王銘浩，李華偉，馮浩源，姚 坤，王茂華，梁霖浩

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

立式攪拌磨是一種濕法礦用磨機(jī)，主要用于金屬、非金屬原材料的超細(xì)粉磨，具有磨礦效率高、能耗低、噪聲小等顯著優(yōu)點(diǎn)，其最核心的部件是螺旋攪拌器。螺旋攪拌器經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)緩慢旋轉(zhuǎn)，磨礦介質(zhì)和物料在筒體內(nèi)做整體的多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物料在磨礦介質(zhì)壓力和螺旋回轉(zhuǎn)產(chǎn)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(zhì) (表面硬度HRC≥60)，其外部形狀由斜面通過(guò)螺旋掃掠而成，由于其結(jié)構(gòu)異形、材質(zhì)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(gè)設(shè)備的磨礦效率和節(jié)能效果。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)各大礦山的設(shè)備運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，立式攪拌磨運(yùn)行 6～8 個(gè)月后，螺旋襯板的外形輪廓會(huì)產(chǎn)生局部不規(guī)則磨損，進(jìn)而改變螺旋升角、螺旋直徑。螺旋升角直接影響介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定的原則是介質(zhì)徑向速度和切向速度的比例分配。嚴(yán)重磨損后的螺旋襯板，提升角度、旋轉(zhuǎn)掃掠面積無(wú)法維持，其對(duì)物料和研磨介質(zhì)的螺旋提升作用顯著降低，進(jìn)而直接減少有效輸出功率和磨礦效率。立式攪拌磨設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率可達(dá) 98%，但是為監(jiān)控螺旋襯板的磨損情況，避免異常停機(jī)造成嚴(yán)重事故和經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)場(chǎng)每年至少需定期停機(jī)檢修 2次，耗時(shí) 1 周以上。進(jìn)入磨內(nèi)觀察時(shí)，對(duì)于異形且不規(guī)則磨損的襯板，只能使用尺規(guī)進(jìn)行局部厚度測(cè)量，無(wú)法定量分析和預(yù)測(cè)襯板使用壽命。如果根據(jù)磨機(jī)運(yùn)行功率變化以及使用經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，由于礦山生產(chǎn)線的產(chǎn)量波動(dòng)、礦石性質(zhì)變化的影響，結(jié)論的準(zhǔn)確度也很難保證。

目前，礦山現(xiàn)場(chǎng)只能憑借設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，粗略估算襯板壽命并制定相應(yīng)檢修計(jì)劃，缺乏準(zhǔn)確量化的分析結(jié)論，設(shè)備的實(shí)際作業(yè)率至少降低 2%。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同工況，對(duì)襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)備作業(yè)率、磨礦效率已成為襯板領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

采用激光三維掃描技術(shù)可對(duì)螺旋襯板開展全面直觀、可量化的掃描測(cè)量，進(jìn)行逆向建模對(duì)比分析，從而能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)襯板壽命，并為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)方向。筆者將著重介紹激光三維掃描技術(shù)的近景、遠(yuǎn)景 2 種實(shí)際應(yīng)用方法，以及后期的數(shù)據(jù)處理方式，同時(shí)介紹多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的襯板實(shí)際使用磨損情況，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。

1 激光三維掃描技術(shù)的近景實(shí)際應(yīng)用

目前，激光三維掃描技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，是 20 世紀(jì) 90 年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼 GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)量分析技術(shù)新突破。該技術(shù)利用激光的測(cè)距原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖形數(shù)據(jù)，從而獲得大量密集的目標(biāo)對(duì)象數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此在襯板磨損信息的采集上，相比于超聲波測(cè)厚儀的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)將單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到了面測(cè)量，可以快速測(cè)得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構(gòu)、編輯、修改，生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型[2]。

以國(guó)內(nèi)某大型礦山為例，應(yīng)業(yè)主要求，對(duì)其立式攪拌磨的螺旋襯板進(jìn)行激光三維掃描，研究其磨損區(qū)域和局部使用壽命，并提出優(yōu)化方向，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)襯板壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。實(shí)施激光三維掃描工作時(shí)，強(qiáng)光會(huì)影響掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與質(zhì)量，建議在陰暗的廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，如在室外則必須對(duì)掃描目標(biāo)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(diǎn)，貼點(diǎn)密度約為 10 cm2/個(gè)，單塊螺旋襯板的貼點(diǎn)活動(dòng)耗時(shí)約 15 min。近景三維掃描時(shí)，使用三維激光攝像儀對(duì)螺旋襯板的外形進(jìn)行整體掃描攝像，對(duì)螺旋襯板的整體輪廓尺寸進(jìn)行較高精度的預(yù)掃描，減少后續(xù)掃描過(guò)程中產(chǎn)生的累計(jì)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(diǎn)對(duì)螺旋襯板的正、反面分別進(jìn)行掃描，掃描數(shù)據(jù)傳輸至電腦，如圖2 所示。螺旋襯板的外形數(shù)據(jù)采集工作耗時(shí)約 30 min，具體可根據(jù)分辨率精度及測(cè)量范圍進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)掃描測(cè)量過(guò)程無(wú)需使用尺規(guī)等測(cè)量工具，只需天車配合將襯板起吊、翻轉(zhuǎn)。

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、刪除雜點(diǎn)、對(duì)齊坐標(biāo)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(guān)鍵端點(diǎn)、螺栓孔為基準(zhǔn)，繪制出近似的三維模型，如圖3 所示。以掃描數(shù)據(jù)模型為基準(zhǔn)，逐步調(diào)整繪制參數(shù)，逆向創(chuàng)建出實(shí)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(chuàng)建的實(shí)際襯板模型Fig.4 Actual liner model created in reverse

2 激光三維掃描技術(shù)的遠(yuǎn)景實(shí)際應(yīng)用

對(duì)于單塊螺旋襯板，可以對(duì)其進(jìn)行近景三維激光掃描，整體測(cè)量分析耗時(shí)約 45 min。但是已經(jīng)整體裝配的螺旋攪拌器部件，要將單塊襯板拆下專門對(duì)其進(jìn)行近景掃描，整項(xiàng)工作耗時(shí)費(fèi)力。且拆裝單塊襯板、貼輔助點(diǎn)、天車配合起吊等步驟效率低、耗時(shí)久，也會(huì)對(duì)礦山企業(yè)造成停產(chǎn)損失。

通過(guò)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及實(shí)踐驗(yàn)證，采用遠(yuǎn)景三維激光掃描，可有效快速地對(duì)螺旋攪拌器整體部件進(jìn)行掃描測(cè)量分析。根據(jù)激光三維掃描儀的工作原理，單視角掃描得到的數(shù)據(jù)是片狀、不完整的，因此需要掃描被測(cè)物體的所有可見(jiàn)面，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)處理，擬合成連續(xù)的曲面。與球磨機(jī)相比，立式攪拌磨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有其特殊性，螺旋攪拌器位于筒體內(nèi)部中心，外部單一視角無(wú)法同時(shí)觀察所有面，因此要將其旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得多視角掃描數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而得到完整的三維掃描模型。

以國(guó)內(nèi)某大型礦山為例，應(yīng)業(yè)主要求，停機(jī)檢修期間，對(duì)其螺旋攪拌器整體進(jìn)行激光三維掃描。在螺旋攪拌器的特定位置放置 8 個(gè)標(biāo)靶球體，使其與螺旋攪拌器同步旋轉(zhuǎn)，作為多個(gè)視圖的參考特征坐標(biāo)點(diǎn)，輔助完成所有視圖的擬合處理。具體放置時(shí)，需將 8個(gè)標(biāo)靶球體靠磁性吸附在螺栓底部，如圖5 所示，4個(gè)吸附在軸頭螺栓上，另 4 個(gè)吸附在襯板螺栓上。若此前已有掃描好相同型號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在放置標(biāo)靶球體時(shí)，盡量與上一次測(cè)量的放置方式一致，這樣方便后續(xù)模型進(jìn)行特征對(duì)齊、比較。

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

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇激光掃描儀的最佳觀察位置為正對(duì)基礎(chǔ)距離 6 m 處。利用掃描儀內(nèi)部自帶的支架平衡裝置和平衡儀調(diào)整至水平位置，根據(jù)觀測(cè)距離設(shè)置最佳分辨率、掃描范圍、掃描角度等參數(shù)，開啟掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描和采集工作，單視角數(shù)據(jù)采集過(guò)程耗時(shí)約 20 min。第一視角的掃描活動(dòng)完成后，盤動(dòng)高速軸聯(lián)軸器，使螺旋攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng) 45°，進(jìn)行第 2 次掃描。整個(gè)過(guò)程共需掃描 8 組數(shù)據(jù)，耗時(shí)約3 h。

單個(gè)視角掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6 所示。由于掃描到廠房、筒體、雜物等無(wú)關(guān)元素，可觀察到結(jié)果中包含冗余數(shù)據(jù)，存在較多噪點(diǎn)。利用后處理軟件 Geomagic 可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、取樣、刪除體外孤點(diǎn)等處理，過(guò)濾掉冗余點(diǎn)。經(jīng)過(guò)初步數(shù)據(jù)處理，可得到點(diǎn)云模型，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(diǎn)云模型呈現(xiàn)非連續(xù)、片狀。單視角模型上有 5～7 個(gè)明顯可見(jiàn)的標(biāo)靶球體，掃描過(guò)程中相鄰的兩個(gè)視角點(diǎn)云模型必然有至少 3 個(gè)共同坐標(biāo)的標(biāo)靶球體，利用共有標(biāo)靶球體特征可將兩視角點(diǎn)云模型擬合為一體。逐步將所有視角的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型擬合成為一個(gè)多視角的整體三維點(diǎn)云模型，如圖8 所示。

圖6 測(cè)量得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.6 Primary point cloud data obtained from measurement

圖7 處理后的片狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.7 Flake point cloud data after processing

圖8 整合后的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.8 Overall point cloud data after integration

利用后處理軟件 Geomagic 可對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行特定位置截面分析，測(cè)量所需的襯板局部厚度、襯板直徑、螺旋升角等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如圖9 所示。由圖9 可以看出，螺旋襯板外徑數(shù)據(jù)約為 3 200 mm，中層襯板厚度數(shù)據(jù)約為 210 mm。以此為例，得到能夠反映出襯板磨損規(guī)律的量化結(jié)果，最終建立襯板損耗模型，預(yù)測(cè)襯板壽命，并制定契合用戶需求的襯板優(yōu)化方案。

圖9 襯板點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用

受智利某大型銅礦選廠委托，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)的螺旋襯板磨損情況進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)運(yùn)行電流、處理量變化，初步判斷螺旋襯板已經(jīng)嚴(yán)重磨損。現(xiàn)場(chǎng)按計(jì)劃停機(jī)檢修，由于螺旋襯板的輪廓異形且存在不規(guī)則磨損，局部損耗程度無(wú)法量化，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)螺旋襯板的實(shí)際使用壽命。該現(xiàn)場(chǎng)使用激光三維掃描儀，對(duì)螺旋攪拌器進(jìn)行遠(yuǎn)景掃描，得到了單個(gè)視角的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖10、11 所示。委托專業(yè)機(jī)構(gòu)利用 Geomagic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并合理預(yù)測(cè)襯板的實(shí)際壽命，提出優(yōu)化建議。

圖10 底層襯板尖端處點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(cè)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(diǎn)位置，可以擬合分析出當(dāng)前襯板的外形輪廓曲線。

根據(jù)以上方案，對(duì)底層螺旋襯板的磨損進(jìn)行分析，提取襯板的磨損曲線，與初始設(shè)計(jì)的襯板曲線進(jìn)行對(duì)比，可以分析出螺旋襯板的磨損趨勢(shì)與極限位置。根據(jù)掃描信息，擬合分析得到當(dāng)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(yán)重，與托板間的最小剩余量?jī)H為 62 mm，并且托板尖點(diǎn)已經(jīng)被局部磨損，必須立即更換。

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

對(duì)頂層螺旋襯板的磨損進(jìn)行分析，如圖13 所示。利用 Geomagic 軟件在點(diǎn)云模型中測(cè)量，頂層螺旋襯板當(dāng)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(cè)原因?yàn)椋貉心ソ橘|(zhì)的有效運(yùn)行高度無(wú)法到達(dá)頂層襯板，僅由物料對(duì)襯板造成的磨損很小。雖然激光三維掃描技術(shù)的應(yīng)用給用戶襯板優(yōu)化和生產(chǎn)組織帶來(lái)了很大便利，但是這項(xiàng)技術(shù)本身仍存在一定的局限性，特別是測(cè)量精度有限，導(dǎo)致該技術(shù)在襯板磨損的測(cè)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(duì)誤差的高容忍度[3]。

圖13 頂層襯板點(diǎn)云Fig.13 Point cloud of top liner

基于以上信息，對(duì)該礦山現(xiàn)場(chǎng)螺旋襯板的壽命作出以下推論：底層螺旋襯板直徑磨損嚴(yán)重，不具備提升物料和研磨介質(zhì)的能力，必須立即更換；底層螺旋襯板尖端部分已經(jīng)磨損為近乎圓形，表明尖端處受磨損最嚴(yán)重，后續(xù)應(yīng)對(duì)此處進(jìn)行局部加厚設(shè)計(jì)；根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)底層螺旋襯板進(jìn)行變螺距加厚設(shè)計(jì)，能夠有效增加受損部位的有用金屬，延長(zhǎng)底層螺旋襯板的使用壽命，提升礦山經(jīng)濟(jì)效益。

在螺旋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，葉片上的介質(zhì)球既因摩擦產(chǎn)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又因螺旋推動(dòng)沿圓周做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使介質(zhì)球產(chǎn)生離心力，且沿徑向不同半徑處介質(zhì)球的線速度不同，于是產(chǎn)生徑向的離心磨礦作用[4]。筒體內(nèi)的環(huán)形內(nèi)腔是磨內(nèi)重要的有效磨礦區(qū)域，襯板邊緣的介質(zhì)線速度最大，與筒體內(nèi)壁靜止的介質(zhì)之間形成梯次速度差，進(jìn)而起到磨礦作用。襯板邊緣與筒體內(nèi)壁的間距約為 20 倍的介質(zhì)直徑。通過(guò)對(duì)螺旋襯板的磨損情況分析，當(dāng)螺旋襯板半徑受磨損減小，引起襯板邊緣與筒體內(nèi)壁的間距增大，介質(zhì)最大線速度區(qū)域向軸方向偏移，對(duì)外側(cè)介質(zhì)的帶動(dòng)能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致離心磨礦效果減弱。

4 結(jié)語(yǔ)

利用激光三維掃描技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)立式攪拌磨螺旋襯板的快速、準(zhǔn)確掃描測(cè)量，并可對(duì)磨損情況進(jìn)行定量分析。根據(jù)單塊、多塊裝配一體的不同情況，可分別采用近景、遠(yuǎn)景 2 種方式進(jìn)行激光三維掃描，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)擬合處理、逆向建模對(duì)比分析，進(jìn)而對(duì)襯板磨損情況進(jìn)行準(zhǔn)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(shì)，準(zhǔn)確推測(cè)現(xiàn)有襯板的使用壽命，合理規(guī)劃更換、維護(hù)周期，還能同步進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率，強(qiáng)化立式攪拌磨高效節(jié)能的設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，最終降低礦山綜合運(yùn)維成本。