智能礦石分揀系統(tǒng)給料子系統(tǒng)建模與驗(yàn)證

閔湘川，殷文俊，曾現(xiàn)勇，雷 鋼， 歐陽(yáng)周

（1.湖南軍芃科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

軍芃科技的智能礦石分揀系統(tǒng)是一種智能化、自動(dòng)化及機(jī)電一體化的在線(xiàn)式的礦石分揀設(shè)備，通過(guò)對(duì)待分揀礦石進(jìn)行光譜成像，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)、AI數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)化控制等技術(shù)進(jìn)行快速分析，并有效揀選。該設(shè)備識(shí)別度精準(zhǔn)，工作效率高，拋廢率大，目前已經(jīng)在非金屬、有色金屬和稀貴金屬領(lǐng)域獲得了較好的應(yīng)用[1，2]。

給料子系統(tǒng)是智能礦石分揀系統(tǒng)的重要的組成部分，組成包括輸送皮帶、擋料膠皮、振動(dòng)篩、溜槽、檢測(cè)皮帶等構(gòu)件。給料子系統(tǒng)的主要作用是輸送礦石通過(guò)照射和檢測(cè)、分離區(qū)域，為保證檢測(cè)和分離的精準(zhǔn)性，需要礦石在通過(guò)區(qū)域過(guò)程中保持相對(duì)靜止，單層不重疊[2]。以往對(duì)給料系統(tǒng)的性能調(diào)試是通過(guò)實(shí)機(jī)試驗(yàn)，人眼觀測(cè)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)次數(shù)多、成本高、效率低下，所得結(jié)果易受主觀及誤差影響。

仿真技術(shù)通過(guò)建立仿真模型并利用所建模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)用仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，使研究更加高效快捷。在仿真的過(guò)程中，仿真模型的建立與驗(yàn)證是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)模型驗(yàn)證可以驗(yàn)證仿真模型的可信度，避免得出錯(cuò)誤結(jié)果[3]。

針對(duì)智能礦石分揀系統(tǒng)給料子系統(tǒng)實(shí)際工況，建立礦石顆粒和給料子系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的離散元模型，應(yīng)用EDEM軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得到仿真顆粒在檢測(cè)皮帶上不同位置的平均速度；應(yīng)用影視高速攝像系統(tǒng)得到礦石顆粒的運(yùn)動(dòng)圖像，通過(guò)計(jì)算得到礦石顆粒仿真相應(yīng)位置的平均速度。通過(guò)對(duì)比礦石顆粒在仿真與試驗(yàn)中平均速度的誤差，進(jìn)行模型的驗(yàn)證。

1 給料子系統(tǒng)離散元模型

1.1 礦石顆粒模型

在智能礦石分揀系統(tǒng)工作中，待分揀的礦石存在著合格的精礦和不合格的尾礦兩種顆粒，采用相同的模型對(duì)兩種礦石顆粒建模。礦石類(lèi)型為常見(jiàn)的鉛鋅礦石，生成速率為50t/h，即每種顆粒生成速率約為6.94kg/s?？紤]到模型盡可能與真實(shí)的礦石顆粒接近，且保證仿真具有較高的計(jì)算速度，顆粒模型采用四球面進(jìn)行組合填充，填充方案如圖1所示。

圖1 礦石離散元模型

通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)鉛鋅礦石的粒徑分布，對(duì)比仿真顆粒模型，進(jìn)行顆粒放大比率換算，得到仿真顆粒分布表（表1），公式為：

表1 仿真顆粒分布表

式中：η為半徑放大倍率；lr為實(shí)際顆粒長(zhǎng)度取值；lm為模型顆粒長(zhǎng)度；Mm為模型顆粒質(zhì)量；ωn為數(shù)量占比；ωm為質(zhì)量占比。

1.2 給料子系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型

在SolidWorks軟件中建立智能礦石分揀系統(tǒng)給料子系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入至EDEM軟件中，其物理模型如圖2所示。其中輸送皮帶和擋料膠材料為橡膠，檢測(cè)皮帶材料為聚氯乙烯，其余材料均為鋼。

圖2 仿真物理模型

在EDEM軟件中建立輸送皮帶和檢測(cè)皮帶的運(yùn)動(dòng)，都為傳送帶型，速度分別為1m/s和3m/s。在沿振動(dòng)篩平面45°方向建立振動(dòng)篩的振動(dòng)，振幅為4 mm，頻率為24 hz。擋料膠皮上端與振動(dòng)篩固定，通過(guò)耦合程序API實(shí)現(xiàn)隨顆粒的撞擊而運(yùn)動(dòng)。

1.3 參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)的選擇關(guān)系著數(shù)值計(jì)算的速度與穩(wěn)定性，并在很大程度上影響著仿真的結(jié)果。這里的參數(shù)包括材料屬性、接觸參數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)常見(jiàn)鉛鋅礦石進(jìn)行取樣和分析，結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)與資料[4-5]，在模型中輸入各材料的屬性和顆粒接觸參數(shù)，如表2所列。仿真時(shí)間步長(zhǎng)由Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)決定，Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)是根據(jù)物料顆粒屬性計(jì)算而出的，公式為：

表2 模擬參數(shù)

式中：mi為材料質(zhì)量；ki為材料剛度；ζi為阻尼比。

為保證計(jì)算的速度與收斂性，取Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的30%作為仿真時(shí)步，計(jì)算得仿真時(shí)步為2×10-6s，設(shè)置數(shù)據(jù)保存間隔為0.001s，仿真時(shí)長(zhǎng)為17s。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用智能礦石分揀系統(tǒng)JPXRT1400和影視高速攝像系統(tǒng)。影視高速攝像系統(tǒng)由高速相機(jī)、燈源和工程機(jī)組成，圖像分辨率為1920＊1080，整個(gè)攝像系統(tǒng)架設(shè)于檢測(cè)皮帶上方的蓋板上，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備布置圖

2.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)桁吊拆除智能礦石分揀系統(tǒng)JPXRT1400設(shè)備檢測(cè)皮帶上方的一塊蓋板。在另一塊蓋板上安裝高速相機(jī)和光源，保證能清晰完整的采集檢測(cè)皮帶上的圖片。使用標(biāo)尺標(biāo)定拍攝圖片寬度的實(shí)際長(zhǎng)度，為630mm，為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。

將礦石填充至輸送皮帶，在檢測(cè)皮帶和振動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，開(kāi)啟輸送皮帶進(jìn)行試驗(yàn)，啟動(dòng)高速相機(jī)持續(xù)進(jìn)行采圖。

2.3 數(shù)據(jù)處理

由高速相機(jī)進(jìn)行采圖，得到每毫秒礦石顆粒在檢測(cè)皮帶上的位置如圖4所示，由于拍攝角度限制，直接在原圖上進(jìn)行速度的計(jì)算是有誤差的，通過(guò)透射變換將圖片投影到一個(gè)新的視平面以消除誤差，圖5為使用透射變換后修正的圖像。

圖4 試驗(yàn)圖像

圖5 透射變換修正圖像

通過(guò)礦石顆粒在相隔一定時(shí)間后的位置變化距離，計(jì)算出礦石在傳送帶上的速度，公式為

其中v是速度；Δp是相隔10 ms顆粒高度方向的像素值差；p是圖像高度方向像素值；h是圖片實(shí)際高度；Δt是時(shí)間間隔。

3 結(jié)果對(duì)比

將試驗(yàn)采圖區(qū)域均分出7條位置線(xiàn)，相距87.5mm，在仿真計(jì)算結(jié)果中也導(dǎo)出相同位置的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理得到相應(yīng)位置的平均速度和相對(duì)誤差（表3），相對(duì)誤差最大為1.131%，做出平均速度曲線(xiàn)（圖6），可以看出顆粒群具有一致的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

表3 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差

圖6 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折線(xiàn)圖

4 結(jié)論

通過(guò)建立離散元模型進(jìn)行仿真和應(yīng)用影視高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

（1）采用高速相機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)采圖，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可以得到顆粒在不同位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以作為模型的檢驗(yàn)方法之一。

（2）仿真與試驗(yàn)的平均速度最大誤差為1.131%，能準(zhǔn)確反映顆粒群在檢測(cè)皮帶上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，仿真精度滿(mǎn)足要求，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

（3）使用離散元模型進(jìn)行仿真模擬，可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該方法便捷高效，將成為運(yùn)輸物料設(shè)備分析設(shè)計(jì)的重要方法之一。