磨礦設(shè)備是選礦工藝準(zhǔn)備作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其投資成本占選礦廠全部投資的 60% 以上，運(yùn)營(yíng)成本占選礦廠的 65%～70%。襯板是大型自磨機(jī)、半自磨機(jī)和球磨機(jī)的主要耗材，以 φ10.37 m×5.19 m半自磨機(jī)為例，襯板總質(zhì)量超過 400 t，其中筒體襯板及部分排料襯板總質(zhì)量超過 300 t，每年更換 3 ～ 5次，單臺(tái)設(shè)備每年的襯板更換費(fèi)用達(dá)數(shù)千萬元。在磨礦生產(chǎn)作業(yè)中，襯板長(zhǎng)期與礦石、鋼球等發(fā)生沖擊和研磨，同時(shí)還會(huì)受到礦漿的腐蝕，當(dāng)襯板磨損達(dá)到一定程度后，磨礦效率降低，襯板本身也會(huì)由于厚度變薄而容易碎裂，襯板失效以后，筒體直接受到鋼球和物料的沖擊而損壞，因此襯板的磨損量需要重點(diǎn)監(jiān)控，并做到定期更換襯板。

由于工況惡劣以及技術(shù)條件的限制，襯板磨損檢測(cè)一直是磨礦行業(yè)的難題。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外襯板磨損測(cè)量的現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行總結(jié)，并提出襯板磨損在線測(cè)量的技術(shù)方案。

1 襯板磨損的傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)

目前檢測(cè)襯板磨損的常用方法有人工測(cè)量法、超聲波測(cè)量法和激光三維掃描測(cè)量法，下面分別對(duì)這 3種測(cè)量方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1.1 人工測(cè)量法

人工測(cè)量法是在磨機(jī)停機(jī)后先放置一段時(shí)間，待筒體內(nèi)溫度降低后，工人進(jìn)入磨機(jī)內(nèi)，通過尺子或者專用的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量 (見圖1)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)制定更換襯板時(shí)間表和進(jìn)行看板管理。人工測(cè)量耗時(shí)耗力，作業(yè)效率低，測(cè)量數(shù)據(jù)少，尤其在襯板使用中后期，由于襯板制造工藝的特點(diǎn)，襯板磨損速率會(huì)發(fā)生急劇變化，用較少的數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)變化較大的磨損趨勢(shì)，預(yù)測(cè)誤差大，給生產(chǎn)管理帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)生產(chǎn)管理人員造成極大的心理壓力，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的需要。

圖1 人工測(cè)量磨機(jī)襯板磨損

1.2 超聲波測(cè)量法

將超聲波測(cè)厚儀放入磨機(jī)筒體內(nèi)，人工測(cè)量襯板厚度，通過多次測(cè)量的差值來計(jì)算襯板磨損量，如圖2所示。超聲波測(cè)厚儀 (見圖3) 主要由主機(jī)和探頭兩部分組成。主機(jī)電路包括發(fā)射電路、接收電路、計(jì)數(shù)顯示電路 3 部分。由發(fā)射電路產(chǎn)生的高壓沖擊波激勵(lì)探頭，產(chǎn)生超聲脈沖波，脈沖波經(jīng)介質(zhì)界面發(fā)射后被接收電路接收，通過單片機(jī)計(jì)數(shù)處理后，經(jīng)液晶顯示器顯示厚度值，現(xiàn)場(chǎng)使用前一般需要先用鋼塊進(jìn)行標(biāo)定。被測(cè)件厚度

式中：v 為材料聲速；T 為超聲波在試件中往返一次的傳播時(shí)間。

圖2 超聲波測(cè)厚儀測(cè)量襯板磨損

圖3 超聲波測(cè)厚儀

由于超聲波處理方便，并有良好的指向性，可用于測(cè)量金屬和非金屬材料，所以可用其測(cè)量金屬襯板和橡膠襯板，測(cè)量厚度一般超過 400 mm，該尺寸可滿足絕大部分磨機(jī)的使用要求。

1.3 三維激光掃描測(cè)量法

三維激光掃描儀 (見圖4) 按其原理分為三角測(cè)量、相位式和脈沖式，在磨機(jī)上應(yīng)用主要采用相位式。如圖5所示，采用無線電波段的頻率對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，并測(cè)定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測(cè)定出光往返所需要的時(shí)間，掃描儀記錄本身在水平和垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度，通過軟件計(jì)算出三維數(shù)據(jù)。

可得相移 φ 發(fā)生的時(shí)間為，即光傳播 2d 距離所用的時(shí)間，則

式中：d 為從激光發(fā)射器到被測(cè)物體間距離；c 為光速；fm 為設(shè)定的波段頻率。

圖4 三維激光掃描儀

圖5 三維掃描測(cè)量原理

中信重工機(jī)械股份有限公司 (以下簡(jiǎn)稱“中信重工”) ..將該技術(shù)用于國(guó)內(nèi)磨機(jī)襯板磨損測(cè)量，如圖6所示。目前已經(jīng)為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提供襯板磨損分析報(bào)告數(shù)十份，并對(duì)襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使襯板的壽命和磨機(jī)的工作效率都有了較大的提高。筆者以某礦山大型磨機(jī)的應(yīng)用為例，對(duì)基于激光三維掃描技術(shù)的襯板磨損測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

圖6 三維激光掃描儀在磨機(jī)內(nèi)測(cè)量襯板磨損及掃描到的點(diǎn)云圖

2 基于激光三維掃描的磨機(jī)襯板磨損測(cè)量技術(shù)

以某現(xiàn)場(chǎng)自磨機(jī)進(jìn)料端襯板磨損量測(cè)量為例簡(jiǎn)要說明測(cè)量結(jié)果。從圖7可以看出，進(jìn)料端襯板總體狀態(tài)較差，尤其中圈襯板磨損..為嚴(yán)重。內(nèi)圈襯板狀態(tài)良好，但與中圈襯板結(jié)合處，底板厚度約為 50 mm，提升條厚度約為 155 mm；中圈襯板底板大部分厚度為 35 ～ 50 mm，..薄處約為 25 mm，提升條磨損較為均勻，其厚度為 140 ～ 160 mm；外圈襯板底板大部分厚度為 42 ～ 50 mm，..薄處約為 35 mm，提升條狀態(tài)良好，大部分厚度為 200 ～ 235 mm。

圖7 自磨機(jī)進(jìn)料端襯板磨損云圖和磨損量

如前所述，每次襯板掃描都會(huì)得到襯板提升條的高度和襯板截面形狀，經(jīng)過多次掃描后即得到襯板高度和襯板截面形狀隨時(shí)間變化的關(guān)系模型，如圖8所示；利用關(guān)系模型可以制定襯板更換計(jì)劃，如圖9所示。

圖8 襯板磨損情況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 襯板更換計(jì)劃

激光三維掃描技術(shù)的使用，大大提高了襯板磨損檢測(cè)的精度和技術(shù)水平，但該技術(shù)仍然存在一定的局限性，比如數(shù)據(jù)后處理過程十分繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，而且仍然需要在磨機(jī)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，不可避免地會(huì)在一定程度上影響磨機(jī)的作業(yè)率。

3 襯板磨損在線測(cè)量技術(shù)

在研究了大量國(guó)內(nèi)外襯板測(cè)量技術(shù)后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，開發(fā)了磨機(jī)襯板磨損在線測(cè)量系統(tǒng)，可在不停機(jī)的情況下對(duì)襯板磨損量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1 系統(tǒng)組成

襯板磨損在線測(cè)量系統(tǒng)由智能螺栓 (含螺栓傳感器和信號(hào)發(fā)射器)、無線信號(hào)接收器和上位機(jī) 3 部分構(gòu)成。其中上位機(jī)可以將磨損數(shù)據(jù)及襯板壽命預(yù)測(cè)值通過通信方式傳輸至中控 DCS 畫面上，還可以通過加密的 SDK 傳輸?shù)皆破脚_(tái)，并可以通過手機(jī)端查看，便于生產(chǎn)管理，如圖10所示。

圖10 襯板磨損在線測(cè)量系統(tǒng)的組成

3.2 智能螺栓的結(jié)構(gòu)

智能螺栓外形與原有螺栓基本一致，可代替襯板上的原有螺栓，將襯板緊固在礦用磨機(jī)筒體上。智能螺栓的扁頭比傳統(tǒng)螺栓長(zhǎng)，加長(zhǎng)的扁頭內(nèi)部集成長(zhǎng)度傳感器探頭、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊等，采用絕緣材料澆注在智能螺栓內(nèi)部。智能螺栓內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 智能螺栓內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.螺栓外殼 2.絕緣澆注料 3.傳感器探頭 4.傳感器模塊5.處理器模塊 6.無線通信模塊 7.天線 8.電源模塊

3.3 系統(tǒng)工作原理

如圖12所示，將智能螺栓裝入襯板，智能螺栓扁頭部分和襯板提升條平齊，隨著襯板的磨損，扁頭及嵌入其中的傳感器同樣磨損，磨損的傳感器信號(hào)經(jīng)過處理壓縮后通過無線方式發(fā)出，再經(jīng)過磨機(jī)旁邊的無線信號(hào)接收器 (見圖13) 將信號(hào)轉(zhuǎn)化為襯板磨損量。螺栓控制中心從現(xiàn)場(chǎng) PLC 或 DCS 中采集礦用磨機(jī)的礦石處理量，將礦石處理量與襯板磨損量結(jié)合起來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，預(yù)測(cè)出襯板的使用壽命。

圖12 襯板磨損在線測(cè)量系統(tǒng)工作原理

1.智能螺栓 2.無線信號(hào)接收器 3.中控 DCS 操作員站4.其他設(shè)備 (如 PLC)

圖13 無線信號(hào)接收器

4 襯板磨損在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝

現(xiàn)場(chǎng)安裝使用時(shí)，根據(jù)襯板的磨損情況在磨損較快的位置布置智能螺栓 (分別在圓周方向和長(zhǎng)度方向)，布置數(shù)量可根據(jù)磨機(jī)的規(guī)格和襯板數(shù)量綜合決定。如圖14所示，分別在進(jìn)料端襯板和筒體襯板 7個(gè)不同位置安裝螺栓，每圈螺栓中布置 2 個(gè)智能螺栓，共計(jì) 14 個(gè)，能較好地覆蓋磨機(jī)襯板的磨損情況。

圖14 智能螺栓的安裝位置

圖15 Web 端和手機(jī)端顯示襯板磨損量和剩余壽命

4.2 襯板磨損數(shù)據(jù)的采集與顯示

磨損數(shù)據(jù)的采集和發(fā)射靠電池供電，電池奉命超過半年。該系統(tǒng)可根據(jù)選廠的需求對(duì)磨損數(shù)據(jù)的采樣頻率進(jìn)行設(shè)置。磨損數(shù)據(jù)可通過 4G 信號(hào)傳送至中信云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，選廠可以通過 Web 端和手機(jī) APP 查看襯板磨損狀態(tài)，結(jié)合 DCS 系統(tǒng)中的處理數(shù)據(jù)，對(duì)剩余壽命和剩余礦量進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖15所示。

4.3 襯板磨損數(shù)據(jù)分析與壽命預(yù)測(cè)

由于實(shí)現(xiàn)了襯板磨損量的在線測(cè)量，選廠可以采集全襯板使用周期隨時(shí)間變化的密集數(shù)據(jù)。通過對(duì)襯板磨損大數(shù)據(jù)的分析和整理，計(jì)算出襯板磨損速率，建立襯板壽命預(yù)測(cè)模型，得到不同時(shí)期襯板磨損速率的變化情況和剩余壽命預(yù)測(cè) (見圖16)，用于指導(dǎo)磨機(jī)生產(chǎn)操作和襯板備件管理，同時(shí)還可以指導(dǎo)襯板制造廠家改進(jìn)熱處理工藝，提高襯板在截面方向硬度的均勻性。

圖16 襯板磨損速率和襯板壽命預(yù)測(cè)曲線

5 不同測(cè)量方法技術(shù)參數(shù)對(duì)比

分別從測(cè)量原理、測(cè)量精度等 7 個(gè)方面，將人工測(cè)量、超聲波測(cè)量、激光三維掃描測(cè)量和在線測(cè)量 4種方法的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所列。從表1可以看出，激光三維掃描測(cè)量方法測(cè)量精度..高，達(dá)到±2 mm，但數(shù)據(jù)后處理時(shí)間較長(zhǎng)；在線測(cè)量方法由于工況惡劣和鑄造本身的誤差，測(cè)量精度為±3 mm，但也能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，而且在線測(cè)量技術(shù)還具有不需要停機(jī)、測(cè)量數(shù)據(jù)量大、融合生產(chǎn)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)壽命準(zhǔn)確及測(cè)量成本不高等特點(diǎn)，相比于其他測(cè)量手段有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

表1 不同測(cè)量方法技術(shù)參數(shù)對(duì)比

6 結(jié)語

襯板是磨礦設(shè)備的重要耗材，其磨損監(jiān)測(cè)及更換時(shí)間對(duì)提高磨機(jī)作業(yè)率至關(guān)重要。中信重工開發(fā)的襯板磨損在線測(cè)量技術(shù)，測(cè)量精度可以達(dá)到±3 mm，..實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)測(cè)量襯板磨損，減少了因停機(jī)而造成的損失，同時(shí)避免了人工進(jìn)入磨機(jī)測(cè)量，提高了生產(chǎn)..性；安裝簡(jiǎn)單可靠，無需現(xiàn)場(chǎng)任何設(shè)備改造；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用戶可以通過手機(jī)端查看襯板磨損情況和剩余壽命，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)已在某選廠大型半自磨機(jī)上得到驗(yàn)證，能夠準(zhǔn)確測(cè)量襯板的磨損數(shù)據(jù)，經(jīng)過一個(gè)襯板周期的測(cè)量，積累了襯板磨損隨時(shí)間變化的大數(shù)據(jù)，可用于指導(dǎo)磨礦生產(chǎn)作業(yè)和改良襯板制造工藝，優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)。該技術(shù)方案成熟可靠，已經(jīng)取得..發(fā)明..，可在國(guó)內(nèi)外礦山磨礦行業(yè)推廣應(yīng)用。

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