礦用離心流動超細粉碎機多機啟動參數控制方法研究

李晶

(閩西職業技術學院，福建 龍巖 364000)

0 引言

礦用離心流動超細粉碎機結構是保障礦用調度粉碎機械運行的關鍵，其結構性能好壞關系到整個生產系統的安全可靠運行。隨著大中型機械設備的使用，相關的礦用離心流動超細粉碎機械密封結構設計和啟動參數控制方法研究受到人們的極大關注。作為一種新型節能技術，其控制技術在各個工業、農業以及通信領域中得到廣泛應用[1]。

文獻[2]為解決復雜飛行器建模精準度不足而產生的無法過載跟隨等問題，研究得出一種深度強化學習的控制方法，基于強化學習算法與PID控制結構調整參數，獲取典型指令信號，使跟蹤飛行器的過載指令更加精確；文獻[3]針對智能電網建設需求與真空斷路器電機操動機構的控制屬性，結合智能控制技術，架構一種電機機構智能控制系統，采用全數字化伺服電機操動機構控制系統控制工作狀態，經檢測分合閘、速度追蹤、分階段速度調控以及自動重合閘等操作性能，驗證控制方法的有效性。

礦業是與我國經濟發展緊密相關的基礎產業之一，其中的一個關鍵環節就是礦物加工。作為該環節中的重要工藝過程，粉碎物料的目的是為進一步的處理、加工以及應用提供理想的加工原料。實現多碎少磨的最直接方法就是使用離心流動超細粉碎機。基于上述文獻方法的優點，本文將智能控制技術與離心流動超細粉碎機相結合，提出一種多機啟動參數控制方法。架構復合模糊控制器，提升控制性能；引入增量式，防止控制量計算階段對偏差求和；設定目標函數為均方根螺旋運行轉矩最小值，抑制周期性交變載荷對粉碎機運行的干擾，提升穩定性與使用壽命。

1 離心流動超細粉碎機下多機啟動參數智能控制

忽略物料的動力特性，就能夠獲得粉碎機上的物料參與振動質量，再通過折算系數進行計算，考慮粉碎機托輥以及懸垂的阻力問題，同時還要考慮到帶式粉碎機的系統線路形態變化。經過簡化系統的運行線路，得到粉碎機基本運行工作狀態。

1.1 離心流動超細粉碎機

離心流動超細粉碎機系統的閉回路粉碎體系主要組成部分是離心流動超細粉粹機、分級皮帶輪、送風式離心分級機、補集裝置、旋風分離器以及加料器等。動力特性對于系統的安全可靠和正常運行起著非常重要的作用，它能使粉碎機完成水平粉碎工作以及傾斜粉碎工作，以應付粉碎作業中各種惡劣環境。

離心流動超細粉碎機為被粉碎物料提供電動機的生成能量，提升工作效率，并使粉碎球與被粉碎物料做三維螺旋運動，該運動軌跡與中心軸呈垂直關系，強化粉碎效果。其粉碎原理為：轉盤水平旋轉導致粉碎球與被粉碎物料受到離心力[4]，并沿著環形曲面不斷上升，重力作用又導致粉碎球與被粉碎物料沿著環形曲面下降，經過循環往復，兩者共同進行三維螺旋運動，被粉碎物料因受到較強沖擊力與摩擦力的同步作用，實現物料粉碎。

1.2 粉碎機多機啟動

為了實現礦用離心流動超細粉碎機優化設計，根據多機啟動參數控制方法實現礦用粉碎機機械密封結構的彈性模量特征提取，采用主成分約束控制的方法，構建礦用粉碎機機械密封結構的加工模型[5]。用堵轉的等值電機近似表示轉動的離心流動超細粉碎機，用定子側近似表示轉子繞組，用一個由電抗、電阻構成的等效電路近似表示離心流動超細粉碎機的等效電路[6]。電路圖如圖1所示。

圖1 粉碎機等效電路示意圖

圖1中：U1表示點源相電壓有效值；勵磁電阻、定子電阻以及粉碎機轉子電阻折算值分別是Rm、R1與R2；勵磁電抗、定子漏抗以及轉子漏抗折算值分別是Xm、X1σ以及X2σ；S表示轉差率。

根據圖1中的粉碎機等效電路，構建下列等效電路的轉子電流折算值計算公式：

(1)

進行多機啟動的過程中，轉子電流與勵磁電流為負相關，對此忽略不計后，將S取值為1，并代入式(1)求解啟動電流：

(2)

若粉碎機轉差率固定不變，則啟動電流與電源電壓為正相關，因此，為實現多機啟動，應從幾個主要的性能影響因素入手。

1.3 參數控制

1)溫度控制

溫度參數主要指的是粉碎機中的粉碎球與被粉碎物料溫度，對粉碎效果有直接影響。溫度越高時需降低被粉碎物料的過冷度，減小形核率，否則，會出現粒度較大、物料強度下降且塑性變差等情況。物料收縮應力與溫度之間的關系表達式如下：

σ=E×α(T1-T2)

(3)

式中：σ為物料收縮應力；E為彈性模量；α為收縮系數；T1-T2為溫度參數差值。

由此結合模糊控制與PI控制架構復合模糊控制器(圖2)，利用切換開關控制被控粉碎機，根據誤差與誤差變化率設定切換時機。

圖2 復合模糊控制器示意圖

圖2中的PI、FLC以及K分別表示比例積分調節器、模糊控制器和控制開關。復合模糊控制器具有較大的誤差與誤差變化率，如果趨近穩態，則降低誤差變化率；若誤差較大，則切換為PI控制；如果穩態誤差始終在允許范圍內變化，則采用模糊控制，一旦復合模糊控制器被影響，就轉換成PI控制，直到消除穩態誤差。

2)速度控制

從生產效率角度出發，在確保粉碎質量的前提下，應采用最高的三維螺旋運動速度。利用具有下式所示原理的PID控制器，實現粉碎機速度控制：

(4)

式中:e(t)與U(t)分別表示控制器的輸入與輸出；比例系數用Kp指代；Ti和Td分別是積分時間與微分時間。

采用下列表達式描述基于離散控制系統的PID控制差分方程：

(5)

式中：u(n)與en分別為采樣周期為N時的輸出與偏差。

3)電源頻率控制

多機啟動參數控制方法的最核心部分即為電源頻率控制階段，根據不同粉碎機電源頻率的傅里葉級數形式變化，獲取各粉碎機的最佳啟動參數。

輸入電源頻率是一種周期性的連續函數，采用展開傅里葉級數形式描述電源輸入頻率如下：

(6)

式中：a0為粉碎機離散變頻時當前時間間隔的頻率擋位；ω為三維螺旋運轉的角速度；與采樣周期N的關系表達式如下：

(7)

根據上列表達式取得一組an與bn的未知變量，設定成設計變量之后，求取優化目標函數最優解。

周期性交變載荷影響粉碎機的正常運行，會使輸出功率與電流產生強烈變化，降低粉碎機工作穩定性與使用壽命，因此，設定目標函數為均方根螺旋運行轉矩最小值。

為確保電源頻率變化前后的周期相等，約束輸出電源頻率在固定范圍中，設計出下列最優化函數的約束條件：

(8)

式中：fmax與fmin分別是變頻器可調節的頻率極值；T0與T′分別為頻率變化前后的周期時長；tu和td分別表示對應周期粉碎系數；ξ1與ξ2分別表示周期約束系數。

依據輸入電源頻率參數的均方根轉矩最小化目標函數，建立電源變頻優化函數，實現最佳多機啟動參數控制。

2 參數智能控制方法實際案例分析

2.1 樣品選取

從某礦業公司選礦廠采集到主要金屬礦物是鈦鐵礦、磁鐵礦，外加少許赤鐵礦、次生磁鐵礦以及褐鐵礦的釩鈦磁鐵礦礦石，該礦石的硫化物成分分別為磁黃鐵礦與少許鈷鎳黃鐵礦等，普通輝石與斜長石為其主要脈石礦物。

礦用離心流動超細粉碎機所需一個傳送帶的長度是25m，傳送帶的頭和尾之間的高度差是3m，傳送帶上部距地面的高度大約是28m，傳送帶的寬度是1.35m，傳送帶的速度是5.1m/s，由交流電機驅動，通過減速器與連接器相連。選取10t左右的礦石作為超細粉碎樣品，該礦樣取自于細碎粉礦倉，屬于磨礦機給礦，鐵品位含量約為30%，硬度為中硬礦石，約為15，密度值約為4。表1所示為釩鈦磁鐵礦的粒度組成。

表1 釩鈦磁鐵礦粒度組成統計表

由表1可知，釩鈦磁鐵礦粒度質量合計可達4 915.5g，在一定程度上，可為礦用離心流動超細粉碎機粉碎顆粒帶來較好的粉碎效果。

2.2 操作流程

將5.16m3容積的礦斗置于離心流動超細粉碎機前方，待破碎礦石稱重后裝滿礦斗，經過多機啟動，礦口打開，電振給礦機按照一定速度連續均勻地給礦，利用1臺螺旋輸送機把物料送進粉礦倉，經粉碎后由給礦機與輸送機的排礦端排出。每5min采集1次礦樣集中篩選，依據粉碎機開關盤上的電度表與電流表以及記錄的1斗礦石粉碎時間，獲取其實際耗電度數，采用處理量與運轉時長，解得單位物料電耗，根據礦石堆密度計算粉碎機加工量。

2.3 控制效果對比

1)不同給礦粒度下的粉碎效果

利用文獻[2]、文獻[3]方法得到的多機啟動參數與本文方法參數做對比，根據不同的給礦粒度，整理得到下列數據對比結果，如圖3所示。

圖3 不同給礦粒度下各參數粉碎效果

由圖3可以看出，隨著粒度的不斷增加，多機啟動參數優勢愈加明顯，相對比文獻[2]、文獻[3]方法，本文方法因為根據實際生產情況，合理、適宜地啟動粉碎機，所以在粉碎一些中硬礦石的過程中，可以很好地碾碎礦石，卻又不會將已經磨細的粉狀礦石再碾壓成餅狀，具有比較理想的磨礦效果。

2)多機啟動參數對排礦粒度的影響

圖4所示為各方法啟動參數與排礦粒度之間的關系。

圖4 各方法排礦粒度對比圖

通過圖4中對比結果可以看出，相對比文獻[2]、文獻[3]方法，本文方法提供的啟動參數所得到的排礦粒度更細，這是因為該方法可以將輸入能量有效轉為有用功，通過智能啟動多個粉碎機，粉碎中壓料層，使破碎礦層變薄，并維持破碎間隙，增加排礦粒度的細度與均勻程度。

3)多機啟動參數對功耗的影響

啟動參數除了對粉碎機的生產能力具有影響力，而且與運行功耗也存在一定的相關性，粉碎礦石過程中各方法的啟動參數與功耗之間的關系如圖5所示。

圖5 各方法功耗對比圖

從圖5中的曲線走勢可以看出，由于本文方法可依據運行條件與情況，智能啟動各粉碎機，電源頻率控制階段是多機啟動參數控制方法的核心部分，通過對不同粉碎機電源頻率的傅里葉級數形式進行變換，得到每個粉碎機的最佳啟動參數，因此，比文獻[2]、文獻[3]方法節省了更多的粉碎能量，大幅度降低了相同給礦量的工作能耗。

3 結語

智能控制技術通過拓寬理論與應用領域，將自動控制觀點引申至人機結合、智能互補的方向上，推動智能控制技術的飛速升級。因為智能控制技術相對復雜，不存在統一、規整的定理、規則以及定律。所以，研究智能控制方法具有重要的現實性與必要性。離心流動超細粉碎機是一種可以實現細碎粗磨的預碎設備，該設備的研發制造為礦業應用發展提供了有力的支撐，故本文將智能控制技術融入礦用離心流動超細粉碎機的研究中，提出一種礦用離心流動超細粉碎機的多機啟動參數控制方法。根據控制方法的開放性與形式非唯一性，采用創新型的神經網絡算法、遺傳算法等，促進該領域的研究發展，爭取實現自動控制的高度智能化，并為離心流動超細粉碎機的進一步開發奠定了良好的理論基礎。