袁一鳴

摘 要：為了降低掘進機截齒過度磨損引起的不利影響，設計了掘進機截齒磨損狀態(tài)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，選取截齒的振動信號和主電機功率信號作為研究對象，采用小波變換技術和統(tǒng)計分析方法，對采集的振動信號和功率信號進行提取，采用模糊數據融合方法對振動、功率特征信號進行融合，降低單一特征信號提供磨損狀態(tài)信息的局限性，獲得更加全面、準確的截齒磨損狀態(tài)。結果表明，基于模糊數據融合的掘進機截齒磨損狀態(tài)識別比單一傳感器系統(tǒng)對截齒磨損狀態(tài)識別更為可靠。

關鍵詞：截齒磨損 監(jiān)測系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 模糊數據融合

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0036-02

掘進機是用于開鑿煤礦井下巷道的重要裝備，工作時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，產生劇烈的沖擊和截齒表面的快速溫升，造成截齒的嚴重磨損。而截齒的磨損程度，直接影響掘進機的工作效率、使用壽命和整機的能耗。因此，對掘進機截齒磨損狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，對煤礦開采的順利進行、提高掘進機工作效率以及節(jié)能降耗具有重要的意義。

截齒磨損狀態(tài)監(jiān)控一般是通過測量、比較一些信號來間接判斷，常用的有截割力、截割熱、聲發(fā)射、振動、截割電機電流和功率等。針對掘進機工作過程的特點，該文選用截割時的振動信號和截割電機的功率信號進行監(jiān)測，并利用模糊數據融合技術對截齒磨損狀態(tài)進行識別，克服截齒本身磨損狀態(tài)的模糊性問題以及由單一傳感器監(jiān)測可靠性低的問題。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設計

截齒磨損狀態(tài)監(jiān)控采用單片機硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)組成有單片機及其外圍電路、振動信號和功率信號檢測處理模塊等幾部分組成。圖1是監(jiān)控系統(tǒng)的結構框圖。監(jiān)控系統(tǒng)工作時，首先初始化各輸入端口、輸出端口，將各參數賦初值給系統(tǒng)，然后系統(tǒng)實時采集掘進機截齒的振動信號、主電機的功率信號，通過數據分析，識別截齒的磨損程度，進行截齒磨損狀態(tài)的在線監(jiān)控。并將監(jiān)測結果通過液晶顯示部分輸出，如截齒磨損過度，則立即發(fā)出報警信號。

2 信號的提取

用振動傳感器和功率傳感器分布監(jiān)測截齒的振動信號和主驅動電機的輸入功率信號，監(jiān)測系統(tǒng)獲取相應信號后，由于存在干擾，還需進行信號的提取。為了提取截齒的磨損特征信號，利用小波分析Mallat算法，對獲取的振動信號進行多分辨率分析，并在多個尺度上進行分解及單枝重構，獲得相應的低頻和高頻信號，將能夠反映截齒磨損狀態(tài)的信號作為辨識截齒磨損狀態(tài)的一組數據，輸入數據融合系統(tǒng)。

系統(tǒng)采集的功率信號數據非常多，數據曲線形狀模糊，無法直接判斷主驅動電機功率大小的變化，更無法提取數據進行分析。該系統(tǒng)采用統(tǒng)計分析的方法，通過積分對原始功率信號進行處理，使得處理后的信號能夠反映出掘進機工作過程中主參數的變化規(guī)律，將該數據作為監(jiān)控系統(tǒng)的另一組輸入數據。

3 截齒磨損狀態(tài)識別

截齒磨損很難定量描述，經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隸屬關系靈活化，使元素對集合的隸屬度從原來只能取0和1值擴充到可以取[0，1]區(qū)間中的任一數值。因此，模糊集理論非常適合對截齒的磨損狀態(tài)進行描述。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)測的模糊數據融合結構如圖2所示。

對系統(tǒng)中的各個傳感器，采用隸屬度值來表示被測截齒屬于哪一種磨損狀態(tài)的可能性，該系統(tǒng)采用2個振動傳感器和1個功率傳感器，則可得到3組共9個模糊隸屬度值。應用多傳感器模糊融合理論進行處理，得到3個傳感器融合以后被測截齒屬于3種狀態(tài)的隸屬度值，再根據一定的決策規(guī)則對被測截齒磨損狀態(tài)進行判定。經過模糊變換，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）為各個傳感器對截齒磨損狀態(tài)決策所做的貢獻，即傳感器權重。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件由數據采集和數據處理兩部分組成，能夠對掘進機工作過程中振動信號和功率信號進行實時采集、傳輸、分析、識別、結果顯示、報警等多種功能。系統(tǒng)軟件采用前臺和后臺相結合的方式，后臺實現實時通訊、接收實時數據等功能，前臺有控制、調度、參數設置等與用戶直接交流界面。主程序流程圖如圖3所示。

5 結語

設計了掘進機截齒磨損狀態(tài)識別系統(tǒng)，并選取振動信號和功率信號作為反映截齒磨損狀態(tài)的研究對象，進行了信號檢測。采用小波變換和統(tǒng)計分析方法，對振動信號和功率信號進行提取處理，對獲得數據進行模糊數據融合處理，避免了單一特征信號提供磨損狀態(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和錯報，獲得了更加全面、準確的截齒磨損狀態(tài)。

參考文獻

[1] 張強，祁秀，王海艦.基于模糊信息融合的掘進機截齒磨損監(jiān)測系統(tǒng)[J].廣西大學學報：自然科學版，2015，40（5）：1177-1181.

[2] 關山，石志標，劉炎.基于多特征融合的刀具磨損識別方法[J].振動測試與診斷，2014，34（3）：576-584.

[3] 黨宏社，韓崇昭，王立琦，等.基于模糊推理原理的多傳感器數據融合方法[J].儀器儀表學報，2004，25（4）：527-530.