激光三維掃描技術在立式攪拌磨螺旋襯板上的應用

王銘浩，李華偉，馮浩源，姚 坤，王茂華，梁霖浩

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

立式攪拌磨是一種濕法礦用磨機，主要用于金屬、非金屬原材料的超細粉磨，具有磨礦效率高、能耗低、噪聲小等顯著優點，其最核心的部件是螺旋攪拌器。螺旋攪拌器經減速機驅動緩慢旋轉，磨礦介質和物料在筒體內做整體的多維循環運動和自轉運動，物料在磨礦介質壓力和螺旋回轉產生的擠壓力下，利用摩擦、少量的沖擊擠壓和剪切被有效地粉磨[1]。

螺旋襯板普遍選用高鉻鑄鐵材質 (表面硬度HRC≥60)，其外部形狀由斜面通過螺旋掃掠而成，由于其結構異形、材質特殊，通常采用型腔鑄造工藝研制。襯板的螺旋升角、外徑、截面形狀，都將直接影響整個設備的磨礦效率和節能效果。通過調研國內各大礦山的設備運行情況發現，立式攪拌磨運行 6～8 個月后，螺旋襯板的外形輪廓會產生局部不規則磨損，進而改變螺旋升角、螺旋直徑。螺旋升角直接影響介質運動規律，確定的原則是介質徑向速度和切向速度的比例分配。嚴重磨損后的螺旋襯板，提升角度、旋轉掃掠面積無法維持，其對物料和研磨介質的螺旋提升作用顯著降低，進而直接減少有效輸出功率和磨礦效率。立式攪拌磨設備運轉率可達 98%，但是為監控螺旋襯板的磨損情況，避免異常停機造成嚴重事故和經濟損失，現場每年至少需定期停機檢修 2次，耗時 1 周以上。進入磨內觀察時，對于異形且不規則磨損的襯板，只能使用尺規進行局部厚度測量，無法定量分析和預測襯板使用壽命。如果根據磨機運行功率變化以及使用經驗推測，由于礦山生產線的產量波動、礦石性質變化的影響，結論的準確度也很難保證。

目前，礦山現場只能憑借設備運行經驗，粗略估算襯板壽命并制定相應檢修計劃，缺乏準確量化的分析結論，設備的實際作業率至少降低 2%。針對現場不同工況，對襯板結構進行優化，提高設備作業率、磨礦效率已成為襯板領域亟需解決的問題。

采用激光三維掃描技術可對螺旋襯板開展全面直觀、可量化的掃描測量，進行逆向建模對比分析，從而能準確預測襯板壽命，并為后續結構優化提供指導方向。筆者將著重介紹激光三維掃描技術的近景、遠景 2 種實際應用方法，以及后期的數據處理方式，同時介紹多個現場的襯板實際使用磨損情況，提出優化設計方向。

1 激光三維掃描技術的近景實際應用

目前，激光三維掃描技術已經發展得非常成熟，是 20 世紀 90 年代中期開始出現的一項高新技術，是繼 GPS 空間定位系統之后又一項測量分析技術新突破。該技術利用激光的測距原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖形數據，從而獲得大量密集的目標對象數據點。因此在襯板磨損信息的采集上，相比于超聲波測厚儀的單點測量，三維激光掃描技術將單點測量進化到了面測量，可以快速測得物體的輪廓集合數據，并加以建構、編輯、修改，生成通用輸出格式的曲面數字化模型[2]。

以國內某大型礦山為例，應業主要求，對其立式攪拌磨的螺旋襯板進行激光三維掃描，研究其磨損區域和局部使用壽命，并提出優化方向，實現延長襯板壽命、提高經濟效益的目的。實施激光三維掃描工作時，強光會影響掃描數據的準確度與質量，建議在陰暗的廠房內進行，如在室外則必須對掃描目標做遮光處理；要求在襯板正、反面易于觀察位置貼上掃描輔助點，貼點密度約為 10 cm2/個，單塊螺旋襯板的貼點活動耗時約 15 min。近景三維掃描時，使用三維激光攝像儀對螺旋襯板的外形進行整體掃描攝像，對螺旋襯板的整體輪廓尺寸進行較高精度的預掃描，減少后續掃描過程中產生的累計誤差，如圖1 所示。利用手持激光三維掃描儀貼近螺旋襯板，沿著貼好的掃描輔助點對螺旋襯板的正、反面分別進行掃描，掃描數據傳輸至電腦，如圖2 所示。螺旋襯板的外形數據采集工作耗時約 30 min，具體可根據分辨率精度及測量范圍進行調整。整個掃描測量過程無需使用尺規等測量工具，只需天車配合將襯板起吊、翻轉。

圖1 螺旋襯板整體攝像Fig.1 Overall photo of spiral liner

圖2 螺旋襯板近景攝像Fig.2 Close-range photo of spiral liner

將掃描采集到的數據傳入電腦，利用 Studio 軟件處理，獲得高精度的螺旋襯板幾何輪廓原始數據，對原始數據進行降噪、刪除雜點、對齊坐標系等操作。在 Design 軟件上可以直接逆向三維建模，以掃描得到的螺旋襯板模型軸線、關鍵端點、螺栓孔為基準，繪制出近似的三維模型，如圖3 所示。以掃描數據模型為基準，逐步調整繪制參數，逆向創建出實際襯板的精確尺寸模型，如圖4 所示。

圖3 螺旋襯板逆向三維建模Fig.3 Reverse 3D modeling of spiral liner

圖4 逆向創建的實際襯板模型Fig.4 Actual liner model created in reverse

2 激光三維掃描技術的遠景實際應用

對于單塊螺旋襯板，可以對其進行近景三維激光掃描，整體測量分析耗時約 45 min。但是已經整體裝配的螺旋攪拌器部件，要將單塊襯板拆下專門對其進行近景掃描，整項工作耗時費力。且拆裝單塊襯板、貼輔助點、天車配合起吊等步驟效率低、耗時久，也會對礦山企業造成停產損失。

通過多個現場調研及實踐驗證，采用遠景三維激光掃描，可有效快速地對螺旋攪拌器整體部件進行掃描測量分析。根據激光三維掃描儀的工作原理，單視角掃描得到的數據是片狀、不完整的，因此需要掃描被測物體的所有可見面，對數據進行后臺處理，擬合成連續的曲面。與球磨機相比，立式攪拌磨產品結構具有其特殊性，螺旋攪拌器位于筒體內部中心，外部單一視角無法同時觀察所有面，因此要將其旋轉來獲得多視角掃描數據，將所有數據進行擬合，從而得到完整的三維掃描模型。

以國內某大型礦山為例，應業主要求，停機檢修期間，對其螺旋攪拌器整體進行激光三維掃描。在螺旋攪拌器的特定位置放置 8 個標靶球體，使其與螺旋攪拌器同步旋轉，作為多個視圖的參考特征坐標點，輔助完成所有視圖的擬合處理。具體放置時，需將 8個標靶球體靠磁性吸附在螺栓底部，如圖5 所示，4個吸附在軸頭螺栓上，另 4 個吸附在襯板螺栓上。若此前已有掃描好相同型號的現場數據，在放置標靶球體時，盡量與上一次測量的放置方式一致，這樣方便后續模型進行特征對齊、比較。

圖5 螺旋攪拌器遠景掃描Fig.5 Long range scanning of spiral agitator

根據現場多次實踐經驗，選擇激光掃描儀的最佳觀察位置為正對基礎距離 6 m 處。利用掃描儀內部自帶的支架平衡裝置和平衡儀調整至水平位置，根據觀測距離設置最佳分辨率、掃描范圍、掃描角度等參數，開啟掃描儀進行數據掃描和采集工作，單視角數據采集過程耗時約 20 min。第一視角的掃描活動完成后，盤動高速軸聯軸器，使螺旋攪拌器轉動 45°，進行第 2 次掃描。整個過程共需掃描 8 組數據，耗時約3 h。

單個視角掃描得到的原始點云數據如圖6 所示。由于掃描到廠房、筒體、雜物等無關元素，可觀察到結果中包含冗余數據，存在較多噪點。利用后處理軟件 Geomagic 可對數據進行降噪、取樣、刪除體外孤點等處理，過濾掉冗余點。經過初步數據處理，可得到點云模型，采集的數據點密集、精度高，如圖7 所示?？梢杂^察到，單視角由于觀察范圍有限，點云模型呈現非連續、片狀。單視角模型上有 5～7 個明顯可見的標靶球體，掃描過程中相鄰的兩個視角點云模型必然有至少 3 個共同坐標的標靶球體，利用共有標靶球體特征可將兩視角點云模型擬合為一體。逐步將所有視角的點云數據模型擬合成為一個多視角的整體三維點云模型，如圖8 所示。

圖6 測量得到的原始點云數據Fig.6 Primary point cloud data obtained from measurement

圖7 處理后的片狀點云數據Fig.7 Flake point cloud data after processing

圖8 整合后的整體點云數據Fig.8 Overall point cloud data after integration

利用后處理軟件 Geomagic 可對點云模型進行特定位置截面分析，測量所需的襯板局部厚度、襯板直徑、螺旋升角等關鍵數據，如圖9 所示。由圖9 可以看出，螺旋襯板外徑數據約為 3 200 mm，中層襯板厚度數據約為 210 mm。以此為例，得到能夠反映出襯板磨損規律的量化結果，最終建立襯板損耗模型，預測襯板壽命，并制定契合用戶需求的襯板優化方案。

圖9 襯板點云截面分析Fig.9 Cross section analysis of point cloud for liner

3 螺旋襯板磨損分析的實際應用

受智利某大型銅礦選廠委托，對其現場的螺旋襯板磨損情況進行分析。現場根據運行電流、處理量變化，初步判斷螺旋襯板已經嚴重磨損?，F場按計劃停機檢修，由于螺旋襯板的輪廓異形且存在不規則磨損，局部損耗程度無法量化，難以準確預測螺旋襯板的實際使用壽命。該現場使用激光三維掃描儀，對螺旋攪拌器進行遠景掃描，得到了單個視角的點云數據，如圖10、11 所示。委托專業機構利用 Geomagic軟件進行數據處理，并合理預測襯板的實際壽命，提出優化建議。

圖10 底層襯板尖端處點云截面分析Fig.10 Cross section analysis of point cloud at tip of bottom liner

圖11 底層襯板直徑點云截面分析Fig.11 Cross section analysis of point cloud of diameter of bottom liner

由圖10、11 可以看出，最底層襯板圓弧磨損面的尖點距離鑄造吊耳的定位尺寸為x方向 264 mm 和y方向 361 mm，襯板磨損后的外徑為 1 284 mm (襯板自身測量尺寸為 1 054 mm，已知軸半徑為 230 mm)。以此為例，得到更多的外形定位點位置，可以擬合分析出當前襯板的外形輪廓曲線。

根據以上方案，對底層螺旋襯板的磨損進行分析，提取襯板的磨損曲線，與初始設計的襯板曲線進行對比，可以分析出螺旋襯板的磨損趨勢與極限位置。根據掃描信息，擬合分析得到當前襯板尖端及直徑輪廓曲線，如圖12 所示。由圖12 可以看出，底層襯板尖端、直徑均已磨損嚴重，與托板間的最小剩余量僅為 62 mm，并且托板尖點已經被局部磨損，必須立即更換。

圖12 襯板尖端磨損前后對比Fig.12 Comparison of liner tip before and after wear

對頂層螺旋襯板的磨損進行分析，如圖13 所示。利用 Geomagic 軟件在點云模型中測量，頂層螺旋襯板當前厚度為 196 mm，與襯板原始厚度 200 mm相比，磨損率僅為 2.5%。推測原因為：研磨介質的有效運行高度無法到達頂層襯板，僅由物料對襯板造成的磨損很小。雖然激光三維掃描技術的應用給用戶襯板優化和生產組織帶來了很大便利，但是這項技術本身仍存在一定的局限性，特別是測量精度有限，導致該技術在襯板磨損的測量分析上還比較粗糙，其有效性還依賴于襯板大的磨損量對誤差的高容忍度[3]。

圖13 頂層襯板點云Fig.13 Point cloud of top liner

基于以上信息，對該礦山現場螺旋襯板的壽命作出以下推論：底層螺旋襯板直徑磨損嚴重，不具備提升物料和研磨介質的能力，必須立即更換；底層螺旋襯板尖端部分已經磨損為近乎圓形，表明尖端處受磨損最嚴重，后續應對此處進行局部加厚設計；根據分析結果，對底層螺旋襯板進行變螺距加厚設計，能夠有效增加受損部位的有用金屬，延長底層螺旋襯板的使用壽命，提升礦山經濟效益。

在螺旋運動過程中，葉片上的介質球既因摩擦產生自轉運動，又因螺旋推動沿圓周做公轉運動，公轉運動使介質球產生離心力，且沿徑向不同半徑處介質球的線速度不同，于是產生徑向的離心磨礦作用[4]。筒體內的環形內腔是磨內重要的有效磨礦區域，襯板邊緣的介質線速度最大，與筒體內壁靜止的介質之間形成梯次速度差，進而起到磨礦作用。襯板邊緣與筒體內壁的間距約為 20 倍的介質直徑。通過對螺旋襯板的磨損情況分析，當螺旋襯板半徑受磨損減小，引起襯板邊緣與筒體內壁的間距增大，介質最大線速度區域向軸方向偏移，對外側介質的帶動能力下降，進而導致離心磨礦效果減弱。

4 結語

利用激光三維掃描技術，能夠實現立式攪拌磨螺旋襯板的快速、準確掃描測量，并可對磨損情況進行定量分析。根據單塊、多塊裝配一體的不同情況，可分別采用近景、遠景 2 種方式進行激光三維掃描，并對點云數據進行后續擬合處理、逆向建模對比分析，進而對襯板磨損情況進行準確的量化分析。該方法不僅可以探索螺旋襯板的局部磨損速率、輪廓變化趨勢，準確推測現有襯板的使用壽命，合理規劃更換、維護周期，還能同步進行局部結構優化設計，進一步提高磨機運轉率，強化立式攪拌磨高效節能的設備優點，最終降低礦山綜合運維成本。