爆破振动信号分析技术研究

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现代爆破技术越来越广泛地应用于矿山、水利、交通、隧道开挖等工程。在完成岩石爆破破碎的同时，必会伴生爆破飞石、地震波、噪音、粉尘等爆破公害。爆破地震波对周围建筑物的影响即爆破地震效应产生的破坏作用可谓爆破公害之首，爆破振动危害控制-直是国内外爆破安全技术的重要研究课题。爆破振动信号的分析技术又是研究爆破振动控制的基赐前提。对实测的爆破地震波采用各种数字信号处理技术进行分析和处理，提取信号的时频特征，-直是爆破振动信号分析的主要研究方向之-。

爆破地震波作为-种由爆炸应力波转换而来的、在岩土介质中传播的能量逐渐衰减的扰动，所产生的振动信号具有短时、突变快等特点，是-种典型的非平稳随即信号口。基于平稳信号理论的傅里叶变换在爆破振动信号分析中存在极大的局限性，目前已出现了很多信号分析方法。本文将简单介绍现代爆破振动信号分析中常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换以及 HHT变换在爆破振动信号处理中的应用，并从时频局部化和分辨率等方面较为详细地阐述各种方法的优缺点。

2傅里叶变换(FT)Fr是信号分析的基赐处理中的经典技术，是处理平稳信号最常用也是最主要的方法。函数f(0∈ R)的连续FT的定义为F( )f f(t)e-J"dt (21)FTr是时域和频域之间相互转化的工具，其实质把原信号 t)分解成许多不同频率的正弦波的叠加，即得到 t)的频谱图。

FT具有良好的频域分辨率，基函数易于分解，且计算方便，同时由于库利和图基开创了快速算法，使其在爆破振动信号分析中的得到了广泛地应用。宋熙太嗵 过Fr对大型洞室爆破实验进行分析，指出爆破远区爆破振动波的各种成分可在时空上彼此分离；并认为远区波谱地震波的传播是-线性过程。E D Siskind论述了频谱成分和响应谱在采矿爆破振动中的应用。张奇等通过Fr指出爆破地震波频谱特l生与测点距离、传播路径、装药量等有-定的相关陛。

但FT有以下不足：FT中的傅里叶系数都是常数，不随时间变化，因而只能处理频谱成分不变的平稳信号，不能适用于非平稳信号；它是全时间域上的加权平均，反映的是整个信号全部时间下的整体频域特征，不能提供任何局部时间段上的频率信息，即存在时频域的局部化的局限陛。

基于以上不足，可以对fvr进行改进：(1)将变换系数视为随时间变化的，级数求和由-重变为两重；(2)使用能反映局部信号的变换。这就是以后的短时傅里叶变换和小波变换等的思想来源。

3短时傅里叶变换(STFT)为克服FT的不足，Gabor于 1946年引入了sTFT。

STFT：(w， )I厂，(f)g (b)e- ( )，g (f) (3.1)sTFTr的基本思想是假定 t)在g(t)的-段时间间隔内是平稳的，用 g(t)去截取 f(t)，并将截下来的局部信号做 丌，即可得到 b时刻的FTr。不断移动窗函数 t)的中心位置b，即可得到不同时刻的FT。这些FT的集合就是STFTf(to，b)。

马瑞恒和钱汉明等利用sT 讨论了时频分布在爆破振动信号处理中的应用。

sTFTr中只要基本窗函数g(t)确定，则时频分辨率也就固定了，即s，rFTr实质上是具有单-分辨率的分析。而要改变分辨率，只能重新选择窗函数。但根据Heisenberg测不准原理，时间分辨率和频率分辨率不能同时任意校因此sTFT中要取得较高的时间分辨率就要牺牲频率分辨率，反之亦然。而对于爆破振动信号这样的非平稳信号，在信号变换- 56-剧烈时，必然含有迅速变化的高频分量，这就要求较高的时间分辨率，而在变化平缓时刻，则要求较高的频牛丌/k gjt l啐。sTFr不能兼顾两者。这使得其在分析爆破振动信号时受到很大的限制。

4小波变换(WT)为克服sT丌'分辨率上的单-性，法国地质物理学家J.Morlet于20世纪80年代初提出了wT的概念。

对于任意的函数 的wr为：)去 ，(f (等 (4.1)其中， (f)口：妒( )为小波基函数，a为尺度因子，T为平移因子 wT同STn1相类似，其出发点是-个基本小波(即母小波)，通过伸缩和平移变换处理，派生出-系列的小波基函数，将小波基函数作用于待分析信号，就形成了wr。

wr能提供-种自适应变化”的时频窗结构，即窗口面积不变但时窗和频窗都可变的时频局部化分析方法。wr具有多分辨率特性，通过适当地选择基本小波，可以使wT在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，且能在时域和频域内同时得到较高的分辨率。

利用wT对爆破振动信号进行分析已引起了众多研究学者的关注。何军首先将小波分析理论应用到了爆破振动信号分析中。赵明阶应用wr-FT对爆破振动信号进行时频域分析，从爆破振动信号中分离出真实的振动信号，并对其频率特征进行精心分析。凌同华、李夕兵运用wT模极大值和时能密度法识别微差爆破中的实际延迟时间。

5小波包变换(WPT)wPT是在 的基础上进-步提出来的，其基本思想是把 中没有分解的高频部分也同样分解为高、低频部分。

设 rt是-个倍频程细化的参数，则小波包可以简略地汜为：( )2 (2- ) (5. 1)其中 (f) 2 (2f)。称 ， ， (t)为具有尺度指标i、位移指标k和频率指标n的小波包～它与 wr中的 ，kt)对比发现，w中增加了-个频率参数n，正是n的作用，使wPr克服了Wr在时间分辨率高时频率分辨率低的缺陷。

wPT在爆破振动信号分析上应用极为广泛，宋光明采用w 对不同矿山中的深孔爆破数据进行分析，得出了不同的爆破条件、传播介质、爆心距等对爆破振动信号的时频特征的影响。娄建武运用w 对爆破地震波测试信号特征量提取，分析了爆破地震波不同频带下小波包系数的衰减规律，建立了基于不同频带小波包系数的爆破地震波预报模型。中国生利用w 分析实测爆破振动数据，建立了能考虑爆破振动强度、频率和齿数时间及受控建筑物本身的动态响应特性等因素综合的安全判据。

wT及w 是目前分析爆破振动信号的最有效方法之-。但 wT和W 本质上是-种窗El可调的 rr，其窗内的信号必须是平稳的；小波基的有限长会造成信号能量的泄漏，使信号的能量-频率-时间分布很难定量给出；小波基函数的选择具有多样性，不同的小波基分析同-问题会产生不同的结果。

6希尔伯特-黄变换(HHT)HHT是1998年由美国宇航局美籍华人 Huang等提出的。HHT由EMD(经验模态分解)法和Hilbert变换两部分组成，核心是 EMD。HHT变换从本质上讲是对-个信号进行平稳化处理，即将时间信号经过EMD分解，使真实存在的不同尺度的波动或趋势逐级分解出来，产生-系列具有不同特征尺度的系J(IMF，本征模态系数)，然后对每个 IMF进行Hilbea变换，从而进-步得到该信号的Hilbea谱、时频能量谱等。

HHT是近些年提出的适合处理平稳信号和非平稳信号的有效方法，是对以Fr为基础的信号处理方法的-大突破。HHT较之以前的信科 技 创 新 2013年第2期 J科技创新与应用绕线式电机滑环的发热与冷却郑玉鑫(沈阳电机集团实业电机有限公司，辽宁 沈阳 110027)摘 要：目前，在绕线电机中滑环是动静接触和能量交换的设备，是励磁系统的重要组成部分。但是由于通风冷却结构不合理等多种原因，冷却和散热效果不好，时常出现发热现象。容易造成电刷粉尘排除困难，集电环和电刷过热，引起滑环击穿和烧坏事故，严重危及电机的安全运行。文章通过介绍滑环结构原理及发热的产生发展，结合实践经验总结出发热原因类型及处理解决方法，并针对性提出正常运行的维护及注意事项。

关键词：绕线式电机；滑环；发热；冷却1结构与原理滑环由导电环、带尾电刷 、刷握、导电杆、集电环及滑环罩等部件组成。绕线式转子的绕组和定子绕组相似，三相绕组连成星形，每相绕组的始端联接在三个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上。环与环 ，环与转轴都是互相绝缘的，通过-组弹簧压着的碳质电刷与外电路相连接。

2滑环发热的产生发展过程在正常运行状态下，碳刷的温度-般在 50℃-80℃(温升40。C左右)，每块碳刷工作电流在 20A-100A。刷握弹簧压力比较均匀，碳刷活动自如且无振动卡涩现象。碳刷与滑环运行中产生的热量由通风系统带走。即发热与散热达到基本平衡。但当碳刷变短、接触电阻和附加电阻变大、刷握弹簧压力变小，若工作电流增加，温度变化时系统的平衡能力降低，部分碳刷温度将升高，从而整个系统温度升高。

3滑环发热原因分析3.1滑环冷却风量不够。与滑环同轴安装风扇叶片应准确定向，符合结构设计标准及规定。风叶定向不符合标准，-方面会引起轴承振动，另-方面会造成滑环冷却风量不够以致滑环与电刷发热。

3.2滑环密闭风道存在堵塞或漏风。滑环导向进风凶需认真清理，避免积灰、堵塞造成的滑环冷却风量不足引起电刷和滑环发热。检修中应使用压缩空气管对滑环凶逐个进行清理。风道漏风也会造成冷却风量不足。

33电刷的质量与维护因素。电刷或刷盒混合使用引起部分电刷因过电流发热，甚至烧断引线。电刷维护更换时没有认真进行研磨 、抛光处理。间隙不足，电刷卡涩；间隙过大，与滑环接触面不吻合。电刷长短不均引起电流分布不均是滑环发热的常见原因。因此需定期滑环吹灰和清洗，测量电刷电流。

3.4刷盒导体绝缘及均压弹簧的原因。刷盒导电部分与固定部分间安装有绝缘垫片，电流在导电部分和电刷中通过并经滑环引人转子。在运行中，积灰和碳粉引起绝缘能力降低或导通，各电刷电阻分布不均引起局部发热。刷盒中的均压弹簧使用-定时间后，会出现压力不均、变形 、裂纹、散簧等情况，造成刷盒过电流发热。

3.5滑环不圆或表面粗糙引起摩擦发热。检修时车削滑环造成滑环不圆或表面粗糙 ，易引起摩擦发热。

3.6轴承振动引起电刷发热。电刷随着轴承振动，致使电刷接触面摩擦不均、引线及弹簧松动，发生局部冒火花，进-步加剧电刷发热。

4滑环发热的处理方法4.1滑环同轴冷却风量不足的处理方法。采取增加冷却通风的措施，如外部安装轴流风机冷却。电刷或滑环温度高时可以启动风机加强表面热交换，冷却效果理想。定期使用干燥 、干净的压缩空气吹滑环的积灰和积粉，清除滑环外罩灰尘，停机后检查和疏通滑环凶，检查和清理进风口滤网。

4.2提高电刷维护质量，及时消除发热缺陷旧能使用厂家原装电刷和刷盒。碳刷在刷握内应上下活动自如，碳刷与刷握的间隙应为 0.1-0.2mm，电刷应无跳动、摇动或卡涩的情况 ；电刷磨面光亮无杂质，弹簧压紧力应调整为 11-12N，压紧力过小时应更换新电刷或调整压力，滑环表面温度应不大于 120C。另外，当电刷磨去其高度的2/3或接触不良时，应更换。刷架应无积垢，滑环表面氧化膜过厚或表面粗糙不光滑时，应用最细的砂布或白布打磨，禁止用粗糙砂布打磨。

5结束语滑环发热现象运行中时有发生，严重威孝电机的安全运行。

因此，对集电环和碳刷的监视、维护并及时处理其发生的故障和损伤，是保证发电机长期稳定运行的重要工作之-。避免发热关键还是预防为主，有效解决滑环发热烧坏等问题，保证电机安全可靠运行，提高绕线电机产品的经济效益和社会效益。

号处理方法具有诸多优点：它较依赖于先验函数基的FT及wT等更适合于处理非平稳信号，是-种自适应的时频局部化分析方法，没有固定的先验基底；它能精确地做出时间-频率图；它引入了瞬时频率的概念，定义为相位函数的导数，不需要整个波来定义局部频率，因而可以实现在低频信号中辨别出奇异信号，较WT有了明显的进步；第-次给出了IMF的定义，指出IMF的幅度允许改变，突破了传统的将幅度不变的简谐信号定义为基底的局限，使信号分析更加灵活。

国内的-些学者已将HHT引入到了爆破振动信号分析当中，张义平和李夕兵介绍了HHT的原理，并用 HHT对爆破振动信号进行滤波、消噪、时频分析等分析处理，并与 wT进行对比研究，发现 HHT法在分析爆破振动信号时较 wT更具有适应性。陆凡东在分析石方爆破噪声产生机理的基础上，利用 HHT分析了有关爆破噪声记录，探讨了石方爆破噪声的时频特陛。

HHT比Fr、wT等在处理爆破振动信号方面有了很大的改进与提高，但由于其提出的时间不长，在许多方面还存在问题：如何解决包络线不完全包络和因三次样条插值引起的过冲和欠冲；如何减少分解中由于端 摆动而引起的污染；如何保证 EMD分解效果的唯-性和分解收敛标准的取值问题；以及如何解决其在高频区频率分辨率不高，低频区出现不合理频率成分的问题等。

7结论与展望本文对FT、sTFT、wr、WPT和HHT的原理进行了简略介绍，并对几种方法的优缺点进行了比较，并对其在爆破振动中的应用研究进行了概述∩以发现随着信号分析技术的不断发展，采用先进的信号分析技术可以得到比以往更准确、详尽的信息数据，对爆破振动信号和震动效应的认识也更加深刻，从而可以建立更加准确的爆破震动效应的安全判据。

现代爆破信号分析处理技术对爆破震动效应的研究取得了-定的成果，但尚有许多问题需要进-步的研究：(1)由于测量仪器和测量手段的限制，目前实测的爆破振动数据都是爆源中远区的数据。因此可以研制更先进的工具以获取爆源近区的振动数据，开展爆源近区地震波的传播规律研究。对爆破安全技术的发展和改善爆破效果具有重要的意义。

(2)实测的爆破振动信号由于测量仪器和周围环境的干扰，需要进行消噪处理，但现在的消噪技术都不能有效地去除所有噪声同时保证不丢失有用成分。因此可对信号检测和滤波消噪技术进-步改进，提高实测信号的精确度。

(3)现在应用信号分析处理技术研究爆心距、单段装药量等因素对爆破振动的影响都是定陛分析，没有有关的具体参数形成-个综合考虑各种影响因素的安全判据表达式。确定统-判据的有关具体参数、爆破振动破坏新标准的建立有待以后更深入的研究和大量的实测资料的检验。