鄧海英，許美宗

（包鋼鋼煉股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014080）

1 球磨機概述

球磨機是物料被破碎后，再進行粉碎的關(guān)鍵設(shè)備，這種類型磨礦機是在其筒體內(nèi)裝入一定數(shù)量的鋼球作為研磨介質(zhì)。它廣泛應(yīng)用于水泥，硅酸鹽制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、有色金屬選礦及玻璃陶瓷等生產(chǎn)行業(yè)，對各種礦石和其它可磨性物料進行干式或濕式粉磨。球磨機適用于粉磨各種礦石及其它物料，被廣泛用于選礦、建材及化工等行業(yè)，可分為干濕式兩種磨礦方式。根據(jù)排礦方式不同，可分格子型和溢流型兩種。

2 系統(tǒng)組成

球磨機工況檢測系統(tǒng)需完成其筒壁振動信號采集、傳輸、分析、處理的全過程，是一個完整的體系，包括軟硬件及數(shù)據(jù)庫，根據(jù)安裝位置的不同，可分為球磨機工況檢測設(shè)備及上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分。其中，工況檢測裝置安裝在球磨機上，隨球磨機的運行而轉(zhuǎn)動，實時采集球磨機筒壁的振動信號，并通過無線連接將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面接收裝置。上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收到球磨機工況檢測設(shè)備發(fā)送的信號后，對數(shù)據(jù)進行存儲及處理，計算出振動信號的相關(guān)特征，并將其存入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)其功能的不同，系統(tǒng)分為五個單元：信號測量單元、信號采集單元、無線通信單元、數(shù)據(jù)處理單元、連續(xù)供電單元。

信號測量單元包括安裝在球磨機筒壁上的振動傳感器等測量設(shè)備和配套部件，其功能是在保證頻率特性的前提下，將球磨機筒壁振動信號轉(zhuǎn)化為能分析處理的電信號。

信號采集單元的功能是在盡可能不丟失信息的前提下，根據(jù)球磨機的旋轉(zhuǎn)周期，將經(jīng)調(diào)理的加速度傳感器信號采集成數(shù)字信號，并將其通過無線通信單元發(fā)送到接收端，完成可變放大倍數(shù)及設(shè)備電壓檢測等功能。

信號采集單元安裝在球磨機上，隨球磨機一同旋轉(zhuǎn)，這給硬件設(shè)計帶來了一系列的限制條件。首先，要盡可能降低系統(tǒng)功耗，以便設(shè)計易于實現(xiàn)及維護的連續(xù)供電單元；而且系統(tǒng)一直處于旋轉(zhuǎn)及振動的工作環(huán)境中，球磨機在運行中不能停車維護及更換設(shè)備，因此系統(tǒng)必須具有較高的可靠性及穩(wěn)定性；為了盡可能地保留信號中包含的信息，系統(tǒng)采用了16位采樣精度大于30kHZ的采樣速率。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于C8051F060單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

無線通信單元將數(shù)據(jù)采集單元采集的球磨機振動信號經(jīng)無線方式實時傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。與其他單元類似，無線通信單元要求在保證傳輸速率的基礎(chǔ)上，盡量降低功耗，提高穩(wěn)定性，因此，綜合考慮各種因素，選擇體積小、功耗低、外圍器件最少的射頻系統(tǒng)級芯片nRF24L01作為無線通信方案。

數(shù)據(jù)處理單元包括接收振動信號數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)接收端、運行分析軟件的工控機、相關(guān)軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的接收、存儲、計算、實時顯示、球磨機運行狀態(tài)分析和報警等功能。

3 信號分析

經(jīng)長期的工業(yè)試驗，可獲得大量的試驗數(shù)據(jù)，并對這些振動信號及相應(yīng)的球磨機工況數(shù)據(jù)進行詳細(xì)的分析，提取筒壁振動信號中包含的特征信息，選取具有代表性的特征來判斷球磨機的工作狀態(tài)，為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

（1）振動波形及其分布特征。通過對不同工況下典型振動波形的比較得知，雖然每個周期的振動信號都有一定的隨機性，但振動信號的波形形狀較相似，且波值位置也基本相同，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。每個周期的波形呈一個中間大兩頭小的紡錘形，紡錘中間波形幅值較大是因球磨機旋轉(zhuǎn)時鋼球落在傳感器襯板時產(chǎn)生更大的加速度所造成的。

通過對大量典型振動波形的分析，發(fā)現(xiàn)振動信號的分布基本滿足拉普拉斯分布。

對振動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計直方圖擬合及假設(shè)檢驗，結(jié)果如圖1所示。圖中淺黑色邊界為拉普拉斯分布，深黑色部分為一個周期內(nèi)振動信號的統(tǒng)計直方圖，可見二者基本一致，說明拉普拉斯分布能很好地近似振動信號的概率分布，振動信號的這一特征在特征分析中也得到了驗證。

圖1 振動信號的拉普拉斯分布擬合

（2）振動信號特征。為了監(jiān)測及描述球磨機的工作狀態(tài)，需從采集到的振動信號中提取一些量化統(tǒng)計量主數(shù)字特征。振動信號可在時域、小波域、頻域等角度進行分析。信號的時域統(tǒng)計特征主要包括均值、方差、重心、中位點等，均值及方差是反映數(shù)據(jù)集中趨勢及離散度的最重要測度值，重心及中位點可考察數(shù)據(jù)形狀與位置等信息；通過對時域信號進行傅里葉變換即能得到頻域信號，通過對頻域波形的分析，得到信號的頻譜峰值和頻率成分構(gòu)成等；還可利用小波變化及小波包分解信號，利用小波算法分析振動信號。結(jié)合采集到的信號特點，利用上述分析方法，提取并比較大量的特征參數(shù)，對數(shù)據(jù)分布的對稱性、離散度、波形形狀與位置等進行比較及衡量，以找出能區(qū)分球磨機工作狀態(tài)的具體量化特征。

為滿足分析應(yīng)用的要求，特征參數(shù)的選取遵循了以下原則：①穩(wěn)定性。特征本身應(yīng)具有穩(wěn)定性，即當(dāng)球磨機的工況不變時，特征應(yīng)保持在與該工況相對應(yīng)的一定數(shù)值范圍內(nèi)；②區(qū)分性。當(dāng)球磨機工況發(fā)生變化時，其特征大小也應(yīng)隨之變化，若兩者間存在一一對應(yīng)關(guān)系，則可從特征數(shù)值中推斷出球磨機的不同工況。當(dāng)然，特征也可只對某幾個球磨機工作的影響因素敏感，從而經(jīng)特征對這些敏感因素進行量化描述。

通過分析，從振動信號中提取的特征參數(shù)能滿足上述條件，并能有效反映球磨機的工作狀態(tài)。當(dāng)球磨機工況穩(wěn)定時，參數(shù)B也穩(wěn)定，當(dāng)球磨機工況發(fā)生變化時，參數(shù)B也隨之變化，因此特征參數(shù)B能綜合反映球磨機的工作狀態(tài)。其他一些特征參數(shù)自身不夠穩(wěn)定，不能找到它們的變化規(guī)律；另一部分雖能滿足穩(wěn)定性，但在不同工況下無明顯變化，不能反映球磨機工況；當(dāng)然，還有許多其他參數(shù)自身穩(wěn)定，且能反映球磨機的工況，但因它們都與特征參數(shù)B有很大的相關(guān)性，當(dāng)前只選擇參數(shù)B作為主要參數(shù)，這也與分析中發(fā)現(xiàn)的振動信號特征相一致。

參數(shù)B的穩(wěn)定性。先驗證特征參數(shù)B的穩(wěn)定性條件，選取一組有代表性的數(shù)據(jù)來驗證特征的穩(wěn)定性，并對穩(wěn)定工況下球磨機各回路2h內(nèi)的控制數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。通過分析可知，在試驗期間，各控制回路的控制效果良好，變異系數(shù)小于0.015，渣漿泵處于恒壓控制狀態(tài)，泵頻保持不變，此時采集到的振動信號較穩(wěn)定。

球磨機特征參數(shù)B在不同工況下的變化。為了分析球磨機參數(shù)B與工作狀態(tài)間的關(guān)系，特別是確定主要變化因素對球磨機的影響，設(shè)計了多次工業(yè)試驗。在實驗中，每次只改變一個變量，以減少不同變量間的相互作用。通過對給礦量、前給水量、補加水量的試驗及數(shù)據(jù)擬合，得到上述各變量與特征參數(shù)B間的關(guān)系。

首先，球磨機給礦量對參數(shù)B的影響較明顯，給礦量減少，參數(shù)B增大。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)給礦量降低1t/h時，B值增加約8.5。分析表明，造成球磨機筒壁振動的主要原因是鋼球在球磨機內(nèi)的拋落撞擊造成，而加入球磨機的礦石對撞擊有一定的“緩沖”作用。當(dāng)?shù)V量減少時，緩沖效應(yīng)減弱，參數(shù)B增大。

球磨機前給水量也會對參數(shù)B產(chǎn)生影響，前給水量減小B增大。前給水量的減少，會破壞整個已穩(wěn)定和磨礦過程動態(tài)平衡，導(dǎo)致磨礦泵池液位逐漸下降，當(dāng)液位降低到一定程度時，渣漿泵的工作頻率會降低，同時水力旋流器的返砂量也會減少。而前給水及返砂量的減少會降低球磨機中礦漿的流速，延長球磨機中礦物的研磨時間，因此，礦漿的粒度會降低，參數(shù)B增大。同時，前給水量的減少也會增加磨漿濃度，影響鋼球?qū)σr板的沖擊。

同樣，球磨機補加水量對參數(shù)B也有顯著影響，補加水量減少，B增大。減少補加水量也會導(dǎo)致磨泵池液位逐漸下降，導(dǎo)致返砂量減少。與前給水一樣，礦漿流速減小，礦物研磨時間延長，礦漿粒度會降低，B增大。

但由于球磨機工況的相關(guān)因素會影響參數(shù)B，因此不能完全通過單一的特征參數(shù)來實現(xiàn)對球磨機工況的詳細(xì)判定，需要與其它傳感器數(shù)據(jù)(如給礦、給水、補加水等)一起綜合判定。

4 實際應(yīng)用

為分析球磨機筒壁振動信號與球磨機工況的關(guān)系，以及驗證球磨機檢測系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的實用價值，該球磨機監(jiān)測系統(tǒng)已在某包鋼鋼煉企業(yè)進行了應(yīng)用，通過在選礦廠磨浮車間正常生產(chǎn)的球磨機上安裝檢測系統(tǒng)，采集了大量的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并建立了球磨機運行參數(shù)和相應(yīng)的球磨機筒壁振動信號的綜合數(shù)據(jù)庫，包括球磨機給礦量、前給水量、補加水量、渣漿泵頻率、旋流器分級濃度和粒度等。通過對數(shù)據(jù)的綜合分析，可準(zhǔn)確預(yù)測球磨機的故障狀態(tài)，對現(xiàn)場設(shè)備的生產(chǎn)維護起到一定的指導(dǎo)作用，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備能效。

通過采集球磨機筒壁在不同工況下的振動信號發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球磨機處于正常工況、“空砸”狀態(tài)、“漲肚”狀態(tài)時，振動信號的波形有明顯的變化。同時，特征參數(shù)B也會有明顯的波動。通過這一結(jié)果，可對球磨機的負(fù)荷進行監(jiān)測報警，預(yù)防“空砸”及“漲肚”的發(fā)生，改善球磨機的工作狀態(tài)，降低其運行風(fēng)險，提高處理能力。當(dāng)球磨機工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，參數(shù)B在一定范圍內(nèi)也有輕微的波動，這與前面的結(jié)論一致。

但在分析球磨機長期運行數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，在球磨機工況基本不變的情況下，隨著運行時間的增加，參數(shù)B會逐漸增大。逐一排除各影響因素后，確定這種變化是由于球磨機襯板的磨損引起的。這一結(jié)論對系統(tǒng)的應(yīng)用有兩方面的影響，首先，襯板磨損引起的參數(shù)變化會疊加其他因素的影響，給判斷工況帶來困難；同時，在相同工況下，參數(shù)B的變化將反映球磨機襯板的磨損情況，有利于設(shè)備的維護管理。

為了克服襯板磨損的影響，提出一種球磨機工況自適應(yīng)監(jiān)控功能，其主要思想是通過球磨機在一定時期內(nèi)某一特定工況下穩(wěn)定運行的特征參數(shù)，計算出球磨機在這一工況下的特征參數(shù)基準(zhǔn)，并根據(jù)大量歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計的分布規(guī)律，給出特征分布區(qū)間，并用該區(qū)間來監(jiān)控判斷球磨機在一定時期內(nèi)這一工況下的運行狀況。同時，由于在判斷球磨機穩(wěn)定工況時已獲得各控制回路的運行數(shù)據(jù)，可對球磨機相關(guān)的各回路進行實時監(jiān)控，并記錄及報警異常情況。

系統(tǒng)在現(xiàn)場的長期連續(xù)運行情況及對大量數(shù)據(jù)的分析，均證實了該系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的實用性。

（1）基于球磨機振動信號的特征值，進行了給礦量設(shè)定值的優(yōu)化控制試驗。

（2）通過分級控制的配合，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，也提高了球磨機的處理量。

（3）能有效預(yù)報球磨機“漲肚”或“空砸”趨勢，球磨機巡檢次數(shù)減少了70%，降低了工人勞動強度。

（4）球磨機振動信號特征值與裝載率關(guān)系的變化反映了襯板的磨損情況，有利于設(shè)備的維護管理。

綜上所述，在分析球磨機筒壁振動信號的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套基于該技術(shù)的球磨機工況檢測系統(tǒng)，完成了設(shè)備軟硬件開發(fā)和數(shù)據(jù)分析等相關(guān)工作，并推廣應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場的實際情況，解決了現(xiàn)場應(yīng)用中遇到的安裝、調(diào)試、數(shù)據(jù)校定等一系列問題，取得了實際效果，為后續(xù)的研究及開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。同時，由于球磨機特殊工作環(huán)境及方式的制約，系統(tǒng)還存在一些不足，如光伏電池的連續(xù)供電方式，能源轉(zhuǎn)換率低，維護工作量大，以及傳感器在特殊工況下(長時間處于“空砸”狀態(tài))易損壞等問題仍需進一步分析及改進。