反映球磨機(jī)負(fù)荷,以此方法來(lái)判斷反映球磨機(jī)負(fù)荷的特征頻段。(2)800Hz以下,即與負(fù)荷無(wú)關(guān)的頻率范圍內(nèi),能量累加量與負(fù)荷沒(méi)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系,接近為一固定值。(3)在可以準(zhǔn)確反映負(fù)荷的有效頻段內(nèi),能量累加量與球磨機(jī)負(fù)荷呈單調(diào)遞減關(guān)系。(4)球磨機(jī)工作有較大的滯后性,從圖2可以看出,加煤后大約經(jīng)過(guò)2min即第14min球磨機(jī)開(kāi)始振蕩,振蕩大約經(jīng)4min平穩(wěn)后能量值從第18min開(kāi)始下降;減煤是在第30min開(kāi)始,從圖上看出經(jīng)過(guò)2min后球磨機(jī)開(kāi)始振蕩,振動(dòng)平穩(wěn)后能量值大約從第37min開(kāi)始上升,大約到第45min時(shí)能量值上升到最高點(diǎn)。2球磨機(jī)負(fù)荷標(biāo)定及存儲(chǔ)保護(hù)電路根據(jù)以上結(jié)論所設(shè)計(jì)的基于DSP的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)儀主要由數(shù)據(jù)采集電路、中央處理芯片DSP、顯示電路、與上位機(jī)通信的RS485電路幾部分組成,結(jié)構(gòu)如圖4所示。儀器首先對(duì)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜變換,然后計(jì)算變換后的H=∑k=k1k2|X(k)|2Η=∑k=k1k2|X(k)|2,再根據(jù)上述方法來(lái)判斷反映球磨機(jī)負(fù)荷的特征頻段。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中,標(biāo)定H最大值即負(fù)荷最低點(diǎn)時(shí)為零,H最小值即負(fù)荷最高點(diǎn)時(shí)為1。待啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束,球磨機(jī)進(jìn)入正常工作區(qū)后,依據(jù)標(biāo)定來(lái)判斷負(fù)荷。鑒于本儀器需要復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算,所以使用DSP作中央處理芯片。前端采集的聲音信號(hào),經(jīng)過(guò)聲音傳感器轉(zhuǎn)換成(30～300)mV的電壓信號(hào),再經(jīng)過(guò)濾波及放大電路直接輸入到2407自帶的AD端口。AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間為50ns,設(shè)定AD為啟動(dòng)/停止工作模式,排序器設(shè)定為級(jí)連工作方式。監(jiān)控電路使用2407自帶的WDT(看門(mén)狗模塊)。2407可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器共有192k字空間,其中程序存儲(chǔ)器空間64k字,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器64k字,I/O尋址空間64k字。本儀器擴(kuò)展2個(gè)64k的RAM分別作數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器。2407包括帶4個(gè)引腳的串行外設(shè)接口模塊,在此模塊上擴(kuò)展了2M位的FLASH,用來(lái)存儲(chǔ)標(biāo)定好的數(shù)據(jù)。上位機(jī)通信采用RS485工業(yè)總線,使用MAX3483作收發(fā)器。3煤粉系統(tǒng)的進(jìn)步在智能型球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上,所研制的球磨機(jī)尋優(yōu)節(jié)能計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)分別在遼寧撫順發(fā)電有限責(zé)任公司等14個(gè)電廠共安裝了26臺(tái)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),其可增加出力約20%,降低球磨機(jī)電