黃 鵬 賈民平 鐘秉林 楊小蘭

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京211189)

(2南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京211167)

筒式鋼球磨煤機(jī)(以下簡稱球磨機(jī))是一種常見而典型的磨粉設(shè)備，它在金屬礦及非金屬選礦廠、建材、耐火材料、水泥、化工、電力、陶瓷、醫(yī)藥、建筑、輕工和冶金等行業(yè)的物料粉碎中得到了廣泛的應(yīng)用.同時球磨機(jī)也是企業(yè)的耗能大戶，據(jù)測算，球磨機(jī)能耗可達(dá)企業(yè)總能耗的15% ～50%，是潛在的節(jié)能大戶［1-2］.如何有效地保障球磨機(jī)高效、優(yōu)化運(yùn)行是應(yīng)用企業(yè)的一個重要目標(biāo).但由于球磨機(jī)系統(tǒng)是一個非線性、大滯后、強(qiáng)耦合和具有多種不確定性擾動的多變量對象，加上球磨機(jī)滾筒內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致目前料位檢測還缺乏可靠的手段，致使在球磨機(jī)的實際運(yùn)行中為了怕出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象，經(jīng)常運(yùn)行于極不經(jīng)濟(jì)工況，制粉電耗偏高;同時也造成球磨機(jī)自動控制系統(tǒng)難以長期可靠投用，料位控制靠人工操作.因此料位的準(zhǔn)確測量是保障球磨機(jī)自動、安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵和基礎(chǔ).

目前國內(nèi)外采用了很多方法來檢測料位.早期傳統(tǒng)的方法有利用球磨機(jī)滾筒內(nèi)的噪聲［3］、球磨機(jī)筒體的應(yīng)變［4-5］等作為料位特征量來檢測料位.在火力發(fā)電廠球磨機(jī)的運(yùn)行過程中，滾筒內(nèi)的鋼球和煤塊在離心力和襯板摩擦力的作用下，被轉(zhuǎn)動的滾筒帶到一定的高度，然后受重力作用沿拋物線落下.鋼球的下落沖擊能量一部分被煤塊吸收，實現(xiàn)煤塊的粉碎與研磨;另一部分沖擊能量被傳遞到筒體，引起筒體的振動，并經(jīng)過筒體傳遞給球磨機(jī)的前、后軸承座，引起軸承座的振動.當(dāng)球磨機(jī)滾筒內(nèi)存煤量較多時，煤塊吸收的能量較多，此時傳到筒體和軸承座上的能量較少，振動也相對較小，反之亦然.因此滾筒與軸承座的振動強(qiáng)弱可以反映球磨機(jī)滾筒內(nèi)的存煤量.由于在球磨機(jī)的前后軸承座安裝振動傳感器比較方便，因此目前常用的料位檢測法是以球磨機(jī)前后軸承座的振動信號作為判別料位的依據(jù).該方法通過從軸承振動信號中提取振動料位特征量，如振動信號的能量［6］、功率［7］與有效值［8］等，來檢測滾筒內(nèi)的料位.

但由于引起軸承振動的原因很復(fù)雜，除了鋼球撞擊滾筒所傳遞的振動外，還存在一些其他振動來源，如基礎(chǔ)振動、各部分轉(zhuǎn)動不對稱造成的振動、安裝誤差引起的振動等.此外，距離振動源傳遞路徑長對在測量點(diǎn)拾取的振動信號特性也有一定的影響.因此與筒體上的振動信號相比，軸承座的振動并不能很準(zhǔn)確地反映滾筒內(nèi)鋼球的撞擊情況及料位信息.

基于上述原因，本文對球磨機(jī)筒體上的振動信號進(jìn)行分析和處理，以此來提取新的料位特征量.在本研究中，通過球磨機(jī)工業(yè)現(xiàn)場不同料位工況下的實驗來分析和比較球磨機(jī)筒體與前、后軸承座振動料位的特征量，以確定更優(yōu)的料位檢測量，為料位的準(zhǔn)確測量提供可靠的依據(jù).

1 球磨機(jī)振動信號采集實驗

1.1 實驗

實驗對象為火力發(fā)電廠所用球磨機(jī)，其直徑為3.5 m，筒體長6.0 m，型號MG350/600，球磨機(jī)筒體被電機(jī)(YTM630-6，功率1 000 kW，轉(zhuǎn)速985 r/min)經(jīng)過減速傳動后帶動旋轉(zhuǎn)，筒體的工作轉(zhuǎn)速為17.57 r/min.球磨機(jī)滾筒內(nèi)鋼球裝載量為38 t，鋼球的直徑分別為40，50與60 mm，各直徑鋼球的質(zhì)量比為4∶4∶2;滾筒內(nèi)的物料為煤塊與煤粉的混合物.

在目前的利用軸承振動檢測料位方法中，振動傳感器安裝在球磨機(jī)筒體的前、后軸承座上，如圖1中的測點(diǎn)5，6位置.從球磨機(jī)縱截面來看，筒體內(nèi)煤粉高度是從進(jìn)口到出口向下傾斜的，而不是在筒體內(nèi)均勻分布的［9］，如圖2所示.因此在筒體上安裝一個傳感器采集的數(shù)據(jù)并不能完整地描述筒體內(nèi)的存煤情況，需要安裝多個傳感器在球磨機(jī)筒體的不同位置上，本研究中在筒體上的同一軸向共安裝4個振動加速度傳感器來采集振動數(shù)據(jù)，如圖1 中的測點(diǎn) 1，2，3，4.

圖1 振動加速度測點(diǎn)安裝示意圖

圖2 球磨機(jī)滾筒內(nèi)料位分布示意圖(縱截面)［9］

與軸承振動信號采集相比，筒體上傳感器的安裝、振動信號的采集與傳輸都比較困難.由于傳感器安裝在筒體上隨球磨機(jī)一起轉(zhuǎn)動，因此不能像傳統(tǒng)的軸承振動信號采集一樣把傳感器與采集計算機(jī)直接相連.本實驗室開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集與無線傳輸裝置，該裝置與傳感器相連接，把采集到的振動信號無線傳輸?shù)讲杉嬎銠C(jī)中.該裝置在筒體上安裝時，首先在筒體上焊接一個金屬底板，然后通過4個螺栓與螺釘把裝置固定在該金屬板上，圖3為該裝置在球磨機(jī)筒體上的安裝實物圖.

圖3 球磨機(jī)筒體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場安裝示意圖

在球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，筒體上的振動測點(diǎn)隨球磨機(jī)一起轉(zhuǎn)動，這需要在數(shù)據(jù)采集時確定測點(diǎn)在筒體上的采集區(qū)域.由于鋼球?qū)γ簤K的沖擊振動信息能直接反映滾筒內(nèi)料位的多少，因此在本研究中筒體振動數(shù)據(jù)采集區(qū)域為鋼球的沖擊區(qū)域.通過仿真與理論計算，筒體內(nèi)鋼球下落沖擊區(qū)域位于筒體上周向310°～340°區(qū)域范圍［10］.因此把該區(qū)域作為筒體上振動信號的采集區(qū)域，如圖4所示.

圖4 球磨機(jī)筒體數(shù)據(jù)采集區(qū)域示意圖

傳感器通過采集系統(tǒng)中的光電開關(guān)在筒體上特定的周向位置進(jìn)行信號采集(見圖3)，這是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，其工作示意圖如圖5所示.在球磨機(jī)筒體的正下方放置了一個光電開關(guān)觸發(fā)裝置，當(dāng)光電開關(guān)隨轉(zhuǎn)動的筒體經(jīng)過該位置時，觸發(fā)裝置將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的光線反射到接收器，此時光電開關(guān)產(chǎn)生了開關(guān)信號，該位置為采樣裝置與傳感器的初始相位.通過上位機(jī)發(fā)送的延時命令，就可以確定傳感器在筒體上采集信號的周向位置.

圖5 光電開關(guān)工作示意圖

1.2 球磨機(jī)筒體與軸承座振動信號采集

在球磨機(jī)的運(yùn)行過程中，滾筒內(nèi)料位的高低可以由給煤機(jī)來控制，當(dāng)給煤機(jī)單位時間內(nèi)的給煤量大時，則滾筒內(nèi)料位較高，否則滾筒內(nèi)料位較低，因此在實驗中不同給煤量工況可以認(rèn)為是不同料位工況.實驗中，在鋼球裝載量38 t條件下，分別在給煤量0，20，30，35，40，45，50，55 t/h 八個穩(wěn)定工況下采集球磨機(jī)筒體與軸承座振動信號.其中筒體振動信號的采樣頻率 fs=40 kHz，采樣點(diǎn)數(shù) N=4 096;軸承座振動信號采樣頻率fs=19.2 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)N=2 048.數(shù)據(jù)采集實驗步驟如下:

①在球磨機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，把給煤量調(diào)整到0 t/h，對球磨機(jī)進(jìn)行抽空，大約8～10 min后球磨機(jī)無煤(料位0%)，此時處于給煤量為0 t/h的穩(wěn)定工況，開始采集球磨機(jī)振動數(shù)據(jù).

②在0 t/h的穩(wěn)定工況下，同時開始采集球磨機(jī)前后軸承與筒體各測點(diǎn)信號，其中球磨機(jī)前后軸承振動信號分別采集30組.

③在采集軸承振動信號的同時，通過信號采集系統(tǒng)的上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送延時命令，使筒體4個測點(diǎn)同時在周向310°～340°區(qū)域采集數(shù)據(jù)，4個測點(diǎn)分別在該區(qū)域各采集30組振動信號.

④ 按相同的方法，分別在給煤量20，30，35，40，45，50，55 t/h七個穩(wěn)定工況采集筒體與軸承振動信號.

在實驗中采集多組振動信號的原因主要是:①消除數(shù)據(jù)采集過程中帶來的誤差;②消除由于電流頻率波動造成電動機(jī)轉(zhuǎn)速誤差，而給球磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)速帶來波動誤差.圖6(a)為筒體振動信號時域圖，圖6(b)為其相對應(yīng)的頻譜圖.從圖6(a)與(b)信號的幅值可以看出，筒體上鋼球沖擊比較大.同時從圖6(b)可以看出，信號的能量主要集中在以4 kHz為中心，1～10 kHz的頻帶范圍內(nèi).這是鋼球沖擊造成的主要頻率響應(yīng)范圍，同時該頻帶范圍內(nèi)的振動信息可以較準(zhǔn)確地反映球磨機(jī)滾筒內(nèi)鋼球與煤及筒體的撞擊情況.

2 球磨機(jī)振動信號的濾波處理

由上述可知，筒體上鋼球沖擊的頻率響應(yīng)主要集中在1～10 kHz范圍內(nèi)，因此為了剔除其他因素對料位信號的影響，需要一個帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波來提取鋼球的沖擊振動信息.在本研究中設(shè)計一個在通帶中具有等波形響應(yīng)的切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器.該濾波器設(shè)計參數(shù)為:通帶邊界頻率為1.001～10 kHz;通帶波紋小于3;阻帶衰減大于30 dB;過渡帶寬為500 Hz;采樣頻率40 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)4 096.根據(jù)上述設(shè)計參數(shù)，所得到的帶通濾波器的幅頻特性如圖7所示.

圖6 球磨機(jī)筒體振動信號時域與頻譜圖

圖7 切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器的幅頻特性圖

圖8為圖6中經(jīng)過濾波處理后信號的時域與頻譜圖.從圖8(b)頻譜圖中可以看出，料位特征頻段在1.001～10 kHz范圍內(nèi)的信息被保留，其他非特征頻段的信息被剔除.用相似的方法，對軸承座振動信號也進(jìn)行濾波處理.

圖8 濾波后筒體振動信號時域與頻譜圖

3 球磨機(jī)振動數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 筒體振動料位特征量的提取

由球磨機(jī)筒體與軸承振動機(jī)理可知，相對于球磨機(jī)軸承振動信號，筒體振動信號更能直接、準(zhǔn)確地反映料位信息，但這僅是理論上的分析結(jié)果，還需要通過實際的數(shù)據(jù)分析來驗證這一結(jié)論的正確性.本文通過分析和比較筒體與軸承振動的料位特征量，來確定較優(yōu)的料位振動信號及特征量.在目前利用軸承振動檢測料位的方法中，大多采用振動有效值作為料位特征量.在本研究中，每種給煤量工況前后軸承座振動信號的有效值為該工況采集的30組振動信號有效值的平均值，計算公式如下:

為了便于對比，本文從筒體振動信號中提取有效值作為筒體振動的料位特征量.每種給煤量工況下筒體上各測點(diǎn)振動有效值為該工況各測點(diǎn)采集的30組振動信號有效值的平均值，計算公式為

根據(jù)式(1)與(2)可以計算得到球磨機(jī)前、后軸承座及筒體上各測點(diǎn)(共6個測點(diǎn))在每種給煤量工況下的振動有效值，圖9為給煤量與各測點(diǎn)振動有效值關(guān)系圖.由圖可見，隨著給煤量(料位)的增大，球磨機(jī)筒體與軸承振動呈下降趨勢，這與理論分析結(jié)論一致.在圖9(a)中，給煤量從0 t/h開始增加的過程中，筒體上靠近出煤端測點(diǎn)采集的振動數(shù)據(jù)有效值更大，這說明越靠近出煤端煤位越低，筒體上所受鋼球的沖擊振動越大，這也驗證了圖2中筒體內(nèi)料位分布的結(jié)論.圖9(b)也反映了相同的情況，在相同給煤量工況下，后軸承座(測點(diǎn)6)的振動有效值更大.

圖9 給煤量與球磨機(jī)筒體及軸承座振動有效值關(guān)系圖

在圖9(a)中，隨著給煤量的繼續(xù)增加，滾筒內(nèi)煤塊與煤粉混合物的分界線不斷上移，滾筒的料位不斷上升，煤層對鋼球沖擊的減振作用不像低工況時那么明顯，此時進(jìn)口與出口筒體的振動趨于接近，并在最大給煤量工況(55 t/h)時基本趨于相等.這一結(jié)論與文獻(xiàn)［9，11］中認(rèn)為前后軸振能量在球磨機(jī)最大制粉出力時趨于相同的結(jié)論相似，圖9(b)也驗證了這一結(jié)論.同時，文獻(xiàn)［9，11］認(rèn)為可以利用這一特性判斷球磨機(jī)是否處于最大出力.由于給煤量55 t/h工況同時也是鋼球裝載量38 t條件下的最優(yōu)工況，因此在本研究中也可以利用筒體振動的這一特性來判斷球磨機(jī)是否運(yùn)行于最大給煤量工況與優(yōu)化區(qū)域.

3.2 筒體與軸承座振動料位特征量的比較

在本研究中通過計算筒體與軸承座振動反映料位變化的敏感程度，來分析和比較2種料位特征量.由于軸承振動信號的有效值與筒體振動信號的有效值相差幾個(4個左右)數(shù)量級，因此為了使2種信號的數(shù)據(jù)在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較，對2種信號的有效值采用如下方法進(jìn)行了歸一化計算:

式中，x'i為歸一化處理后的數(shù)據(jù);xi為振動有效值數(shù)據(jù);xmax為各測點(diǎn)每種工況振動有效值的最大值;xmin為各測點(diǎn)每種工況振動有效值的最小值.

利用相鄰工況振動信號有效值的變化來獲得信號，反映料位變化敏感程度的指標(biāo)計算公式如下:

式中，aj為振動有效值反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo);x'j為第j種工況振動有效值歸一化處理后的數(shù)據(jù);x'j+1為第j+1種工況振動有效值歸一化處理后的數(shù)據(jù).

表1為根據(jù)式(4)計算所得的各測點(diǎn)振動有效值反映料位變化敏感程度的指標(biāo).表中序號1表示給煤量0 t/h工況，以此類推，序號8表示給煤量55 t/h工況.根據(jù)表1所獲得各測點(diǎn)振動有效值敏感程度指標(biāo)的平均值可以看出，4個筒體測點(diǎn)振動有效值反映料位變化的敏感程度更高，這說明筒體振動料位特征量更能靈敏地反映滾筒內(nèi)料位的微小變化，同時也能監(jiān)測大范圍的料位變化.從前后軸承座振動有效值的敏感程度指標(biāo)比較來看，前軸承更能靈敏地反映料位的變化，這也與目前軸承振動法的研究結(jié)論相同［12］.

表1 各測點(diǎn)振動有效值反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo)

表2為由未經(jīng)濾波的原始振動數(shù)據(jù)得到的各測點(diǎn)振動有效值反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo).由表1與表2對比可以發(fā)現(xiàn)，與原始振動信號相比，濾波后的振動信號更能靈敏地反映料位的變化.

表2 各測點(diǎn)原始振動信號反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo)

4 結(jié)語

料位的準(zhǔn)確測量是實現(xiàn)球磨機(jī)高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵，而能準(zhǔn)確反映料位信息的特征量又是實現(xiàn)料位精確檢測的關(guān)鍵.在本研究中針對筒體振動信號與料位分布的特點(diǎn)，設(shè)計了一套筒體振動信號采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集方案，對筒體振動信號進(jìn)行了采集與分析，并把不同給煤量工況的筒體與軸承座振動料位特征量進(jìn)行了比較.結(jié)果證明筒體振動料位特征量更能靈敏地反映料位的變化，具有較好的優(yōu)越性，為實現(xiàn)料位的準(zhǔn)確測量提供了堅實的基礎(chǔ).

References)

［1］Huang Peng，Jia Minping，Zhong Binglin.Investigation on measuring the fill level of an industrial ball mill based on the vibration characteristic of the mill shell［J］.Minerals Engineering，2009，22(14):1200-1208.

［2］Wang M H，Yang R Y，Yu A B.DEM investigation of energy distribution and particle breakage in tumbling ball mills［J］.Powder Technology，2012，223:83-91.

［3］Kang Enshun，Guo Yugang，Du Yuyuan.Acoustic vibration signal processing and analysis in ball mill［C］//Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation.Dalian，China，2006:6690-6693.

［4］Kolacz J.Measurement system of the mill charge in grinding ball mill circuits［J］.Minerals Engineering，1997，10(12):1329-1338.

［5］Kolacz J.Control of the mill charge behavior in dry tumbling mills［J］.Minerals Engineering，1999，12(1):51-64.

［6］Su Zhigang，Wang Peihong，Yu Xiangjun.Experimental investigation of vibration signal of an industrial tubular ball mill:Monitoring and diagnosing［J］.Minerals Engineering，2008，21(10):699-710.

［7］Si Gangquan，Cao Hui，Zhang Yanbin.Experimental investigation of load behaviour of an industrial scale tumbling mill using noise and vibration signature techniques［J］.Minerals Engineering，2009，22(15):1289-1298.

［8］Behera B，Mishra B K，Murty C V R.Experimental analysis of charge dynamics in tumbling mills by vibration signature technique ［J］.Minerals Engineering，2007，20(1):84-91.

［9］蘇志剛，于向軍，呂震中，等.基于軸振灰關(guān)聯(lián)分析的磨煤機(jī)最大制粉出力判斷［J］.熱力發(fā)電，2006，35(11):29-33.Su Zhigang，Yu Xiangjun，Lü Zhenzhong，et al.Judgment of ball-mills maximal coal pulverizing capacity based on gray incidence analysis of shaft vibration［J］.Thermal Power Generation，2006，35(11):29-33.(in Chinese)

［10］Huang Peng，Jia Minping，Zhong Binglin.New method to measure the fill level of the ball millⅠ-theoretical analysis and DEM simulation［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，23(4):460-467.

［11］蘇志剛，于向軍，呂震中.基于軸振能量譜灰分析的磨煤機(jī)最大制粉出力工況診斷［J］.江蘇電機(jī)工程，2007，26(1):8-10.Su Zhigang，Yu Xiangjun，Lü Zhenzhong.Diagnosing of maximum milling contribution of coal mills based on grey analysis of axis vibration energy spectrum ［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2007，26(1):8-10.(in Chinese)

［12］王俊蕊，唐歆熙，崔彥彬.球磨機(jī)載煤量測量方法分析［J］.電力情報，2000(4):11-13.Wang Junrui，Tang Xinxi，Cui Yanbin.A analysis on method to measure the load of ball mill［J］.Information on Electric Power，2000(4):11-13.(in Chinese)