智能礦石分揀系統給料子系統建模與驗證

閔湘川，殷文俊，曾現勇，雷 鋼， 歐陽周

（1.湖南軍芃科技股份有限公司，湖南 長沙 410006；2.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083）

軍芃科技的智能礦石分揀系統是一種智能化、自動化及機電一體化的在線式的礦石分揀設備，通過對待分揀礦石進行光譜成像，通過機器視覺、AI數據分析、自動化控制等技術進行快速分析，并有效揀選。該設備識別度精準，工作效率高，拋廢率大，目前已經在非金屬、有色金屬和稀貴金屬領域獲得了較好的應用[1，2]。

給料子系統是智能礦石分揀系統的重要的組成部分，組成包括輸送皮帶、擋料膠皮、振動篩、溜槽、檢測皮帶等構件。給料子系統的主要作用是輸送礦石通過照射和檢測、分離區域，為保證檢測和分離的精準性，需要礦石在通過區域過程中保持相對靜止，單層不重疊[2]。以往對給料系統的性能調試是通過實機試驗，人眼觀測顆粒的運動狀態，試驗次數多、成本高、效率低下，所得結果易受主觀及誤差影響。

仿真技術通過建立仿真模型并利用所建模型對實際系統進行實驗研究，應用仿真技術可以實現對礦石顆粒運動狀態的預測，使研究更加高效快捷。在仿真的過程中，仿真模型的建立與驗證是關鍵環節。通過模型驗證可以驗證仿真模型的可信度，避免得出錯誤結果[3]。

針對智能礦石分揀系統給料子系統實際工況，建立礦石顆粒和給料子系統機構的離散元模型，應用EDEM軟件進行仿真計算，得到仿真顆粒在檢測皮帶上不同位置的平均速度；應用影視高速攝像系統得到礦石顆粒的運動圖像，通過計算得到礦石顆粒仿真相應位置的平均速度。通過對比礦石顆粒在仿真與試驗中平均速度的誤差，進行模型的驗證。

1 給料子系統離散元模型

1.1 礦石顆粒模型

在智能礦石分揀系統工作中，待分揀的礦石存在著合格的精礦和不合格的尾礦兩種顆粒，采用相同的模型對兩種礦石顆粒建模。礦石類型為常見的鉛鋅礦石，生成速率為50t/h，即每種顆粒生成速率約為6.94kg/s。考慮到模型盡可能與真實的礦石顆粒接近，且保證仿真具有較高的計算速度，顆粒模型采用四球面進行組合填充，填充方案如圖1所示。

圖1 礦石離散元模型

通過實驗統計鉛鋅礦石的粒徑分布，對比仿真顆粒模型，進行顆粒放大比率換算，得到仿真顆粒分布表（表1），公式為：

表1 仿真顆粒分布表

式中：η為半徑放大倍率；lr為實際顆粒長度取值；lm為模型顆粒長度；Mm為模型顆粒質量；ωn為數量占比；ωm為質量占比。

1.2 給料子系統機構模型

在SolidWorks軟件中建立智能礦石分揀系統給料子系統機構的三維模型，導入至EDEM軟件中，其物理模型如圖2所示。其中輸送皮帶和擋料膠材料為橡膠，檢測皮帶材料為聚氯乙烯，其余材料均為鋼。

圖2 仿真物理模型

在EDEM軟件中建立輸送皮帶和檢測皮帶的運動，都為傳送帶型，速度分別為1m/s和3m/s。在沿振動篩平面45°方向建立振動篩的振動，振幅為4 mm，頻率為24 hz。擋料膠皮上端與振動篩固定，通過耦合程序API實現隨顆粒的撞擊而運動。

1.3 參數設置

仿真參數的選擇關系著數值計算的速度與穩定性，并在很大程度上影響著仿真的結果。這里的參數包括材料屬性、接觸參數和時間步長。

通過對常見鉛鋅礦石進行取樣和分析，結合相關的文獻與資料[4-5]，在模型中輸入各材料的屬性和顆粒接觸參數，如表2所列。仿真時間步長由Rayleigh時間步長決定，Rayleigh時間步長是根據物料顆粒屬性計算而出的，公式為：

表2 模擬參數

式中：mi為材料質量；ki為材料剛度；ζi為阻尼比。

為保證計算的速度與收斂性，取Rayleigh時間步長的30%作為仿真時步，計算得仿真時步為2×10-6s，設置數據保存間隔為0.001s，仿真時長為17s。

2 試驗

2.1 試驗設備

試驗設備采用智能礦石分揀系統JPXRT1400和影視高速攝像系統。影視高速攝像系統由高速相機、燈源和工程機組成，圖像分辨率為1920＊1080，整個攝像系統架設于檢測皮帶上方的蓋板上，如圖3所示。

圖3 試驗設備布置圖

2.2 試驗方案

通過桁吊拆除智能礦石分揀系統JPXRT1400設備檢測皮帶上方的一塊蓋板。在另一塊蓋板上安裝高速相機和光源，保證能清晰完整的采集檢測皮帶上的圖片。使用標尺標定拍攝圖片寬度的實際長度，為630mm，為后續圖像數據處理做好準備。

將礦石填充至輸送皮帶，在檢測皮帶和振動機啟動后，開啟輸送皮帶進行試驗，啟動高速相機持續進行采圖。

2.3 數據處理

由高速相機進行采圖，得到每毫秒礦石顆粒在檢測皮帶上的位置如圖4所示，由于拍攝角度限制，直接在原圖上進行速度的計算是有誤差的，通過透射變換將圖片投影到一個新的視平面以消除誤差，圖5為使用透射變換后修正的圖像。

圖4 試驗圖像

圖5 透射變換修正圖像

通過礦石顆粒在相隔一定時間后的位置變化距離，計算出礦石在傳送帶上的速度，公式為

其中v是速度；Δp是相隔10 ms顆粒高度方向的像素值差；p是圖像高度方向像素值；h是圖片實際高度；Δt是時間間隔。

3 結果對比

將試驗采圖區域均分出7條位置線，相距87.5mm，在仿真計算結果中也導出相同位置的數據，經計算處理得到相應位置的平均速度和相對誤差（表3），相對誤差最大為1.131%，做出平均速度曲線（圖6），可以看出顆粒群具有一致的運動趨勢。

表3 仿真數據與實驗數據相對誤差

圖6 仿真數據與實驗數據折線圖

4 結論

通過建立離散元模型進行仿真和應用影視高速攝像系統進行試驗，可以得出以下結論。

（1）采用高速相機進行試驗采圖，經數據處理后可以得到顆粒在不同位置的運動狀態，可以作為模型的檢驗方法之一。

（2）仿真與試驗的平均速度最大誤差為1.131%，能準確反映顆粒群在檢測皮帶上的運動狀態，仿真精度滿足要求，驗證了仿真模型的正確性。

（3）使用離散元模型進行仿真模擬，可以預測系統的運行情況和物料的運動狀態，該方法便捷高效，將成為運輸物料設備分析設計的重要方法之一。