智能螺栓在襯板磨損在線檢測中的應用研究

袁 龍，師華東，王 碩，張 旺，田振華

中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

在建材和選礦行業凡是存在破碎、粉磨工藝的地方都會遇到襯板磨損和更換的問題，襯板是否需要更換取決于襯板的磨損情況。目前襯板的磨損檢測采用非在線檢測，需要停機，非在線檢測耗時耗力且影響生產，因此在線檢測是未來襯板磨損檢測的發展趨勢。

較成熟的襯板磨損檢測方法有人工測量法、超聲波檢測法、三維激光掃描測量法 3 種，都屬于非在線檢測，需要停機[1]。目前在建材和選礦行業沒有好的襯板磨損在線檢測方法，隨著生產企業對減人增效的要求，襯板磨損在線檢測成為提高磨機智能化水平的一個難點。中信重工開發了基于智能螺栓的襯板磨損在線檢測技術，自 2017 年首次投運成功后，已有 30余套應用于國內外大型礦山項目，成為中信重工出口大型礦磨設備的標配。

智能螺栓實現襯板磨損在線檢測，無需停機，全程自動控制，減少了停機檢修時間，降低了勞動強度，最終達到了降低經營成本，提高生產效率的目的。

1 智能螺栓在線檢測技術介紹

1.1 在線檢測原理

襯板磨損在線檢測系統由智能螺栓、無線信號發射器、信號接收器及控制柜組成，通過交換機進入DCS 系統與破磨設備 DCS 界面進行融合。襯板磨損在線檢測，將部分普通襯板螺栓替換為智能螺栓，智能螺栓安裝完成后檢測頭與破磨設備襯板平齊，使用過程中檢測頭會與襯板同步磨損，智能螺栓系統可以實時檢測檢測頭的磨損量，檢測頭磨損量與磨機襯板的磨損量相同，因此可以計算出襯板的磨損量。在線檢測原理如圖1 所示。

圖1 在線檢測原理

1.2 在線檢測部件組成

1.2.1 智能螺栓

在螺栓內部開孔，將測距傳感器放入螺栓內部并固定好，然后密封。工作時用智能螺栓替換普通螺栓，智能螺栓在承擔襯板固定功能的同時實時測量襯板磨損量。智能螺栓的使用條件與普通螺栓相同，無需單獨維護或改造，與普通螺栓相比，智能螺栓的長度更長。智能螺栓為一次性消耗品，襯板更換時智能螺栓也配套更換。普通螺栓與智能螺栓對比如圖2 所示。

圖2 普通螺栓與智能螺栓對比

1.2.2 無線信號發射器

無線信號發射器由安裝板固定在智能螺栓尾部，通過專用接頭和信號線將智能螺栓內部連接，建立與信號接收器的無線通信連接。無線信號發射器如圖3所示。

圖3 無線信號發射器現場實物

1.2.3 信號接收器

信號接收器用于數據接收和顯示，通過無線方式保持與無線信號發射器通信連接。一個信號接收器可同時與多個無線信號發射器建立通信連接。信號接收器和控制柜采用 Modbus 通信協議。信號接收器如圖4 所示。

圖4 信號接收器

1.2.4 控制柜

控制柜是按電氣接線要求將開關設備、測量儀表、保護電器和輔助設備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上的設備。控制柜主要為信號接收器提供電源并可與 DCS 通信。控制柜如圖5 所示。

圖5 控制柜

1.3 智能螺栓的優缺點

智能螺栓的優點是實現了襯板磨損的在線檢測，極大地提高了生產效率，降低了工人勞動強度。智能螺栓的缺點：智能螺栓屬于一次性消耗品，更換襯板的同時也要更換智能螺栓，這會增加企業的設備維護成本；智能螺栓僅適用于錳鋼襯板，磁性襯板和橡膠襯板不使用螺栓，無法安裝智能螺栓，若強制安裝，磨損不同步，數據也不準確，不建議在磁性襯板和橡膠襯板上使用。

2 現場應用情況

應用于江西某金屬礦山的中信重工φ6.4 m×3.3 m 球磨機配套使用了襯板磨損在線檢測系統。該磨機的生產能力為 208～ 292 t/h，正常鋼球充填率為8%，裝機功率為 2 000 kW，筒體襯板共 5 圈，襯板固定用的普通螺栓規格為 M36；廠區 DCS 采用 AB公司 PLC，型號為 logix5561；現場網絡通信光纖為單模光纖；磨機共布置有 5 圈襯板，每圈襯板上安置2 個智能螺栓，總共 10 個智能螺栓監測點。

2.1 現場安裝

磨機安裝調試完成后，將普通螺栓取出，智能螺栓從磨機內襯板孔插入，一端伸出磨機筒體外，由螺母固定。智能螺栓與無線信號發射器相連，智能螺栓測得的數據將通過無線信號發射器發射給位于現場電控箱內的信號接收器，信號接收器共可同時接收 64個發射器發出的信號，即一個信號接收器可同時支持64 根智能螺栓的測量。接收器可以單獨安裝在磨機附件開闊區域，也可以安裝在現場控制柜內。智能螺栓安裝現場如圖6 所示。

圖6 智能螺栓安裝現場

2.2 效果及數據展示

智能螺栓可實時在線測量和顯示襯板的磨損情況，為優化磨機控制提供依據。在線測量快捷方便，避免停機檢查，節省了人力物力，減少了不必要的停機時間。

數據展示共有 2 種方式，可選擇將信號接收器中的信號傳輸給 DCS 頁面，顯示當前磨損量和并預計襯板使用壽命，也可選擇上云平臺，通過手機端或PC 端顯示。云數據 PC 端界面及云數據手機端界面如圖7 所示。

圖7 云數據 PC 端界面及云數據手機端界面

2.3 經濟效益分析

通過對行業常用的檢測方法進行對比分析，從測量原理、測量精度、測量時間、測量成本進行綜合分析[1]，不同測量方法成本對比如表1 所列。

表1 不同測量方法成本對比

由表1 可知，三維激光掃描測量精度最高，但用時最長，綜合成本也最高；人工測量和超聲波測量的設備投資偏低，但精度低，測量時間偏長，影響生產；智能螺栓在線檢測精度偏高，能夠實時檢測，但檢測設備投資偏高。從提高公司自動化、智能化水平角度來講，采用在線檢測是生產企業不錯的選擇。

3 結語

襯板磨損在線檢測系統基于智能螺栓的磨損量與襯板的磨損量相同的情況，通過監測智能螺栓的實時磨損量來監測襯板的磨損量，可實時顯示襯板磨損量。同時該系統可利用網絡通信將數據上傳至上位機或云平臺，碎磨設備通過安裝這種襯板磨損在線檢測系統，可以在設備不停機的情況下實時了解襯板磨損情況，避免襯板磨損嚴重損壞設備本體，提高了磨機的運轉率，可以用于襯板的優化和合理使用。