基于球磨機(jī)筒體振動(dòng)的料位特征量

黃 鵬 賈民平 鐘秉林 楊小蘭

(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京211189)

(2南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京211167)

筒式鋼球磨煤機(jī)(以下簡(jiǎn)稱球磨機(jī))是一種常見(jiàn)而典型的磨粉設(shè)備，它在金屬礦及非金屬選礦廠、建材、耐火材料、水泥、化工、電力、陶瓷、醫(yī)藥、建筑、輕工和冶金等行業(yè)的物料粉碎中得到了廣泛的應(yīng)用.同時(shí)球磨機(jī)也是企業(yè)的耗能大戶，據(jù)測(cè)算，球磨機(jī)能耗可達(dá)企業(yè)總能耗的15% ～50%，是潛在的節(jié)能大戶［1-2］.如何有效地保障球磨機(jī)高效、優(yōu)化運(yùn)行是應(yīng)用企業(yè)的一個(gè)重要目標(biāo).但由于球磨機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非線性、大滯后、強(qiáng)耦合和具有多種不確定性擾動(dòng)的多變量對(duì)象，加上球磨機(jī)滾筒內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致目前料位檢測(cè)還缺乏可靠的手段，致使在球磨機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中為了怕出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象，經(jīng)常運(yùn)行于極不經(jīng)濟(jì)工況，制粉電耗偏高;同時(shí)也造成球磨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)難以長(zhǎng)期可靠投用，料位控制靠人工操作.因此料位的準(zhǔn)確測(cè)量是保障球磨機(jī)自動(dòng)、安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵和基礎(chǔ).

目前國(guó)內(nèi)外采用了很多方法來(lái)檢測(cè)料位.早期傳統(tǒng)的方法有利用球磨機(jī)滾筒內(nèi)的噪聲［3］、球磨機(jī)筒體的應(yīng)變［4-5］等作為料位特征量來(lái)檢測(cè)料位.在火力發(fā)電廠球磨機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，滾筒內(nèi)的鋼球和煤塊在離心力和襯板摩擦力的作用下，被轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒帶到一定的高度，然后受重力作用沿拋物線落下.鋼球的下落沖擊能量一部分被煤塊吸收，實(shí)現(xiàn)煤塊的粉碎與研磨;另一部分沖擊能量被傳遞到筒體，引起筒體的振動(dòng)，并經(jīng)過(guò)筒體傳遞給球磨機(jī)的前、后軸承座，引起軸承座的振動(dòng).當(dāng)球磨機(jī)滾筒內(nèi)存煤量較多時(shí)，煤塊吸收的能量較多，此時(shí)傳到筒體和軸承座上的能量較少，振動(dòng)也相對(duì)較小，反之亦然.因此滾筒與軸承座的振動(dòng)強(qiáng)弱可以反映球磨機(jī)滾筒內(nèi)的存煤量.由于在球磨機(jī)的前后軸承座安裝振動(dòng)傳感器比較方便，因此目前常用的料位檢測(cè)法是以球磨機(jī)前后軸承座的振動(dòng)信號(hào)作為判別料位的依據(jù).該方法通過(guò)從軸承振動(dòng)信號(hào)中提取振動(dòng)料位特征量，如振動(dòng)信號(hào)的能量［6］、功率［7］與有效值［8］等，來(lái)檢測(cè)滾筒內(nèi)的料位.

但由于引起軸承振動(dòng)的原因很復(fù)雜，除了鋼球撞擊滾筒所傳遞的振動(dòng)外，還存在一些其他振動(dòng)來(lái)源，如基礎(chǔ)振動(dòng)、各部分轉(zhuǎn)動(dòng)不對(duì)稱造成的振動(dòng)、安裝誤差引起的振動(dòng)等.此外，距離振動(dòng)源傳遞路徑長(zhǎng)對(duì)在測(cè)量點(diǎn)拾取的振動(dòng)信號(hào)特性也有一定的影響.因此與筒體上的振動(dòng)信號(hào)相比，軸承座的振動(dòng)并不能很準(zhǔn)確地反映滾筒內(nèi)鋼球的撞擊情況及料位信息.

基于上述原因，本文對(duì)球磨機(jī)筒體上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，以此來(lái)提取新的料位特征量.在本研究中，通過(guò)球磨機(jī)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同料位工況下的實(shí)驗(yàn)來(lái)分析和比較球磨機(jī)筒體與前、后軸承座振動(dòng)料位的特征量，以確定更優(yōu)的料位檢測(cè)量，為料位的準(zhǔn)確測(cè)量提供可靠的依據(jù).

1 球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為火力發(fā)電廠所用球磨機(jī)，其直徑為3.5 m，筒體長(zhǎng)6.0 m，型號(hào)MG350/600，球磨機(jī)筒體被電機(jī)(YTM630-6，功率1 000 kW，轉(zhuǎn)速985 r/min)經(jīng)過(guò)減速傳動(dòng)后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，筒體的工作轉(zhuǎn)速為17.57 r/min.球磨機(jī)滾筒內(nèi)鋼球裝載量為38 t，鋼球的直徑分別為40，50與60 mm，各直徑鋼球的質(zhì)量比為4∶4∶2;滾筒內(nèi)的物料為煤塊與煤粉的混合物.

在目前的利用軸承振動(dòng)檢測(cè)料位方法中，振動(dòng)傳感器安裝在球磨機(jī)筒體的前、后軸承座上，如圖1中的測(cè)點(diǎn)5，6位置.從球磨機(jī)縱截面來(lái)看，筒體內(nèi)煤粉高度是從進(jìn)口到出口向下傾斜的，而不是在筒體內(nèi)均勻分布的［9］，如圖2所示.因此在筒體上安裝一個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)并不能完整地描述筒體內(nèi)的存煤情況，需要安裝多個(gè)傳感器在球磨機(jī)筒體的不同位置上，本研究中在筒體上的同一軸向共安裝4個(gè)振動(dòng)加速度傳感器來(lái)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖1 中的測(cè)點(diǎn) 1，2，3，4.

圖1 振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)安裝示意圖

圖2 球磨機(jī)滾筒內(nèi)料位分布示意圖(縱截面)［9］

與軸承振動(dòng)信號(hào)采集相比，筒體上傳感器的安裝、振動(dòng)信號(hào)的采集與傳輸都比較困難.由于傳感器安裝在筒體上隨球磨機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此不能像傳統(tǒng)的軸承振動(dòng)信號(hào)采集一樣把傳感器與采集計(jì)算機(jī)直接相連.本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸裝置，該裝置與傳感器相連接，把采集到的振動(dòng)信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)讲杉?jì)算機(jī)中.該裝置在筒體上安裝時(shí)，首先在筒體上焊接一個(gè)金屬底板，然后通過(guò)4個(gè)螺栓與螺釘把裝置固定在該金屬板上，圖3為該裝置在球磨機(jī)筒體上的安裝實(shí)物圖.

圖3 球磨機(jī)筒體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

在球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，筒體上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)隨球磨機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這需要在數(shù)據(jù)采集時(shí)確定測(cè)點(diǎn)在筒體上的采集區(qū)域.由于鋼球?qū)γ簤K的沖擊振動(dòng)信息能直接反映滾筒內(nèi)料位的多少，因此在本研究中筒體振動(dòng)數(shù)據(jù)采集區(qū)域?yàn)殇撉虻臎_擊區(qū)域.通過(guò)仿真與理論計(jì)算，筒體內(nèi)鋼球下落沖擊區(qū)域位于筒體上周向310°～340°區(qū)域范圍［10］.因此把該區(qū)域作為筒體上振動(dòng)信號(hào)的采集區(qū)域，如圖4所示.

圖4 球磨機(jī)筒體數(shù)據(jù)采集區(qū)域示意圖

傳感器通過(guò)采集系統(tǒng)中的光電開(kāi)關(guān)在筒體上特定的周向位置進(jìn)行信號(hào)采集(見(jiàn)圖3)，這是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，其工作示意圖如圖5所示.在球磨機(jī)筒體的正下方放置了一個(gè)光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)裝置，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)隨轉(zhuǎn)動(dòng)的筒體經(jīng)過(guò)該位置時(shí)，觸發(fā)裝置將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的光線反射到接收器，此時(shí)光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)，該位置為采樣裝置與傳感器的初始相位.通過(guò)上位機(jī)發(fā)送的延時(shí)命令，就可以確定傳感器在筒體上采集信號(hào)的周向位置.

圖5 光電開(kāi)關(guān)工作示意圖

1.2 球磨機(jī)筒體與軸承座振動(dòng)信號(hào)采集

在球磨機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，滾筒內(nèi)料位的高低可以由給煤機(jī)來(lái)控制，當(dāng)給煤機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的給煤量大時(shí)，則滾筒內(nèi)料位較高，否則滾筒內(nèi)料位較低，因此在實(shí)驗(yàn)中不同給煤量工況可以認(rèn)為是不同料位工況.實(shí)驗(yàn)中，在鋼球裝載量38 t條件下，分別在給煤量0，20，30，35，40，45，50，55 t/h 八個(gè)穩(wěn)定工況下采集球磨機(jī)筒體與軸承座振動(dòng)信號(hào).其中筒體振動(dòng)信號(hào)的采樣頻率 fs=40 kHz，采樣點(diǎn)數(shù) N=4 096;軸承座振動(dòng)信號(hào)采樣頻率fs=19.2 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)N=2 048.數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)步驟如下:

①在球磨機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，把給煤量調(diào)整到0 t/h，對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行抽空，大約8～10 min后球磨機(jī)無(wú)煤(料位0%)，此時(shí)處于給煤量為0 t/h的穩(wěn)定工況，開(kāi)始采集球磨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù).

②在0 t/h的穩(wěn)定工況下，同時(shí)開(kāi)始采集球磨機(jī)前后軸承與筒體各測(cè)點(diǎn)信號(hào)，其中球磨機(jī)前后軸承振動(dòng)信號(hào)分別采集30組.

③在采集軸承振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)的上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送延時(shí)命令，使筒體4個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)在周向310°～340°區(qū)域采集數(shù)據(jù)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在該區(qū)域各采集30組振動(dòng)信號(hào).

④ 按相同的方法，分別在給煤量20，30，35，40，45，50，55 t/h七個(gè)穩(wěn)定工況采集筒體與軸承振動(dòng)信號(hào).

在實(shí)驗(yàn)中采集多組振動(dòng)信號(hào)的原因主要是:①消除數(shù)據(jù)采集過(guò)程中帶來(lái)的誤差;②消除由于電流頻率波動(dòng)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差，而給球磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)速帶來(lái)波動(dòng)誤差.圖6(a)為筒體振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖，圖6(b)為其相對(duì)應(yīng)的頻譜圖.從圖6(a)與(b)信號(hào)的幅值可以看出，筒體上鋼球沖擊比較大.同時(shí)從圖6(b)可以看出，信號(hào)的能量主要集中在以4 kHz為中心，1～10 kHz的頻帶范圍內(nèi).這是鋼球沖擊造成的主要頻率響應(yīng)范圍，同時(shí)該頻帶范圍內(nèi)的振動(dòng)信息可以較準(zhǔn)確地反映球磨機(jī)滾筒內(nèi)鋼球與煤及筒體的撞擊情況.

2 球磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的濾波處理

由上述可知，筒體上鋼球沖擊的頻率響應(yīng)主要集中在1～10 kHz范圍內(nèi)，因此為了剔除其他因素對(duì)料位信號(hào)的影響，需要一個(gè)帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波來(lái)提取鋼球的沖擊振動(dòng)信息.在本研究中設(shè)計(jì)一個(gè)在通帶中具有等波形響應(yīng)的切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器.該濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)為:通帶邊界頻率為1.001～10 kHz;通帶波紋小于3;阻帶衰減大于30 dB;過(guò)渡帶寬為500 Hz;采樣頻率40 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)4 096.根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)，所得到的帶通濾波器的幅頻特性如圖7所示.

圖6 球磨機(jī)筒體振動(dòng)信號(hào)時(shí)域與頻譜圖

圖7 切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器的幅頻特性圖

圖8為圖6中經(jīng)過(guò)濾波處理后信號(hào)的時(shí)域與頻譜圖.從圖8(b)頻譜圖中可以看出，料位特征頻段在1.001～10 kHz范圍內(nèi)的信息被保留，其他非特征頻段的信息被剔除.用相似的方法，對(duì)軸承座振動(dòng)信號(hào)也進(jìn)行濾波處理.

圖8 濾波后筒體振動(dòng)信號(hào)時(shí)域與頻譜圖

3 球磨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 筒體振動(dòng)料位特征量的提取

由球磨機(jī)筒體與軸承振動(dòng)機(jī)理可知，相對(duì)于球磨機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)，筒體振動(dòng)信號(hào)更能直接、準(zhǔn)確地反映料位信息，但這僅是理論上的分析結(jié)果，還需要通過(guò)實(shí)際的數(shù)據(jù)分析來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論的正確性.本文通過(guò)分析和比較筒體與軸承振動(dòng)的料位特征量，來(lái)確定較優(yōu)的料位振動(dòng)信號(hào)及特征量.在目前利用軸承振動(dòng)檢測(cè)料位的方法中，大多采用振動(dòng)有效值作為料位特征量.在本研究中，每種給煤量工況前后軸承座振動(dòng)信號(hào)的有效值為該工況采集的30組振動(dòng)信號(hào)有效值的平均值，計(jì)算公式如下:

為了便于對(duì)比，本文從筒體振動(dòng)信號(hào)中提取有效值作為筒體振動(dòng)的料位特征量.每種給煤量工況下筒體上各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值為該工況各測(cè)點(diǎn)采集的30組振動(dòng)信號(hào)有效值的平均值，計(jì)算公式為

根據(jù)式(1)與(2)可以計(jì)算得到球磨機(jī)前、后軸承座及筒體上各測(cè)點(diǎn)(共6個(gè)測(cè)點(diǎn))在每種給煤量工況下的振動(dòng)有效值，圖9為給煤量與各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值關(guān)系圖.由圖可見(jiàn)，隨著給煤量(料位)的增大，球磨機(jī)筒體與軸承振動(dòng)呈下降趨勢(shì)，這與理論分析結(jié)論一致.在圖9(a)中，給煤量從0 t/h開(kāi)始增加的過(guò)程中，筒體上靠近出煤端測(cè)點(diǎn)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)有效值更大，這說(shuō)明越靠近出煤端煤位越低，筒體上所受鋼球的沖擊振動(dòng)越大，這也驗(yàn)證了圖2中筒體內(nèi)料位分布的結(jié)論.圖9(b)也反映了相同的情況，在相同給煤量工況下，后軸承座(測(cè)點(diǎn)6)的振動(dòng)有效值更大.

圖9 給煤量與球磨機(jī)筒體及軸承座振動(dòng)有效值關(guān)系圖

在圖9(a)中，隨著給煤量的繼續(xù)增加，滾筒內(nèi)煤塊與煤粉混合物的分界線不斷上移，滾筒的料位不斷上升，煤層對(duì)鋼球沖擊的減振作用不像低工況時(shí)那么明顯，此時(shí)進(jìn)口與出口筒體的振動(dòng)趨于接近，并在最大給煤量工況(55 t/h)時(shí)基本趨于相等.這一結(jié)論與文獻(xiàn)［9，11］中認(rèn)為前后軸振能量在球磨機(jī)最大制粉出力時(shí)趨于相同的結(jié)論相似，圖9(b)也驗(yàn)證了這一結(jié)論.同時(shí)，文獻(xiàn)［9，11］認(rèn)為可以利用這一特性判斷球磨機(jī)是否處于最大出力.由于給煤量55 t/h工況同時(shí)也是鋼球裝載量38 t條件下的最優(yōu)工況，因此在本研究中也可以利用筒體振動(dòng)的這一特性來(lái)判斷球磨機(jī)是否運(yùn)行于最大給煤量工況與優(yōu)化區(qū)域.

3.2 筒體與軸承座振動(dòng)料位特征量的比較

在本研究中通過(guò)計(jì)算筒體與軸承座振動(dòng)反映料位變化的敏感程度，來(lái)分析和比較2種料位特征量.由于軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值與筒體振動(dòng)信號(hào)的有效值相差幾個(gè)(4個(gè)左右)數(shù)量級(jí)，因此為了使2種信號(hào)的數(shù)據(jù)在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較，對(duì)2種信號(hào)的有效值采用如下方法進(jìn)行了歸一化計(jì)算:

式中，x'i為歸一化處理后的數(shù)據(jù);xi為振動(dòng)有效值數(shù)據(jù);xmax為各測(cè)點(diǎn)每種工況振動(dòng)有效值的最大值;xmin為各測(cè)點(diǎn)每種工況振動(dòng)有效值的最小值.

利用相鄰工況振動(dòng)信號(hào)有效值的變化來(lái)獲得信號(hào)，反映料位變化敏感程度的指標(biāo)計(jì)算公式如下:

式中，aj為振動(dòng)有效值反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo);x'j為第j種工況振動(dòng)有效值歸一化處理后的數(shù)據(jù);x'j+1為第j+1種工況振動(dòng)有效值歸一化處理后的數(shù)據(jù).

表1為根據(jù)式(4)計(jì)算所得的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值反映料位變化敏感程度的指標(biāo).表中序號(hào)1表示給煤量0 t/h工況，以此類推，序號(hào)8表示給煤量55 t/h工況.根據(jù)表1所獲得各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值敏感程度指標(biāo)的平均值可以看出，4個(gè)筒體測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值反映料位變化的敏感程度更高，這說(shuō)明筒體振動(dòng)料位特征量更能靈敏地反映滾筒內(nèi)料位的微小變化，同時(shí)也能監(jiān)測(cè)大范圍的料位變化.從前后軸承座振動(dòng)有效值的敏感程度指標(biāo)比較來(lái)看，前軸承更能靈敏地反映料位的變化，這也與目前軸承振動(dòng)法的研究結(jié)論相同［12］.

表1 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo)

表2為由未經(jīng)濾波的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)得到的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo).由表1與表2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，與原始振動(dòng)信號(hào)相比，濾波后的振動(dòng)信號(hào)更能靈敏地反映料位的變化.

表2 各測(cè)點(diǎn)原始振動(dòng)信號(hào)反應(yīng)料位變化敏感程度的指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

料位的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵，而能準(zhǔn)確反映料位信息的特征量又是實(shí)現(xiàn)料位精確檢測(cè)的關(guān)鍵.在本研究中針對(duì)筒體振動(dòng)信號(hào)與料位分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套筒體振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集方案，對(duì)筒體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采集與分析，并把不同給煤量工況的筒體與軸承座振動(dòng)料位特征量進(jìn)行了比較.結(jié)果證明筒體振動(dòng)料位特征量更能靈敏地反映料位的變化，具有較好的優(yōu)越性，為實(shí)現(xiàn)料位的準(zhǔn)確測(cè)量提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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