基于振動信號分析的球磨機工況檢測技術的研究與應用

鄧海英，許美宗

（包鋼鋼煉股份有限公司巴潤礦業分公司，內蒙古 包頭 014080）

1 球磨機概述

球磨機是物料被破碎后，再進行粉碎的關鍵設備，這種類型磨礦機是在其筒體內裝入一定數量的鋼球作為研磨介質。它廣泛應用于水泥，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行業，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，可分為干濕式兩種磨礦方式。根據排礦方式不同，可分格子型和溢流型兩種。

2 系統組成

球磨機工況檢測系統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，包括軟硬件及數據庫，根據安裝位置的不同，可分為球磨機工況檢測設備及上位機數據處理系統兩部分。其中，工況檢測裝置安裝在球磨機上，隨球磨機的運行而轉動，實時采集球磨機筒壁的振動信號，并通過無線連接將數據發送給地面接收裝置。上位機數據處理系統接收到球磨機工況檢測設備發送的信號后，對數據進行存儲及處理，計算出振動信號的相關特征，并將其存入數據庫。根據其功能的不同，系統分為五個單元：信號測量單元、信號采集單元、無線通信單元、數據處理單元、連續供電單元。

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，根據球磨機的旋轉周期，將經調理的加速度傳感器信號采集成數字信號，并將其通過無線通信單元發送到接收端，完成可變放大倍數及設備電壓檢測等功能。

信號采集單元安裝在球磨機上，隨球磨機一同旋轉，這給硬件設計帶來了一系列的限制條件。首先，要盡可能降低系統功耗，以便設計易于實現及維護的連續供電單元；而且系統一直處于旋轉及振動的工作環境中，球磨機在運行中不能停車維護及更換設備，因此系統必須具有較高的可靠性及穩定性；為了盡可能地保留信號中包含的信息，系統采用了16位采樣精度大于30kHZ的采樣速率。在此基礎上，設計了基于C8051F060單片機的數據采集系統。

無線通信單元將數據采集單元采集的球磨機振動信號經無線方式實時傳輸給數據處理單元。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上，盡量降低功耗，提高穩定性，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級芯片nRF24L01作為無線通信方案。

數據處理單元包括接收振動信號數據的無線數據接收端、運行分析軟件的工控機、相關軟件系統。軟件系統完成數據的接收、存儲、計算、實時顯示、球磨機運行狀態分析和報警等功能。

3 信號分析

經長期的工業試驗，可獲得大量的試驗數據，并對這些振動信號及相應的球磨機工況數據進行詳細的分析，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，為實際生產提供指導。

（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，呈現出一定的規律性。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時鋼球落在傳感器襯板時產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，發現振動信號的分布基本滿足拉普拉斯分布。

對振動數據進行統計直方圖擬合及假設檢驗，結果如圖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振動信號的統計直方圖，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。為了監測及描述球磨機的工作狀態，需從采集到的振動信號中提取一些量化統計量主數字特征。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據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據形狀與位置等信息；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，對數據分布的對稱性、離散度、波形形狀與位置等進行比較及衡量，以找出能區分球磨機工作狀態的具體量化特征。

為滿足分析應用的要求，特征參數的選取遵循了以下原則：①穩定性。特征本身應具有穩定性，即當球磨機的工況不變時，特征應保持在與該工況相對應的一定數值范圍內；②區分性。當球磨機工況發生變化時，其特征大小也應隨之變化，若兩者間存在一一對應關系，則可從特征數值中推斷出球磨機的不同工況。當然，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能滿足上述條件，并能有效反映球磨機的工作狀態。當球磨機工況穩定時，參數B也穩定，當球磨機工況發生變化時，參數B也隨之變化，因此特征參數B能綜合反映球磨機的工作狀態。其他一些特征參數自身不夠穩定，不能找到它們的變化規律；另一部分雖能滿足穩定性，但在不同工況下無明顯變化，不能反映球磨機工況；當然，還有許多其他參數自身穩定，且能反映球磨機的工況，但因它們都與特征參數B有很大的相關性，當前只選擇參數B作為主要參數，這也與分析中發現的振動信號特征相一致。

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

球磨機特征參數B在不同工況下的變化。為了分析球磨機參數B與工作狀態間的關系，特別是確定主要變化因素對球磨機的影響，設計了多次工業試驗。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據擬合，得到上述各變量與特征參數B間的關系。

首先，球磨機給礦量對參數B的影響較明顯，給礦量減少，參數B增大。根據試驗數據統計，當給礦量降低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。當礦量減少時，緩沖效應減弱，參數B增大。

球磨機前給水量也會對參數B產生影響，前給水量減小B增大。前給水量的減少，會破壞整個已穩定和磨礦過程動態平衡，導致磨礦泵池液位逐漸下降，當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B增大。同時，前給水量的減少也會增加磨漿濃度，影響鋼球對襯板的沖擊。

同樣，球磨機補加水量對參數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致磨泵池液位逐漸下降，導致返砂量減少。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因素會影響參數B，因此不能完全通過單一的特征參數來實現對球磨機工況的詳細判定，需要與其它傳感器數據(如給礦、給水、補加水等)一起綜合判定。

4 實際應用

為分析球磨機筒壁振動信號與球磨機工況的關系，以及驗證球磨機檢測系統在工業領域的實用價值，該球磨機監測系統已在某包鋼鋼煉企業進行了應用，通過在選礦廠磨浮車間正常生產的球磨機上安裝檢測系統，采集了大量的實際生產數據，并建立了球磨機運行參數和相應的球磨機筒壁振動信號的綜合數據庫，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。通過對數據的綜合分析，可準確預測球磨機的故障狀態，對現場設備的生產維護起到一定的指導作用，提高了產品質量及設備能效。

通過采集球磨機筒壁在不同工況下的振動信號發現，當球磨機處于正常工況、“空砸”狀態、“漲肚”狀態時，振動信號的波形有明顯的變化。同時，特征參數B也會有明顯的波動。通過這一結果，可對球磨機的負荷進行監測報警，預防“空砸”及“漲肚”的發生，改善球磨機的工作狀態，降低其運行風險，提高處理能力。當球磨機工作在穩定狀態時，參數B在一定范圍內也有輕微的波動，這與前面的結論一致。

但在分析球磨機長期運行數據時發現，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。這一結論對系統的應用有兩方面的影響，首先，襯板磨損引起的參數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B的變化將反映球磨機襯板的磨損情況，有利于設備的維護管理。

為了克服襯板磨損的影響，提出一種球磨機工況自適應監控功能，其主要思想是通過球磨機在一定時期內某一特定工況下穩定運行的特征參數，計算出球磨機在這一工況下的特征參數基準，并根據大量歷史數據統計的分布規律，給出特征分布區間，并用該區間來監控判斷球磨機在一定時期內這一工況下的運行狀況。同時，由于在判斷球磨機穩定工況時已獲得各控制回路的運行數據，可對球磨機相關的各回路進行實時監控，并記錄及報警異常情況。

系統在現場的長期連續運行情況及對大量數據的分析，均證實了該系統在工業生產中的實用性。

（1）基于球磨機振動信號的特征值，進行了給礦量設定值的優化控制試驗。

（2）通過分級控制的配合，在提高產品質量的前提下，也提高了球磨機的處理量。

（3）能有效預報球磨機“漲肚”或“空砸”趨勢，球磨機巡檢次數減少了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系的變化反映了襯板的磨損情況，有利于設備的維護管理。

綜上所述，在分析球磨機筒壁振動信號的基礎上，研發了一套基于該技術的球磨機工況檢測系統，完成了設備軟硬件開發和數據分析等相關工作，并推廣應用于實際生產中，結合工業現場的實際情況，解決了現場應用中遇到的安裝、調試、數據校定等一系列問題，取得了實際效果，為后續的研究及開發奠定了基礎。同時，由于球磨機特殊工作環境及方式的制約，系統還存在一些不足，如光伏電池的連續供電方式，能源轉換率低，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)易損壞等問題仍需進一步分析及改進。