球磨機襯板提升條厚度測量系統設計與實現

付貝寧

（四川大學匹茲堡學院，四川 成都 610207）

球磨機是工業生產中廣泛使用的主要粉磨設備，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[1]。球磨機內部為了保護筒體不受磨損而設置襯板，襯板矩形曲面依靠螺栓與筒體內側面緊固連接[2]。襯板上凸起的提升條能夠將物料提升至一定高度從而調節物料顆粒運動軌跡提高磨礦效率[3-5]。在球磨機工作中，提升條會受到鋼球、物料的不斷沖擊和磨剝作用進而磨損,作用于襯板上的沖擊載荷的大小決定了襯板壽命[6-7]。當襯板提升條磨損達到一定程度后，磨礦效率降低[8]，襯板提升條本身也會由于厚度變薄而容易碎裂，失去襯板提升條的保護以后，球磨機筒體在鋼球和物料的沖擊下也很快就會損傷。過去的很長一段時間，研究人員都將攻關重點放在調整球磨機轉速或者改變襯板材料和結構上以延長襯板使用壽命，林陽輝[9]提出通過觀測襯板高度的變化來對球磨機轉速進行適時調整，俞章法等人[10]和趙慧艷[11]、趙會琴[12]分別提出新的襯板結構來延長襯板壽命。然而當襯板達到使用壽命時需要對其進行替換，現有技術中對襯板提升條的磨損程度進行檢測時，通常都需要停機檢測[13]，檢測步驟也較為繁瑣，會大幅降低球磨機的生產效率，并且只能檢測襯板在某一時刻的使用情況及剩余壽命。現有技術中缺少能夠在球磨機運行過程中對襯板提升條厚度進行實時監測的裝置與方法，難以保證球磨機的高效安全運行。當前球磨機襯板提升條磨損厚度檢查存在如下問題：

（1）停機查看，停機時間長，影響生產效率。

（2）根據經驗判斷停機檢查時間，誤差較大。過早停機會將沒有完全磨損的提升條換掉，造成浪費。過晚停機會導致研磨物料效率低下，嚴重的甚至會磨損到球磨機筒體，造成生產事故。

（3）人工進入球磨機筒體內部測量，風險大，存在安全隱患。

鑒于上述問題，本文設計球磨機襯板提升條厚度測量系統，這種測量系統可以實現在不停機的情況下，實時監測襯板提升條的磨損情況。通過在襯板固定螺栓中預埋傳感器，使傳感器與襯板同步磨損，襯板的厚度變化與傳感器的長度變化一致，傳感器本身長度物理變化轉換成電信號，通過測量電路轉換成數字信號數據，再由采集頭內置的無線發射模塊發送出去。安裝在控制箱中的主機接收到數據之后，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測量，大大提升生產效率和安全性。

1 提升條厚度測量原理

測量襯板提升條磨損程度的主要原理是將若干個電阻并聯作為傳感器預埋進改造好的螺栓中間，安裝時螺栓端面與襯板提升條平齊，這樣提升條磨損的同時傳感器的電阻也同時被磨損，如圖1所示。設并聯的單個電阻阻值為R，磨損后剩余電阻數量為N，工作時，通過測量電阻上的電壓值來計算出剩余電阻的個數，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 電阻傳感器測量原理圖

結合（1）、（2）兩式，可以得到：

電阻傳感器間距dH可根據提升條的高度做出調整。當提升條高度大于200 mm時，dH取5 mm，當提升條高度小于200 mm時，dH取2.5 mm，以提高測量分辨率。

2 提升條厚度測量系統的整體設計

提升條厚度測量系統主要由數據采集和用戶終端2個部分組成，如圖3所示。數據采集部分采用14250鋰電池供電，包含長度測量傳感器、測量電路、低功耗供電控制、AD數據采集、CC1310處理器和433 M無線收發7個功能模塊。

圖3 提升條厚度測量系統整體框圖

用戶終端部分采用AC220V供電，包含433 M無線收發、STM32F103處理器、磨損量顯示、4G云平臺和內網總控制室6個功能模塊。

測量系統工作示意圖如圖4所示。為了滿足多傳感器數據傳輸的需求，本系統采用了多傳感器循環分時采集的方式完成數據的采集。主機按照編號順序依次對測量模塊中的傳感器進行呼喚，而傳感器每隔3 s自我喚醒一次，喚醒時長約6 ms，以檢測是否有主機呼喚，同時完成一次測量，當接收到主機發送過來的數據傳輸命令后，將數據傳輸到主機，如果沒有檢測到呼喚則立即進入休眠狀態，直到下一次自我喚醒。測量數據傳輸時間間隔可設置為每1~24 h一次，間隔時間越長能耗越低。用戶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量時間間隔等參數輸入到主機內保存，如圖5所示。

圖4 測量系統工作示意圖

圖5 用戶終端界面

3 低功耗設計

由于實際工程情況下，提升條壽命周期一般為3-4個月，并且由于采集頭是鋰電池供電，為了安全起見本設計保證傳感器連續工作時間大于6個月，所以低功耗設計是需要重點考慮的。本系統采用CC1310作為主控芯片，該芯片是一款高度集成、經濟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系統工作時長。

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不同物料2個方面進行考慮。從低功耗角度出發，傳感器電阻越大功耗越低。從傳感器適應不同磨碎物料種類來考量，不同物料導電系數不一樣，物料電阻范圍從幾百千歐到幾十兆歐不等。因為傳感器的2條連接線始終會與磨碎物料接觸，所以不同物料的不同導電電阻會對測量精度造成影響。因此在減小傳感器連接線的截面積的同時盡可能增加RB減小R并，在降低功耗的同時也使得礦漿的導電電阻不會對檢測精度造成較大的影響。

3.2 低功耗測量電路的設計

測量電路運放及傳感器的供電均采用IO口控制供電方式。如圖6所示，當需要測量時IO26腳輸出高電平給OPA333運放供電(A點)，IO25腳輸出高電平給傳感器供電(B點)。測量完成之后，IO25和IO26腳設置為低電平，關閉測量電路供電。測量過程在喚醒中完成，時長6 ms。期間如果收到了主機的呼喚則啟動數據發送，如果沒收到則立即進入休眠狀態。

圖6 低功耗IO口控制供電電路圖

3.3 低功耗的無線通信設計

無線通信方式選擇的是空中喚醒(WOR)低功耗模式。系統有三種工作模式：（1）休眠，實測其工作電流約1.2 uA，每3 s休眠2 994 ms；（2）喚醒，這期間啟動測試電路進行檢測，無線信號接收，實測工作電流約8.6 mA，每3 s喚醒6 ms；（3）數據發送，期間實測工作電流約為19.2 mA,每小時工作20 ms，如圖7所示。

圖7 CC1310 wor執行過程中工作電流示意圖

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

系統設置監測頻率為每小時測量一次數據為例計算采集頭所需電量，則每小時休眠所需電量為1.20×10-3mA·h，自我喚醒每小時所需電量為1.72×10-2mA·h，發射數據每小時所需電量為1.07×10-4mA·h，綜上，由式（4）可算出采集頭每小時耗電量為1.85×10-2mA·h。因為襯板提升條的壽命周期最長可能達4個月左右，因此需要確保采集頭連續工作4個月以上，按每月30 d計算，工作4個月所需電量為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連續工作6個月以上，體現了超低功耗電路設計與低功耗無線通信設計的優勢。

4 實驗與結果分析

本文選取福建某礦山銅礦第三車間球磨機襯板提升條以及江西某礦山銅礦第二車間球磨機襯板提升條作為實驗對象。其中福建第三車間球磨機直徑11 m，為目前行業內較大的球磨機。傳感器由若干個電阻并聯做成長條形，預埋進改造好的螺栓中間，如圖8所示。電阻間隔5 mm放置一個，即測量電路的分辨率為5 mm。在該球磨機襯板上總計安裝6個采集頭，其中2個為一組，分別安裝在筒體端面一組和筒體側面兩組，裝配好的傳感器螺栓如圖9所示。1號和2號安裝的提升條厚度為250 mm；3號和4號安裝的提升條厚度為350 mm；5號和6號安裝的提升條厚度為450 mm。江西第二車間球磨機直徑9 m，采集頭的安裝方法與福建第三車間球磨機相同。其中1號和2號安裝的提升條厚度為245 mm；3號和4號安裝的提升條厚度為285 mm；5號和6號安裝的提升條厚度為385 mm。由于實際生產中球磨機一旦開始運行就不能中途停機，本文選擇在球磨機開始運行前與運行結束后進入球磨機內部測量襯板提升條的實際厚度，與測量終端顯示的剩余厚度作比較，結果見表1。

圖8 傳感器螺栓實物圖

圖9 安轉在球磨機襯板上的傳感器螺栓

表1 球磨機襯板提升條測量系統測量結果與實測結果對比

由于本實驗設置的測量電路的分辨率為5 mm，因此理論上測量誤差應該在5 mm以內。由表1可知測量系統的平均測量誤差在2.5 mm以內，總的平均誤差為1.83 mm，該誤差在測量電路分辨率范圍內，因此，該襯板提升條厚度的測量系統能很好地測量襯板提升條真實磨損情況。

福建某礦山球磨機5號傳感器獲取的襯板提升條剩余厚度數據如圖10所示，使用該套測量系統獲得的測量數據能夠在不停機的情況下實時獲取襯板提升條不同部位的磨損情況，有效防止因為襯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5號傳感器襯板提升條磨損數據實例

5 結論

本文設計了一套球磨機襯板提升條厚度測量系統，將若干個電阻并聯作為長度傳感器，將襯板磨損量轉化為電信號，再將傳感器的電信號通過測量電路轉化成數字信號通過無線發射模塊傳送到主機，主機接收到數字信號后在終端顯示屏上顯示出襯板提升條的剩余厚度，完成整個測量過程。為了滿足工程實踐中較長時間連續工作的需求，測量電路與無線發射模塊均采用了低功耗設計。通過實地安裝與實驗，該套測量系統總平均測量誤差為1.83 mm，實驗結果表明該套測量系統能很好地測量出襯板提升條真實磨損情況，可滿足工程作業的需要，具有廣泛的工程應用前景。