球磨机衬板提升条厚度测量系统设计与实现

付贝宁

（四川大学匹兹堡学院，四川 成都 610207）

球磨机是工业生产中广泛使用的主要粉磨设备，适用于粉磨各种矿石及其他物料，被广泛用于选矿、水泥及化工等行业[1]。球磨机内部为了保护筒体不受磨损而设置衬板，衬板矩形曲面依靠螺栓与筒体内侧面紧固连接[2]。衬板上凸起的提升条能够将物料提升至一定高度从而调节物料颗粒运动轨迹提高磨矿效率[3-5]。在球磨机工作中，提升条会受到钢球、物料的不断冲击和磨剥作用进而磨损,作用于衬板上的冲击载荷的大小决定了衬板寿命[6-7]。当衬板提升条磨损达到一定程度后，磨矿效率降低[8]，衬板提升条本身也会由于厚度变薄而容易碎裂，失去衬板提升条的保护以后，球磨机筒体在钢球和物料的冲击下也很快就会损伤。过去的很长一段时间，研究人员都将攻关重点放在调整球磨机转速或者改变衬板材料和结构上以延长衬板使用寿命，林阳辉[9]提出通过观测衬板高度的变化来对球磨机转速进行适时调整，俞章法等人[10]和赵慧艳[11]、赵会琴[12]分别提出新的衬板结构来延长衬板寿命。然而当衬板达到使用寿命时需要对其进行替换，现有技术中对衬板提升条的磨损程度进行检测时，通常都需要停机检测[13]，检测步骤也较为繁琐，会大幅降低球磨机的生产效率，并且只能检测衬板在某一时刻的使用情况及剩余寿命。现有技术中缺少能够在球磨机运行过程中对衬板提升条厚度进行实时监测的装置与方法，难以保证球磨机的高效安全运行。当前球磨机衬板提升条磨损厚度检查存在如下问题：

（1）停机查看，停机时间长，影响生产效率。

（2）根据经验判断停机检查时间，误差较大。过早停机会将没有完全磨损的提升条换掉，造成浪费。过晚停机会导致研磨物料效率低下，严重的甚至会磨损到球磨机筒体，造成生产事故。

（3）人工进入球磨机筒体内部测量，风险大，存在安全隐患。

鉴于上述问题，本文设计球磨机衬板提升条厚度测量系统，这种测量系统可以实现在不停机的情况下，实时监测衬板提升条的磨损情况。通过在衬板固定螺栓中预埋传感器，使传感器与衬板同步磨损，衬板的厚度变化与传感器的长度变化一致，传感器本身长度物理变化转换成电信号，通过测量电路转换成数字信号数据，再由采集头内置的无线发射模块发送出去。安装在控制箱中的主机接收到数据之后，在显示屏上显示出传感器剩余高度即衬板的厚度，从而完成筒体衬板厚度的在线测量，大大提升生产效率和安全性。

1 提升条厚度测量原理

测量衬板提升条磨损程度的主要原理是将若干个电阻并联作为传感器预埋进改造好的螺栓中间，安装时螺栓端面与衬板提升条平齐，这样提升条磨损的同时传感器的电阻也同时被磨损，如图1所示。设并联的单个电阻阻值为R，磨损后剩余电阻数量为N，工作时，通过测量电阻上的电压值来计算出剩余电阻的个数，从而得出衬板提升条的剩余厚度H，即：

图1 传感器与衬板提升条装配示意图

其中VADC1、VADC2分别为端口ADC1和ADC2的电压，RB为电阻B上的阻值，如图2（b）所示。

图2 电阻传感器测量原理图

结合（1）、（2）两式，可以得到：

电阻传感器间距dH可根据提升条的高度做出调整。当提升条高度大于200 mm时，dH取5 mm，当提升条高度小于200 mm时，dH取2.5 mm，以提高测量分辨率。

2 提升条厚度测量系统的整体设计

提升条厚度测量系统主要由数据采集和用户终端2个部分组成，如图3所示。数据采集部分采用14250锂电池供电，包含长度测量传感器、测量电路、低功耗供电控制、AD数据采集、CC1310处理器和433 M无线收发7个功能模块。

图3 提升条厚度测量系统整体框图

用户终端部分采用AC220V供电，包含433 M无线收发、STM32F103处理器、磨损量显示、4G云平台和内网总控制室6个功能模块。

测量系统工作示意图如图4所示。为了满足多传感器数据传输的需求，本系统采用了多传感器循环分时采集的方式完成数据的采集。主机按照编号顺序依次对测量模块中的传感器进行呼唤，而传感器每隔3 s自我唤醒一次，唤醒时长约6 ms，以检测是否有主机呼唤，同时完成一次测量，当接收到主机发送过来的数据传输命令后，将数据传输到主机，如果没有检测到呼唤则立即进入休眠状态，直到下一次自我唤醒。测量数据传输时间间隔可设置为每1~24 h一次，间隔时间越长能耗越低。用户终端采用可触摸的液晶屏，在显示衬板剩余量以外还可以将采集头测量时间间隔等参数输入到主机内保存，如图5所示。

图4 测量系统工作示意图

图5 用户终端界面

3 低功耗设计

由于实际工程情况下，提升条寿命周期一般为3-4个月，并且由于采集头是锂电池供电，为了安全起见本设计保证传感器连续工作时间大于6个月，所以低功耗设计是需要重点考虑的。本系统采用CC1310作为主控芯片，该芯片是一款高度集成、经济高效型超低功耗器件，使用极低的有源RF和MCU电流以及休眠模式，以确保较低的功耗以延长系统工作时长。

3.1 传感器电阻的选择

传感器电阻的选择需要从降低功耗以及适应不同物料2个方面进行考虑。从低功耗角度出发，传感器电阻越大功耗越低。从传感器适应不同磨碎物料种类来考量，不同物料导电系数不一样，物料电阻范围从几百千欧到几十兆欧不等。因为传感器的2条连接线始终会与磨碎物料接触，所以不同物料的不同导电电阻会对测量精度造成影响。因此在减小传感器连接线的截面积的同时尽可能增加RB减小R并，在降低功耗的同时也使得矿浆的导电电阻不会对检测精度造成较大的影响。

3.2 低功耗测量电路的设计

测量电路运放及传感器的供电均采用IO口控制供电方式。如图6所示，当需要测量时IO26脚输出高电平给OPA333运放供电(A点)，IO25脚输出高电平给传感器供电(B点)。测量完成之后，IO25和IO26脚设置为低电平，关闭测量电路供电。测量过程在唤醒中完成，时长6 ms。期间如果收到了主机的呼唤则启动数据发送，如果没收到则立即进入休眠状态。

图6 低功耗IO口控制供电电路图

3.3 低功耗的无线通信设计

无线通信方式选择的是空中唤醒(WOR)低功耗模式。系统有三种工作模式：（1）休眠，实测其工作电流约1.2 uA，每3 s休眠2 994 ms；（2）唤醒，这期间启动测试电路进行检测，无线信号接收，实测工作电流约8.6 mA，每3 s唤醒6 ms；（3）数据发送，期间实测工作电流约为19.2 mA,每小时工作20 ms，如图7所示。

图7 CC1310 wor执行过程中工作电流示意图

整个采集头工作过程中所需的电量由休眠、唤醒、发射三部分组成，如式（4）所示。

系统设置监测频率为每小时测量一次数据为例计算采集头所需电量，则每小时休眠所需电量为1.20×10-3mA·h，自我唤醒每小时所需电量为1.72×10-2mA·h，发射数据每小时所需电量为1.07×10-4mA·h，综上，由式（4）可算出采集头每小时耗电量为1.85×10-2mA·h。因为衬板提升条的寿命周期最长可能达4个月左右，因此需要确保采集头连续工作4个月以上，按每月30 d计算，工作4个月所需电量为53.28 mA·h，则1颗电压为3.6 V，容量为90 mA·h的锂电池就能使该系统连续工作6个月以上，体现了超低功耗电路设计与低功耗无线通信设计的优势。

4 实验与结果分析

本文选取福建某矿山铜矿第三车间球磨机衬板提升条以及江西某矿山铜矿第二车间球磨机衬板提升条作为实验对象。其中福建第三车间球磨机直径11 m，为目前行业内较大的球磨机。传感器由若干个电阻并联做成长条形，预埋进改造好的螺栓中间，如图8所示。电阻间隔5 mm放置一个，即测量电路的分辨率为5 mm。在该球磨机衬板上总计安装6个采集头，其中2个为一组，分别安装在筒体端面一组和筒体侧面两组，装配好的传感器螺栓如图9所示。1号和2号安装的提升条厚度为250 mm；3号和4号安装的提升条厚度为350 mm；5号和6号安装的提升条厚度为450 mm。江西第二车间球磨机直径9 m，采集头的安装方法与福建第三车间球磨机相同。其中1号和2号安装的提升条厚度为245 mm；3号和4号安装的提升条厚度为285 mm；5号和6号安装的提升条厚度为385 mm。由于实际生产中球磨机一旦开始运行就不能中途停机，本文选择在球磨机开始运行前与运行结束后进入球磨机内部测量衬板提升条的实际厚度，与测量终端显示的剩余厚度作比较，结果见表1。

图8 传感器螺栓实物图

图9 安转在球磨机衬板上的传感器螺栓

表1 球磨机衬板提升条测量系统测量结果与实测结果对比

由于本实验设置的测量电路的分辨率为5 mm，因此理论上测量误差应该在5 mm以内。由表1可知测量系统的平均测量误差在2.5 mm以内，总的平均误差为1.83 mm，该误差在测量电路分辨率范围内，因此，该衬板提升条厚度的测量系统能很好地测量衬板提升条真实磨损情况。

福建某矿山球磨机5号传感器获取的衬板提升条剩余厚度数据如图10所示，使用该套测量系统获得的测量数据能够在不停机的情况下实时获取衬板提升条不同部位的磨损情况，有效防止因为衬板提升条损坏而磨穿桶体造成的意外事故。

图10 福建某矿山球磨机5号传感器衬板提升条磨损数据实例

5 结论

本文设计了一套球磨机衬板提升条厚度测量系统，将若干个电阻并联作为长度传感器，将衬板磨损量转化为电信号，再将传感器的电信号通过测量电路转化成数字信号通过无线发射模块传送到主机，主机接收到数字信号后在终端显示屏上显示出衬板提升条的剩余厚度，完成整个测量过程。为了满足工程实践中较长时间连续工作的需求，测量电路与无线发射模块均采用了低功耗设计。通过实地安装与实验，该套测量系统总平均测量误差为1.83 mm，实验结果表明该套测量系统能很好地测量出衬板提升条真实磨损情况，可满足工程作业的需要，具有广泛的工程应用前景。