本發(fā)明屬于聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

帶式輸送機(jī)具有運(yùn)行成本低、操作簡(jiǎn)單、效率高和運(yùn)距遠(yuǎn)等特點(diǎn)，是重要的散裝物料運(yùn)輸設(shè)備。但在運(yùn)行過程中，會(huì)發(fā)生各類事故并存在安全隱患。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程帶式輸送機(jī)故障檢測(cè)主要依賴于人工巡檢，工作量大且工作環(huán)境危險(xiǎn)。隨著通信與人工智能技術(shù)的不斷的提高，為智能巡檢創(chuàng)造了條件，利用巡檢設(shè)備搭載各種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)智能巡檢已成為業(yè)界研究熱點(diǎn)并正在逐步推廣應(yīng)用。

托輥是帶式輸送機(jī)用以承載膠帶及膠帶上所運(yùn)送的物料的重要部件，沿線間隔1.5米左右布置一組，一條數(shù)千米長(zhǎng)的帶式輸送機(jī)就有數(shù)千組托輥，數(shù)量眾多。托輥故障主要來源于托輥軸承損壞，早期主要表現(xiàn)為卡頓，即托輥隨膠帶前行旋轉(zhuǎn)不暢，長(zhǎng)期與膠帶加劇摩擦，同時(shí)發(fā)出異常聲音。如果一直得不到修復(fù)，可能導(dǎo)致局部溫升過高，運(yùn)送煤等依然物料時(shí)可能導(dǎo)致火災(zāi)，在煤礦井下則可能導(dǎo)致瓦斯爆炸。

由于托輥數(shù)量眾多，在每組托輥安裝溫度等傳感器會(huì)導(dǎo)致成本過高，因此，智能巡檢設(shè)備上搭載拾音器，采取非接觸方式實(shí)時(shí)檢測(cè)聲音數(shù)據(jù)，通過對(duì)聲音數(shù)據(jù)的分析，判斷托輥是否出現(xiàn)故障是智能巡檢設(shè)備的重要功能之一。

中國(guó)專利cn205204106u提出了一種帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行噪聲檢測(cè)與損壞預(yù)估系統(tǒng)，其采用實(shí)際噪聲頻譜曲線的幅值超過標(biāo)準(zhǔn)噪聲頻譜曲線幅值50％時(shí)發(fā)出輕故障預(yù)警，超過70％時(shí)發(fā)出重故障報(bào)警的方法進(jìn)行托輥故障診斷。其中沒有關(guān)于托輥損壞過程的動(dòng)態(tài)研究，僅僅籠統(tǒng)地設(shè)定實(shí)際頻譜曲線幅值高出正常托輥(標(biāo)準(zhǔn))頻譜曲線幅值50％和70％兩個(gè)閾值，沒有關(guān)注幅值加大時(shí)所處頻率范圍，可以理解為只要實(shí)際噪聲的響度或聲壓級(jí)增加，超過了設(shè)定閾值就預(yù)警或報(bào)警，這樣的判據(jù)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，尤其無法判定托輥早期故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)及方法，通過聲學(xué)診斷技術(shù)判別帶式輸送機(jī)托輥故障情況，實(shí)現(xiàn)托輥早期故障在線預(yù)警和故障報(bào)警。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)，包括巡檢機(jī)器人和機(jī)器人管理平臺(tái)，所述巡檢機(jī)器人沿帶式輸送機(jī)來回巡檢，所述巡檢機(jī)器人上設(shè)有聲學(xué)診斷模塊，處理器模組以及無線通信模塊；所述聲學(xué)診斷模塊用于檢測(cè)噪聲信號(hào)的頻率和幅值，并形成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器模組；所述處理器模組用于根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)計(jì)算出噪聲尖銳度數(shù)據(jù)，并與尖銳度閾值進(jìn)行比較，若超出閾值則發(fā)出報(bào)警信號(hào)；所述報(bào)警信號(hào)通過所述無線通信模塊發(fā)送到帶式輸送機(jī)沿線布置的基站，所述基站再轉(zhuǎn)發(fā)至所述機(jī)器人管理平臺(tái)；所述機(jī)器人管理平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息并記錄。

進(jìn)一步，所述聲學(xué)診斷模塊包括聲壓傳感器和聲音編碼器，所述聲壓傳感器將噪聲響度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入聲音編碼器，所述聲音編碼器連續(xù)提取噪聲信號(hào)的頻率和幅值(響度)形成以數(shù)字信號(hào)表示的聲波，并發(fā)送到處理器模組。

進(jìn)一步，所述機(jī)器人管理平臺(tái)發(fā)出的報(bào)警信息中包含時(shí)間信息，所述機(jī)器人管理平臺(tái)通過所述時(shí)間信息計(jì)算出巡檢機(jī)器人發(fā)出報(bào)警時(shí)所處的位置，從而定位故障托輥。

進(jìn)一步，所述處理器模組首先對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行fft分析，獲得臨界頻帶和響度譜，再按照下式每間隔2秒計(jì)算一次噪聲尖銳度數(shù)據(jù)：

式中n'(z)為臨界頻帶z上的響度譜，響度譜對(duì)臨界頻帶的積分就是響度，g(z)為附加系數(shù)，z為臨界頻帶，d(z)為臨界頻帶微分。

另一方面，一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷方法，包括以下步驟：

s1：巡檢機(jī)器人沿帶式輸送機(jī)來回移動(dòng)巡檢，采集托輥的噪聲信號(hào)；

s2：通過聲壓傳感器將噪聲響度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入聲音編碼器，聲音編碼器連續(xù)提取噪聲信號(hào)的頻率和幅值(響度)形成以數(shù)字信號(hào)表示的聲波，發(fā)送到處理器模組；

s3：處理器模組對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行fft分析，獲得臨界頻帶和響度譜，每間隔2秒計(jì)算一次噪聲尖銳度數(shù)據(jù)，若尖銳度超過設(shè)定閾值，則向帶式輸送機(jī)沿線布置的基站發(fā)出報(bào)警信號(hào)，再通過基站轉(zhuǎn)發(fā)至機(jī)器人管理平臺(tái)；

s4：機(jī)器人管理平臺(tái)接收到報(bào)警信號(hào)后向人機(jī)界面發(fā)出報(bào)警信息并記錄；

s5：機(jī)器人管理平臺(tái)通過報(bào)警信息中記錄的時(shí)間信息，計(jì)算出故障托輥的位置。

進(jìn)一步，處理器模組通過下式計(jì)算噪聲尖銳度數(shù)據(jù)：

式中n'(z)為臨界頻帶z上的響度譜，響度譜對(duì)臨界頻帶的積分就是響度，g(z)為附加系數(shù)，z為臨界頻帶，d(z)為臨界頻帶微分。

本發(fā)明的有益效果在于：研究表明，正常托輥噪聲頻率范圍主要在4000hz以下，其中500hz以下幅值較大。故障托輥發(fā)出的噪聲頻率范圍在0～7000hz，其中4000～6500hz范圍幅值顯著加大。

托輥故障絕大多數(shù)是托輥軸承故障。托輥軸承故障早期階段時(shí)托輥往往還能旋轉(zhuǎn)，只是轉(zhuǎn)速變低，部分存在滑動(dòng)摩擦，頻譜曲線與正常托輥的沒有明顯區(qū)別。隨著軸承故障程度加劇，托輥轉(zhuǎn)速越來越降低直至完全停止，托輥與膠帶之間摩擦力越來越由滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，在此過程中，頻譜曲線幅值顯著加大的頻率范圍越來越向高頻方向移動(dòng)，直至4000～6500hz范圍。

因此現(xiàn)有技術(shù)中采用頻譜曲線進(jìn)行診斷的誤差很大，而故障托輥在運(yùn)行中會(huì)發(fā)出更尖銳的噪聲，其尖銳程度與故障的嚴(yán)重程度相關(guān)，本發(fā)明通過托輥聲音尖銳度進(jìn)行檢測(cè)，能準(zhǔn)確反映托輥故障狀態(tài)和故障嚴(yán)重程度。

本發(fā)明還有以下有益效果：

1)利用聲品質(zhì)指標(biāo)中的尖銳度指標(biāo)診斷托輥故障，不僅可以診斷出已不能旋轉(zhuǎn)的托輥，而且可以診斷出已經(jīng)發(fā)生軸承故障但尚能旋轉(zhuǎn)的故障托輥。

2)托輥故障早期階段即被檢出并修復(fù)，可減少膠帶與故障托輥的滑動(dòng)摩擦，從而提高膠帶使用壽命，增強(qiáng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的安全性。

3)在智能巡檢設(shè)備上搭載聲壓傳感器進(jìn)行非接觸式測(cè)量，是成本低廉而可靠性很高的檢測(cè)方案。

本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作優(yōu)選的詳細(xì)描述，其中：

圖1為本發(fā)明所述帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需要說明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實(shí)物圖，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制；為了更好地說明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。

本發(fā)明實(shí)施例的附圖中相同或相似的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)相同或相似的部件；在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，若有術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此附圖中描述位置關(guān)系的用語僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

研究表明，正常托輥噪聲頻率范圍主要在4000hz以下，其中500hz以下幅值較大。故障托輥發(fā)出的噪聲頻率范圍在0～7000hz，其中4000～6500hz范圍幅值顯著加大。

托輥故障絕大多數(shù)是托輥軸承故障。托輥軸承故障早期階段時(shí)托輥往往還能旋轉(zhuǎn)，只是轉(zhuǎn)速變低，部分存在滑動(dòng)摩擦，頻譜曲線與正常托輥的沒有明顯區(qū)別。隨著軸承故障程度加劇，托輥轉(zhuǎn)速越來越降低直至完全停止，托輥與膠帶之間摩擦力越來越由滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，在此過程中，頻譜曲線幅值顯著加大的頻率范圍越來越向高頻方向移動(dòng),直至4000～6500hz范圍。

以上描述的通俗解釋就是，故障托輥在運(yùn)行中會(huì)發(fā)出更尖銳的噪聲，其尖銳程度與故障的嚴(yán)重程度相關(guān)。基于該研究成果，本方案提出采用聲品質(zhì)指標(biāo)中的尖銳度指標(biāo)對(duì)故障托輥進(jìn)行診斷。

尖銳度(sharpness)指標(biāo)描述了聲音品質(zhì)評(píng)價(jià)中的音色特征，符號(hào)為s，單位為acum。對(duì)于頻率較高的聲音，感受到的尖銳度較大。尖銳度計(jì)算目前沒有標(biāo)準(zhǔn)方法，采用的計(jì)算公式：

式中n'(z)為臨界頻帶z上的響度譜，響度譜對(duì)臨界頻帶的積分就是響度，g(z)為附加系數(shù)，z為臨界頻帶，d(z)為臨界頻帶微分。

由上式可見，尖銳度是基于特征響度曲線計(jì)算，反映了聲音中高頻成分所占比例，它既受響度的影響，更受頻率的影響，能準(zhǔn)確反映托輥故障狀態(tài)和故障嚴(yán)重程度。

帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)如圖1所示，搭載于巡檢機(jī)器人上，巡檢機(jī)器人沿膠帶輸送機(jī)來回移動(dòng)巡檢。inv9206b為電容式聲壓傳感器，由于聲波形成的氣壓會(huì)改變電容容值，通過檢測(cè)電容容值檢測(cè)噪聲響度。聲壓傳感器將噪聲響度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入聲音編碼器，聲音編碼器acl892連續(xù)提取噪聲信號(hào)的頻率和幅值(響度)形成以數(shù)字信號(hào)表示的聲波，以串行通訊方式送入som7569cpu模組，由運(yùn)行在cpu模組上的應(yīng)用程序?qū)υ肼曅盘?hào)進(jìn)行fft分析等運(yùn)算，獲得臨界頻帶和響度譜，按照式(1)每間隔2秒計(jì)算一次噪聲尖銳度數(shù)據(jù)，若尖銳度超過設(shè)定閾值，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

報(bào)警信號(hào)攜帶時(shí)間信息以10/100m以太網(wǎng)信號(hào)發(fā)送給wifi路由器，wifi路由器以無線通訊方式發(fā)送到帶式輸送機(jī)沿線布置的通訊基站，基站再以有線通訊方式將報(bào)警信息發(fā)送給機(jī)器人管理平臺(tái)，機(jī)器人管理平臺(tái)通過人機(jī)界面發(fā)出報(bào)警信息并記錄。

由于報(bào)警信息中包含時(shí)間信息，機(jī)器人管理平臺(tái)可據(jù)此計(jì)算巡檢機(jī)器人發(fā)出報(bào)警時(shí)所處位置，因此，維修人員可根據(jù)報(bào)警信息在帶式輸送機(jī)停機(jī)后快速找出故障托輥進(jìn)行維修更換。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。

技術(shù)特征：

1.一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于：包括巡檢機(jī)器人和機(jī)器人管理平臺(tái)，所述巡檢機(jī)器人沿帶式輸送機(jī)來回巡檢，所述巡檢機(jī)器人上設(shè)有聲學(xué)診斷模塊，處理器模組以及無線通信模塊；所述聲學(xué)診斷模塊用于檢測(cè)噪聲信號(hào)的頻率和幅值，并形成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器模組；所述處理器模組用于根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)計(jì)算出噪聲尖銳度數(shù)據(jù)，并與尖銳度閾值進(jìn)行比較，若超出閾值則發(fā)出報(bào)警信號(hào)；所述報(bào)警信號(hào)通過所述無線通信模塊發(fā)送到帶式輸送機(jī)沿線布置的基站，所述基站再轉(zhuǎn)發(fā)至所述機(jī)器人管理平臺(tái)；所述機(jī)器人管理平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息并記錄。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于：所述聲學(xué)診斷模塊包括聲壓傳感器和聲音編碼器，所述聲壓傳感器將噪聲響度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入聲音編碼器，所述聲音編碼器連續(xù)提取噪聲信號(hào)的頻率和幅值(響度)形成以數(shù)字信號(hào)表示的聲波，并發(fā)送到處理器模組。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于：所述機(jī)器人管理平臺(tái)發(fā)出的報(bào)警信息中包含時(shí)間信息，所述機(jī)器人管理平臺(tái)通過所述時(shí)間信息計(jì)算出巡檢機(jī)器人發(fā)出報(bào)警時(shí)所處的位置，從而定位故障托輥。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)，其特征在于：所述處理器模組首先對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行fft分析，獲得臨界頻帶和響度譜，再按照下式每間隔2秒計(jì)算一次噪聲尖銳度數(shù)據(jù)：

式中n'(z)為臨界頻帶z上的響度譜，響度譜對(duì)臨界頻帶的積分就是響度，g(z)為附加系數(shù)，z為臨界頻帶，d(z)為臨界頻帶微分。

5.一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷方法，其特征在于：包括以下步驟：

s1：巡檢機(jī)器人沿帶式輸送機(jī)來回移動(dòng)巡檢，采集托輥的噪聲信號(hào)；

s2：通過聲壓傳感器將噪聲響度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入聲音編碼器，聲音編碼器連續(xù)提取噪聲信號(hào)的頻率和幅值(響度)形成以數(shù)字信號(hào)表示的聲波，發(fā)送到處理器模組；

s3：處理器模組對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行fft分析，獲得臨界頻帶和響度譜，每間隔2秒計(jì)算一次噪聲尖銳度數(shù)據(jù)，若尖銳度超過設(shè)定閾值，則向帶式輸送機(jī)沿線布置的基站發(fā)出報(bào)警信號(hào)，再通過基站轉(zhuǎn)發(fā)至機(jī)器人管理平臺(tái)；

s4：機(jī)器人管理平臺(tái)接收到報(bào)警信號(hào)后向人機(jī)界面發(fā)出報(bào)警信息并記錄；

s5：機(jī)器人管理平臺(tái)通過報(bào)警信息中記錄的時(shí)間信息，計(jì)算出故障托輥的位置。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷方法，其特征在于：處理器模組通過下式計(jì)算噪聲尖銳度數(shù)據(jù)：

式中n'(z)為臨界頻帶z上的響度譜，響度譜對(duì)臨界頻帶的積分就是響度，g(z)為附加系數(shù)，z為臨界頻帶，d(z)為臨界頻帶微分。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及一種帶式輸送機(jī)托輥異常聲學(xué)診斷系統(tǒng)，屬于聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，包括巡檢機(jī)器人和機(jī)器人管理平臺(tái)，所述巡檢機(jī)器人沿帶式輸送機(jī)來回巡檢，所述巡檢機(jī)器人上設(shè)有聲學(xué)診斷模塊，處理器模組以及無線通信模塊；所述聲學(xué)診斷模塊用于檢測(cè)噪聲信號(hào)的頻率和幅值，并形成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器模組；所述處理器模組用于根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)計(jì)算出噪聲尖銳度數(shù)據(jù)，并與尖銳度閾值進(jìn)行比較，若超出閾值則發(fā)出報(bào)警信號(hào)；所述報(bào)警信號(hào)通過所述無線通信模塊發(fā)送到帶式輸送機(jī)沿線布置的基站，所述基站再轉(zhuǎn)發(fā)至所述機(jī)器人管理平臺(tái)；所述機(jī)器人管理平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信息并記錄。

技術(shù)研發(fā)人員：佘影;于慶;羅明華;方崇全;秦偉;張海峰;吳銀成;黃春;秦玉忠;朱興林;向兆軍;張先鋒;李一文;周斌;薛彥波;張?chǎng)螣?孫柳軍;胡峰;于波;譚成;謝鴻;高曉東

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.03.25

技術(shù)公布日：2021.07.06