付貝寧

（四川大學(xué)匹茲堡學(xué)院，四川 成都 610207）

球磨機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的主要粉磨設(shè)備，適用于粉磨各種礦石及其他物料，被廣泛用于選礦、水泥及化工等行業(yè)[1]。球磨機(jī)內(nèi)部為了保護(hù)筒體不受磨損而設(shè)置襯板，襯板矩形曲面依靠螺栓與筒體內(nèi)側(cè)面緊固連接[2]。襯板上凸起的提升條能夠?qū)⑽锪咸嵘烈欢ǜ叨葟亩{(diào)節(jié)物料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡提高磨礦效率[3-5]。在球磨機(jī)工作中，提升條會(huì)受到鋼球、物料的不斷沖擊和磨剝作用進(jìn)而磨損,作用于襯板上的沖擊載荷的大小決定了襯板壽命[6-7]。當(dāng)襯板提升條磨損達(dá)到一定程度后，磨礦效率降低[8]，襯板提升條本身也會(huì)由于厚度變薄而容易碎裂，失去襯板提升條的保護(hù)以后，球磨機(jī)筒體在鋼球和物料的沖擊下也很快就會(huì)損傷。過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間，研究人員都將攻關(guān)重點(diǎn)放在調(diào)整球磨機(jī)轉(zhuǎn)速或者改變襯板材料和結(jié)構(gòu)上以延長(zhǎng)襯板使用壽命，林陽(yáng)輝[9]提出通過(guò)觀測(cè)襯板高度的變化來(lái)對(duì)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，俞章法等人[10]和趙慧艷[11]、趙會(huì)琴[12]分別提出新的襯板結(jié)構(gòu)來(lái)延長(zhǎng)襯板壽命。然而當(dāng)襯板達(dá)到使用壽命時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行替換，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)襯板提升條的磨損程度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常都需要停機(jī)檢測(cè)[13]，檢測(cè)步驟也較為繁瑣，會(huì)大幅降低球磨機(jī)的生產(chǎn)效率，并且只能檢測(cè)襯板在某一時(shí)刻的使用情況及剩余壽命?，F(xiàn)有技術(shù)中缺少能夠在球磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)襯板提升條厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裝置與方法，難以保證球磨機(jī)的高效安全運(yùn)行。當(dāng)前球磨機(jī)襯板提升條磨損厚度檢查存在如下問(wèn)題：

（1）停機(jī)查看，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。

（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷停機(jī)檢查時(shí)間，誤差較大。過(guò)早停機(jī)會(huì)將沒(méi)有完全磨損的提升條換掉，造成浪費(fèi)。過(guò)晚停機(jī)會(huì)導(dǎo)致研磨物料效率低下，嚴(yán)重的甚至?xí)p到球磨機(jī)筒體，造成生產(chǎn)事故。

（3）人工進(jìn)入球磨機(jī)筒體內(nèi)部測(cè)量，風(fēng)險(xiǎn)大，存在安全隱患。

鑒于上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)球磨機(jī)襯板提升條厚度測(cè)量系統(tǒng)，這種測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在不停機(jī)的情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯板提升條的磨損情況。通過(guò)在襯板固定螺栓中預(yù)埋傳感器，使傳感器與襯板同步磨損，襯板的厚度變化與傳感器的長(zhǎng)度變化一致，傳感器本身長(zhǎng)度物理變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，再由采集頭內(nèi)置的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)送出去。安裝在控制箱中的主機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，在顯示屏上顯示出傳感器剩余高度即襯板的厚度，從而完成筒體襯板厚度的在線(xiàn)測(cè)量，大大提升生產(chǎn)效率和安全性。

1 提升條厚度測(cè)量原理

測(cè)量襯板提升條磨損程度的主要原理是將若干個(gè)電阻并聯(lián)作為傳感器預(yù)埋進(jìn)改造好的螺栓中間，安裝時(shí)螺栓端面與襯板提升條平齊，這樣提升條磨損的同時(shí)傳感器的電阻也同時(shí)被磨損，如圖1所示。設(shè)并聯(lián)的單個(gè)電阻阻值為R，磨損后剩余電阻數(shù)量為N，工作時(shí)，通過(guò)測(cè)量電阻上的電壓值來(lái)計(jì)算出剩余電阻的個(gè)數(shù)，從而得出襯板提升條的剩余厚度H，即：

圖1 傳感器與襯板提升條裝配示意圖

其中VADC1、VADC2分別為端口ADC1和ADC2的電壓，RB為電阻B上的阻值，如圖2（b）所示。

圖2 電阻傳感器測(cè)量原理圖

結(jié)合（1）、（2）兩式，可以得到：

電阻傳感器間距dH可根據(jù)提升條的高度做出調(diào)整。當(dāng)提升條高度大于200 mm時(shí)，dH取5 mm，當(dāng)提升條高度小于200 mm時(shí)，dH取2.5 mm，以提高測(cè)量分辨率。

2 提升條厚度測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

提升條厚度測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和用戶(hù)終端2個(gè)部分組成，如圖3所示。數(shù)據(jù)采集部分采用14250鋰電池供電，包含長(zhǎng)度測(cè)量傳感器、測(cè)量電路、低功耗供電控制、AD數(shù)據(jù)采集、CC1310處理器和433 M無(wú)線(xiàn)收發(fā)7個(gè)功能模塊。

圖3 提升條厚度測(cè)量系統(tǒng)整體框圖

用戶(hù)終端部分采用AC220V供電，包含433 M無(wú)線(xiàn)收發(fā)、STM32F103處理器、磨損量顯示、4G云平臺(tái)和內(nèi)網(wǎng)總控制室6個(gè)功能模塊。

測(cè)量系統(tǒng)工作示意圖如圖4所示。為了滿(mǎn)足多傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，本系統(tǒng)采用了多傳感器循環(huán)分時(shí)采集的方式完成數(shù)據(jù)的采集。主機(jī)按照編號(hào)順序依次對(duì)測(cè)量模塊中的傳感器進(jìn)行呼喚，而傳感器每隔3 s自我喚醒一次，喚醒時(shí)長(zhǎng)約6 ms，以檢測(cè)是否有主機(jī)呼喚，同時(shí)完成一次測(cè)量，當(dāng)接收到主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸命令后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，如果沒(méi)有檢測(cè)到呼喚則立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一次自我喚醒。測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔可設(shè)置為每1~24 h一次，間隔時(shí)間越長(zhǎng)能耗越低。用戶(hù)終端采用可觸摸的液晶屏，在顯示襯板剩余量以外還可以將采集頭測(cè)量時(shí)間間隔等參數(shù)輸入到主機(jī)內(nèi)保存，如圖5所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)工作示意圖

圖5 用戶(hù)終端界面

3 低功耗設(shè)計(jì)

由于實(shí)際工程情況下，提升條壽命周期一般為3-4個(gè)月，并且由于采集頭是鋰電池供電，為了安全起見(jiàn)本設(shè)計(jì)保證傳感器連續(xù)工作時(shí)間大于6個(gè)月，所以低功耗設(shè)計(jì)是需要重點(diǎn)考慮的。本系統(tǒng)采用CC1310作為主控芯片，該芯片是一款高度集成、經(jīng)濟(jì)高效型超低功耗器件，使用極低的有源RF和MCU電流以及休眠模式，以確保較低的功耗以延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)。

3.1 傳感器電阻的選擇

傳感器電阻的選擇需要從降低功耗以及適應(yīng)不同物料2個(gè)方面進(jìn)行考慮。從低功耗角度出發(fā)，傳感器電阻越大功耗越低。從傳感器適應(yīng)不同磨碎物料種類(lèi)來(lái)考量，不同物料導(dǎo)電系數(shù)不一樣，物料電阻范圍從幾百千歐到幾十兆歐不等。因?yàn)閭鞲衅鞯?條連接線(xiàn)始終會(huì)與磨碎物料接觸，所以不同物料的不同導(dǎo)電電阻會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。因此在減小傳感器連接線(xiàn)的截面積的同時(shí)盡可能增加RB減小R并，在降低功耗的同時(shí)也使得礦漿的導(dǎo)電電阻不會(huì)對(duì)檢測(cè)精度造成較大的影響。

3.2 低功耗測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

測(cè)量電路運(yùn)放及傳感器的供電均采用IO口控制供電方式。如圖6所示，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)IO26腳輸出高電平給OPA333運(yùn)放供電(A點(diǎn))，IO25腳輸出高電平給傳感器供電(B點(diǎn))。測(cè)量完成之后，IO25和IO26腳設(shè)置為低電平，關(guān)閉測(cè)量電路供電。測(cè)量過(guò)程在喚醒中完成，時(shí)長(zhǎng)6 ms。期間如果收到了主機(jī)的呼喚則啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，如果沒(méi)收到則立即進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖6 低功耗IO口控制供電電路圖

3.3 低功耗的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)通信方式選擇的是空中喚醒(WOR)低功耗模式。系統(tǒng)有三種工作模式：（1）休眠，實(shí)測(cè)其工作電流約1.2 uA，每3 s休眠2 994 ms；（2）喚醒，這期間啟動(dòng)測(cè)試電路進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收，實(shí)測(cè)工作電流約8.6 mA，每3 s喚醒6 ms；（3）數(shù)據(jù)發(fā)送，期間實(shí)測(cè)工作電流約為19.2 mA,每小時(shí)工作20 ms，如圖7所示。

圖7 CC1310 wor執(zhí)行過(guò)程中工作電流示意圖

整個(gè)采集頭工作過(guò)程中所需的電量由休眠、喚醒、發(fā)射三部分組成，如式（4）所示。

系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率為每小時(shí)測(cè)量一次數(shù)據(jù)為例計(jì)算采集頭所需電量，則每小時(shí)休眠所需電量為1.20×10-3mA·h，自我喚醒每小時(shí)所需電量為1.72×10-2mA·h，發(fā)射數(shù)據(jù)每小時(shí)所需電量為1.07×10-4mA·h，綜上，由式（4）可算出采集頭每小時(shí)耗電量為1.85×10-2mA·h。因?yàn)橐r板提升條的壽命周期最長(zhǎng)可能達(dá)4個(gè)月左右，因此需要確保采集頭連續(xù)工作4個(gè)月以上，按每月30 d計(jì)算，工作4個(gè)月所需電量為53.28 mA·h，則1顆電壓為3.6 V，容量為90 mA·h的鋰電池就能使該系統(tǒng)連續(xù)工作6個(gè)月以上，體現(xiàn)了超低功耗電路設(shè)計(jì)與低功耗無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文選取福建某礦山銅礦第三車(chē)間球磨機(jī)襯板提升條以及江西某礦山銅礦第二車(chē)間球磨機(jī)襯板提升條作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。其中福建第三車(chē)間球磨機(jī)直徑11 m，為目前行業(yè)內(nèi)較大的球磨機(jī)。傳感器由若干個(gè)電阻并聯(lián)做成長(zhǎng)條形，預(yù)埋進(jìn)改造好的螺栓中間，如圖8所示。電阻間隔5 mm放置一個(gè)，即測(cè)量電路的分辨率為5 mm。在該球磨機(jī)襯板上總計(jì)安裝6個(gè)采集頭，其中2個(gè)為一組，分別安裝在筒體端面一組和筒體側(cè)面兩組，裝配好的傳感器螺栓如圖9所示。1號(hào)和2號(hào)安裝的提升條厚度為250 mm；3號(hào)和4號(hào)安裝的提升條厚度為350 mm；5號(hào)和6號(hào)安裝的提升條厚度為450 mm。江西第二車(chē)間球磨機(jī)直徑9 m，采集頭的安裝方法與福建第三車(chē)間球磨機(jī)相同。其中1號(hào)和2號(hào)安裝的提升條厚度為245 mm；3號(hào)和4號(hào)安裝的提升條厚度為285 mm；5號(hào)和6號(hào)安裝的提升條厚度為385 mm。由于實(shí)際生產(chǎn)中球磨機(jī)一旦開(kāi)始運(yùn)行就不能中途停機(jī)，本文選擇在球磨機(jī)開(kāi)始運(yùn)行前與運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)入球磨機(jī)內(nèi)部測(cè)量襯板提升條的實(shí)際厚度，與測(cè)量終端顯示的剩余厚度作比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 傳感器螺栓實(shí)物圖

圖9 安轉(zhuǎn)在球磨機(jī)襯板上的傳感器螺栓

表1 球磨機(jī)襯板提升條測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的測(cè)量電路的分辨率為5 mm，因此理論上測(cè)量誤差應(yīng)該在5 mm以?xún)?nèi)。由表1可知測(cè)量系統(tǒng)的平均測(cè)量誤差在2.5 mm以?xún)?nèi)，總的平均誤差為1.83 mm，該誤差在測(cè)量電路分辨率范圍內(nèi)，因此，該襯板提升條厚度的測(cè)量系統(tǒng)能很好地測(cè)量襯板提升條真實(shí)磨損情況。

福建某礦山球磨機(jī)5號(hào)傳感器獲取的襯板提升條剩余厚度數(shù)據(jù)如圖10所示，使用該套測(cè)量系統(tǒng)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在不停機(jī)的情況下實(shí)時(shí)獲取襯板提升條不同部位的磨損情況，有效防止因?yàn)橐r板提升條損壞而磨穿桶體造成的意外事故。

圖10 福建某礦山球磨機(jī)5號(hào)傳感器襯板提升條磨損數(shù)據(jù)實(shí)例

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套球磨機(jī)襯板提升條厚度測(cè)量系統(tǒng)，將若干個(gè)電阻并聯(lián)作為長(zhǎng)度傳感器，將襯板磨損量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再將傳感器的電信號(hào)通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊傳送到主機(jī)，主機(jī)接收到數(shù)字信號(hào)后在終端顯示屏上顯示出襯板提升條的剩余厚度，完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。為了滿(mǎn)足工程實(shí)踐中較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的需求，測(cè)量電路與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊均采用了低功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)地安裝與實(shí)驗(yàn)，該套測(cè)量系統(tǒng)總平均測(cè)量誤差為1.83 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該套測(cè)量系統(tǒng)能很好地測(cè)量出襯板提升條真實(shí)磨損情況，可滿(mǎn)足工程作業(yè)的需要，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。