基于CEEMD的回轉(zhuǎn)窯監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙宏偉，張 云

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 建材行業(yè)回轉(zhuǎn)窯檢測技術(shù)中心，湖北 武漢 430070)

回轉(zhuǎn)窯是水泥行業(yè)的核心設(shè)備，它能否正常運轉(zhuǎn)關(guān)系到水泥公司的經(jīng)濟效益。由于窯長期處于高溫、重載的惡劣工況中，且筒體內(nèi)部溫度分布不均，回轉(zhuǎn)窯難免會發(fā)生故障。通常，回轉(zhuǎn)窯主要故障可分為筒體彎曲變形故障和中心線偏移故障[1]。張云等[2]提出了一種筒體彎曲變形測量方法，利用最小二乘法來擬合筒體偏心大小。此外，張云等自主研發(fā)了一套精度為0.001 mm的筒體橢圓度測量儀，可有效反映出左右兩側(cè)托輪受力相對大小[3]。但這些技術(shù)目前還只停留在事后檢測階段，無法及時發(fā)現(xiàn)窯的早期故障。如何對回轉(zhuǎn)窯狀態(tài)實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)早期故障信息，國內(nèi)鮮有研究?，F(xiàn)有研究表明：回轉(zhuǎn)窯能否正常運轉(zhuǎn)很大程度上取決于托輪的運行狀況[4]?；剞D(zhuǎn)窯工況復(fù)雜，前述的兩種故障都會對托輪撓度變化造成影響。因此筆者提出了一種通過對托輪位移信號實時監(jiān)測來反映回轉(zhuǎn)窯故障的方法。

1 回轉(zhuǎn)窯故障對托輪撓度影響分析

回轉(zhuǎn)窯的整個重量幾乎全部由托輪承受，當回轉(zhuǎn)窯出現(xiàn)故障時，托輪受力會發(fā)生變化。由于每檔處托輪都是對稱安裝的，理論上左右兩個托輪受力大小基本相同?，F(xiàn)將筒體與輪帶視為一個整體，以單側(cè)托輪作為研究對象，進行受力分析，如圖1所示。

圖1 托輪受力示意圖

F=GR+F1+F2

(1)

式中：F為托輪受到筒體的正壓力；GR為托輪重力沿X軸方向上的分力；F1為托輪受到筒體的靜態(tài)載荷；F2為托輪受到筒體的動態(tài)載荷。其中，托輪所受到的筒體靜載荷是不變的，大小為：

F1=Msgcosβ

(2)

式中：Ms為筒體在該檔處的等效質(zhì)量；β為重力方向與X軸夾角，大小一般為30°。設(shè)筒體彎曲變形量為e，則其產(chǎn)生的離心力大小為：

(3)

將離心力分解，則在X軸方向上的分力即為托輪受到的動態(tài)載荷，大小為：

(4)

將托輪軸簡化為簡支梁模型，兩端固定，中間集中受力為F，根據(jù)撓度計算公式可得，托輪受動態(tài)載荷所產(chǎn)生的變形撓度值為:

(5)

式中:l為托輪軸的長度；EI為托輪的等效抗彎強度。設(shè)托輪受到靜態(tài)壓力形成的永久彎曲變形量為δ，則其撓度值為：

s2=δcos(ω2t+φ)

(6)

其中，δ的大小與筒體靜態(tài)載荷F1正相關(guān);φ為托輪永久彎曲變形方向與x軸負方向的夾角。則托輪總的撓度值為：

s=s1+s2

(7)

s=kcosω1t+δcos(ω2t+φ)

(8)

其中

(9)

由此可見，托輪位移信號中包含了筒體頻率成分和托輪頻率成分，將其定義為KS(kiln shell)諧波和KR(kiln roller)諧波。筒體彎曲變形程度加深時，托輪位移信號中KS諧波幅值會增大；中心線偏移程度加深時，偏移側(cè)托輪載荷增大，此時，托輪位移信號中KR諧波幅值會增大。因此，KS、KR幅值可以用來反映回轉(zhuǎn)窯故障狀態(tài)。

2 故障特征提取方法研究與實驗驗證

2.1 仿真分析

托輪位移信號包含了KS、KR諧波，而如何有效分離出特征諧波成為關(guān)鍵。EMD(empirical mode decomposition)分解過程不需要選擇基函數(shù)，根據(jù)信號自身特點自適應(yīng)地進行分解，將信號按高頻到低頻分解為若干個IMF(intrinsic mode fuction)分量[5]。對于托輪位移這種非線性、非平穩(wěn)信號來說，EMD方法是比較適用的。但EMD方法也存在端點效應(yīng)和模態(tài)混疊等缺點。為此，EEMD(ensemble empirical mode decomposition)方法利用高斯白噪聲具有均勻分布的統(tǒng)計特性，可以改變信號中極值點的分布，有效地改善了模態(tài)混疊的現(xiàn)象[6]。但EEMD需要增加平均次數(shù)來減小重構(gòu)信號誤差，加大了計算量。

CEEMD(complementary ensemble empirical mode decomposition)方法在EEMD方法的基礎(chǔ)上，通過添加一對相反的白噪聲信號來減少重構(gòu)誤差[7]。其具體算法如下：

(1)給定循環(huán)處理次數(shù)N和幅值強度系數(shù)α，并計算原始信號標準差σ=std(x)。

(10)

(11)

(4)重復(fù)步驟(2)、(3)N次，消除高斯噪聲，作均值化處理。即原始信號分解得到的IMF分量ck(t)可表示為：

(12)

針對EMD、EEMD和CEEMD 3種方法，通過模擬托輪位移信號來對比它們對托輪位移信號分解的可行性。假設(shè)回轉(zhuǎn)窯筒體旋轉(zhuǎn)周期為16.5 s(0.06 Hz)，采用仿真信號s2(t)表示，托輪旋轉(zhuǎn)周期為5 s(0.2 Hz)，采用仿真信號s3(t)表示，考慮到回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場工況，添加了間歇振蕩噪音信號s1(t)，則仿真信號s(t)可表示如下：

s(t)=s1(t)+s2(t)+s3(t)

(13)

其中，s2(t)=0.8×sin(2×pi×t×0.06)，s3(t)=sin(2×pi×t×0.2)。

仿真信號s(t)及各成分波形如圖2所示。EMD、EEMD、CEEMD 3種方法對托輪位移仿真信號的分解結(jié)果如圖3所示。

圖2 托輪位移仿真信號

圖3 仿真信號3種方法分解結(jié)果

由圖3(a)可知，該仿真信號的EMD分解效果很差，模態(tài)混疊現(xiàn)象比較嚴重，而對比圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，EEMD分解效果較好，圖3(b)中的IMF1、IMF3、IMF4分量分別與原仿真信號中的s1(t)、s3(t)、s2(t)相對應(yīng)，曲線基本相符，說明在托輪位移仿真信號的分析中，EEMD方法比EMD方法更好。對比圖3(b)與圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)，EEMD與CEEMD分解結(jié)果大致相當。對間歇信號的分離，CEEMD分解得到的IMF1分量和原始波形更加相符,而對s2(t)、s3(t)的分離效果用肉眼是很難比較的，為此，分別計算了IMF3、IMF4分量與原始信號的相關(guān)性，計算結(jié)果如表1所示。可見，CEEMD分解得到的有效特征分量的相關(guān)系數(shù)均大于EEMD分解的結(jié)果。

表1 相關(guān)系數(shù)對比結(jié)果

2.2 工程應(yīng)用

為驗證上述方法是否可行，對國內(nèi)某水泥廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集和處理分析。采集的位移信號進行CEEMD分解，分解結(jié)果如圖4所示。

圖4 實際信號特征諧波提取結(jié)果

1、3檔托輪旋轉(zhuǎn)周期為5 s，圖4中KR特征諧波頻率為0.201 4 Hz，這與托輪工頻(0.02 Hz)相吻合；筒體旋轉(zhuǎn)周期為16 s，圖4中KS特征諧波頻率為0.061 04 Hz，這與筒體工頻(0.060 6 Hz)相一致，由于2檔處托輪直徑比1、3檔大，故其工頻較小，與圖4中2檔KR諧波頻率相吻合。這表明，托輪位移信號確實包含了筒體頻率成分和托輪頻率成分，驗證了前述理論的正確性。為方便分析，將圖4的分解結(jié)果整理成如圖5和圖6所示的KS幅值和KR幅值。由圖5可知，筒體偏心大小順序為2檔>1檔>3檔；由圖6可知，1檔左托輪受力明顯大于右托輪，2檔左右托輪受力相當，3檔右托輪受力大于左托輪。

圖5 各托輪信號分解后KS幅值

圖6 各托輪信號分解后KR幅值

2.3 其他先進方法對比驗證

為驗證上一節(jié)實例分析結(jié)果的正確性，采用其他先進測量方法進行對比驗證。通過大激光采集筒體表面數(shù)據(jù)，對其截面進行擬合，得到筒體彎曲變形結(jié)果如圖7所示，偏心大小順序為:2檔>1檔>3檔，這與上一節(jié)KS幅值分析結(jié)果相吻合。通過回轉(zhuǎn)窯橢圓儀采集筒體橢圓度數(shù)據(jù)，測量結(jié)果如圖8所示，圖8中的兩個波谷的幅值比例可以反映左右托輪受力的相對大小，即比值L/R，這與上一節(jié)KR幅值分析結(jié)果相吻合。驗證了CEEMD方法提取特征諧波反映回轉(zhuǎn)窯故障類型的可行性及正確性。

圖7 筒體彎曲變形測量結(jié)果

圖8 橢圓度測量結(jié)果

3 回轉(zhuǎn)窯托輪撓度監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于前面的理論分析與實驗驗證，設(shè)計了回轉(zhuǎn)窯托輪撓度監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)主要由負責數(shù)據(jù)采集的硬件層和負責數(shù)據(jù)分析處理的軟件層構(gòu)成。在硬件層中，采用6路電渦流位移傳感器實時采集托輪的位移信號，通過NI-6225數(shù)據(jù)采集卡完成電信號的采樣，再將電信號傳送至PC上位機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理[8]。硬件層整體架構(gòu)如圖9所示。

圖9 監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

由于本監(jiān)測系統(tǒng)使用的是NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，故在軟件層中選用NI公司的LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，便于數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)[9]。為實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)整體功能，該系統(tǒng)需要包括托輪位移信號的采集、實時顯示、特征諧波提取、特征幅值趨勢顯示、數(shù)據(jù)庫存儲、歷史數(shù)據(jù)回看和故障預(yù)警等功能。為保證上述功能模塊協(xié)調(diào)穩(wěn)定地運行，采用了多線程技術(shù)，主要包括人機用戶界面線程、數(shù)據(jù)采集線程、特征提取線程、數(shù)據(jù)顯示線程、數(shù)據(jù)庫存儲線程等。在數(shù)據(jù)采集線程中，為了不影響數(shù)據(jù)采集效率采用了基于隊列的生產(chǎn)消費者結(jié)構(gòu)[10]。在特征提取線程中，采用CEEMD算法對托輪位移信號進行分解，提取出KS和KR諧波，然后通過傅里葉變換得到其幅值，再通過數(shù)據(jù)顯示線程將幅值變化趨勢反饋給用戶，從而可以知曉回轉(zhuǎn)窯的運行狀態(tài)。若想具體了解回轉(zhuǎn)窯的狀態(tài)變化過程，可以通過歷史數(shù)據(jù)回看功能查看其狀態(tài)的長期變化過程。充分發(fā)揮了LabVIEW平臺的多線程優(yōu)勢，使各個模塊協(xié)調(diào)穩(wěn)定地運行[11]。監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 回轉(zhuǎn)窯監(jiān)測系統(tǒng)界面

3.2 測試分析

為驗證該監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，將現(xiàn)場采集的托輪位移信號進行分析處理，得到不同故障模式下的信號。將這些不同故障模式下的托輪信號經(jīng)過預(yù)處理來模擬回轉(zhuǎn)窯故障，在實驗室進行仿真測試，以此驗證該系統(tǒng)的性能。

(1)筒體彎曲變形故障。圖11顯示了回轉(zhuǎn)窯發(fā)生彎曲變形故障時，托輪位移信號經(jīng)CEEMD方法進行特征諧波提取后KS、KR幅值的變化趨勢。從圖11中可以看出，KR幅值幾乎沒有任何變化，而KS幅值有明顯的增大趨勢，表明此刻發(fā)生筒體彎曲變形故障，與預(yù)期相符。

圖11 筒體彎曲故障時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果驗證

(2)托輪中心線偏移故障。圖12顯示了回轉(zhuǎn)窯發(fā)生中心線偏移時，托輪位移信號經(jīng)CEEMD方法進行特征諧波提取后KS、KR幅值的變化趨勢。中心線偏移會造成托輪載荷分布不均，偏移一側(cè)的托輪承受的壓力會明顯增大。從圖12中可以看出，KS幅值基本不變，而KR幅值有增大趨勢，表明托輪所受載荷增大，與預(yù)期相符。

圖12 中心線偏移故障時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果驗證

4 結(jié)論

通過對托輪位移仿真信號和實際工程信號分析，CEEMD方法可以有效提取出特征諧波分量，提出了基于CEEMD的回轉(zhuǎn)窯故障識別方法，并與傳統(tǒng)測量方法進行對比，結(jié)果驗證了該方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了回轉(zhuǎn)窯狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，測試結(jié)果表明了該監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和工程上的可行性，為回轉(zhuǎn)窯故障實時監(jiān)測提供了一種新思路。