基于检测球的球磨机磨矿介质的力学研究.pdf
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1、2024年第2 期doi:10.3969/j.issn.1671-9492.2024.02.008有色金属(选矿部分)基于检测球的球磨机磨矿介质的力学研究49马道明1,李同清1,尹自信?(1.江苏海洋大学机械工程学院,江苏连云港2 2 2 0 0 5;2.宿州学院机械工程学院,安徽宿州2 340 0 0摘要:以筒体直径为30 5mm、筒体长度为150 mm的球磨机作为研究对象,利用检测球装置获取在6 0%、7 0%、8 0%转速率下磨矿介质的原始运动数据,并通过运用姿态角算法排除原始数据中的重力因素,以得出更接近真实运动数据进行研究。试验结果显示,当转速率为6 0%时,原始力平均值为1.7 1
2、7 N,其真实数据力平均值为1.9 9 0 N,平均角速度为530.1deg/s,标准差则为2 2 1.15;转速率提升至7 0%时,原始力平均值为1.7 96 N,真实数据力平均值为2.0 7 9N,平均角速度为6 2 8.9deg/s,标准差为2 38.3;然而在8 0%的转速率下,原始力平均值则降至0.8 2 6 N,真实数据力平均值则为1.37 7 N,平均角速度为6 56.3deg/s,标准差为2 6 2.55。根据这些结果,得出以下结论:1)磨矿介质的真实数据力平均值比原始力平均值要大;2)随着球磨机转速的提升,磨矿介质受到的碰撞作用力呈现先增大后减小的变化趋势;3)随着球磨机转速
3、的提升,检测球的角速度持续增大。因为角速度可能影响磨矿介质的研磨效果,说明在高转速率下,筒体对磨矿介质提供的能量更多,能够带来更佳的研磨效果;4)随着球磨机转速的提升,检测球的角速度标准差也在持续增大,说明在高转速率下,磨矿介质的动能波动范围更大,介质间的能量交换频率提高,能够更明显地发挥出磨矿介质的研磨作用。关键词:球磨机;检测球;姿态角算法;转速率中图分类号:TD954;T D 92 5+.7Mechanical Study of Ball Mill Grinding Media Based on Instrumented Ball(1.School of Mechanical Engin
4、eering,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222005,Jiangsu,China;2.School of Mechanical and Electronic Engineering,Suzhou University,Suzhou 234000,Anhui,China)Abstract:A ball mill with a diameter of 305mm and a length of 150mm was used as the experimentalobject,the original movement data of grinding
5、 media at 60%,70%and 80%of the critical rotationalspeeds were obtained by using the detection ball device.By using the attitude angle algorithm to eliminatethe gravity factor in the original data,data obtained are closer to the real motion data.The experimentalresults show that when the rotation spe
6、ed is 60%,the average value of the original force is 1.717 N,theaverage value of the true data force is 1.990 N,the average angular velocity is 530.1 deg/s,and thestandard deviation is 221.15.When the rotation speed is increased to 70%,the rotation speed is increased to70%,the average value of the o
7、riginal force is 1.796 N,the average value of the true data force is 2.079 N,the average angular velocity is 628.9 deg/s,and the standard deviation is 238.3.However,the averagevalue of the original force decreases to 0.826 N at 80%speed,the true data force average is 1.377 N,themean angular velocity
8、 is 656.3 deg/s,and the standard deviation is 262.55.According to these results,thefollowing conclusions can be drawn:1)The true data force average value of grinding medium is larger thanthe original force average value.2)With the increase of the rotating speed of the ball mill,the impact forceon th
9、e grinding medium increases at first and then decreases.3)With the increase of ball mill speed,theangular velocity of the test ball increases continuously.Because the angular velocity may affect the grindingeffect of grinding medium,it shows that the cylinder can provide more energy to the grinding
10、medium andbring better grinding effect.4)With the increase of the ball mill speed,the standard deviation of theangular velocity of the test ball also increases continuously,which shows that the fluctuation range of the收稿日期:2 0 2 2-0 9-18基金项目:安徽省教育厅自然科学研究重点项目(2 0 2 2 AH051380)作者简介:马道明(1999一),男,江苏盐城人,
11、硕士研究生,主要从事球磨机颗粒破碎、离散单元算法研究。文献标志码:AMA Daoming,LI Tongqing,YIN Zi x i n?文章编号:16 7 1-9492(2 0 2 4)0 2-0 0 49-0 750kinetic energy of the grinding medium is larger and the frequency of the energy exchange between the mediais increased under the high rotating speed,the grinding effect of grinding medium c
12、an be brought into playmore obviously.Key words:ball mill;instrumented ball;attitude angle algorithm;rotation rate球磨机是一种利用钢球作为磨矿介质,通过衬板将磨矿介质提升至一定高度后脱离筒体进行自由落体运动,利用动能来完成颗粒破碎和研磨的设备。由于其结构简单且具有良好的粉碎效果,它被广泛应用于各种材料的机械合金化,以及制备药品、陶瓷和化工等粉末材料1-3。作为不可或缺的粉碎设备,球磨机在使用过程中消耗巨大。据资料显示,球磨机的耗电量约占整个选矿厂用电量的四分之一到七分之一。因此,为
13、了提高球磨机的效率并降低能耗,呕需对球磨机介质的运动状态进行研究。针对这一问题,各学者纷纷采用直接或间接的方式展开研究。刘宇等51运用理论分析方法,对磨矿介质的运动规律进行研究;王伟等6 利用RockyDEM软件研究球磨机衬板结构磨损问题;王晓等7 利用EDEM软件对不同球磨机填充率下的颗粒物碰撞能量变化进行分析;瞿铁等8 利用EDEM软件研究球磨机的填充率、转速率、衬板数量等对颗粒接触数量的比例及颗粒分布的影响;冯先丁9 通过采集磨音信号实时检测进行功率谱分析;KALALA等10 1通过自制衬板结构,利用应变片分析衬板的法相力和切向力;罗小燕等111以筒体振动信号为基础,开发球磨机实时负荷参
14、数检测系统。由于球磨机内部环境恶劣,目前尚无有效的方法直接测量磨矿介质的运动状态参数,因此,MARTINSL12将采用嵌人式微电子控制系统,对不同转速工况下磨矿介质的动能、接触力变化规律进行研究;刘军德131将MEMS九轴传感器姿态算法作为球磨机介质运动测量的新方法,可提供球磨机相关研究的数量分析手段;姚光前14在球磨机内放入有色金属(选矿部分)装有传感器的磨球,根据测试参数设定球磨机研究球磨机转速和磨球大小对磨矿效率的影响;WANG等15 采用三轴加速度传感器输出结果,通过智能算法检测载荷状态;尹自信等16 以自制检测球装置为基础,分析磨矿介质的运动参数,提出离散元验证仿真方法。结果表明,角
15、速度、加速度变化越大,磨料效率越高,冲击碰撞越明显。YIN等17 用自制的检测球测量材料内的运动参数,结果显示磨机功率有一个最大值。目前绝大多数方法都是基于间接测量或模拟,很少直接测量。常用的测量直接手段是基于九轴传感器的自制检测球测量球磨机磨矿介质运动参数,但这方面的研究人员由于时间跨度过大,在各自研究中没有相互联系,过去虽然创新性地采用姿态角算法研究球磨机磨矿介质参数,但使用的九轴传感器存在着检测频率低,且未使用卡尔曼滤波使姿态角动态误差达到3,影响了球磨机介质参数的计算。虽然近年来论文中使用了目前较为先进的九轴传感器,检测频率较原来有所提高,并且传感器自带卡尔曼滤波算法使姿态角误差缩小到
16、0.1,但姿态角算法并没有被使用。因此本文将两者结合在一起,以姿态角算法为基础,利用维特智能九轴传感器测出球磨机磨矿介质的角速度、加速度的原始数据,再用姿态角算法算出磨矿介质的真实受力,分析其变化规律。1检测装置1.1球磨机采用球磨机筒体尺寸是305mm150mm,该球磨机临界转速为7 6.6 r/min,具体装置如图1所示。2024年第2 期MotorTorque sensorMill shellDataacquisitionsystemInterver图 1 试验球磨机17 Fig,1 Experimental ball mill17Class pane2024年第2 期该磨机主要由电机、
17、逆变器、扭矩传感器、筒体和数据收集系统组成。将颗粒和检测球一起放人筒体中,利用逆变器控制电机,带动筒体旋转,当筒体旋转趋于稳定时,开始采集40 s左右检测球信号数据,之后进行下一步计算。球磨机具体磨矿介质运动参数如表1所示。1.2检测球检测球装置如图2 所示,主要由保护壳、密封垫和九轴传感器组成。保护壳和密封垫主要用来保护九轴传感器,九轴传感器主要由蓝牙进行实时传输数据,通过蓝牙适配器将数据实时传输给电脑。检测球质量为0.116 kg。九轴传感器主要由三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴磁感应传感器组成。陀螺仪用来检测三马道明等:基于检测球的球磨机磨矿介质的力学研究球磨机筒体直径/mm球磨机筒体
18、长度/mm磨矿介质直径/mm提升条形状提升条数量提升条角度/()提升条高度/mm转速率/%填充率/%铁矿石粒级/mm轴角速度、加速度传感器用来检测三轴加速度,三轴磁感应传感器通过检测到的各轴南北磁极差异来确定各轴相对东北天坐标系的欧拉角。密封垫充电口九轴传感器51表1磨矿介质运动参数Table 1Grinding media movement parameters参数数值30515030梯形12301060、7 0.8 0250.60.85微处理器微电子机械系统检测球保护壳图2 格检测球示意图16 Fig.2SSchematic diagram of the detetion spherel1
19、a2检测坐标和姿态角算法2.1检测球坐标系2.1.1地理坐标系常见地理坐标系有东北天坐标系,如图3所示,是以坐标原点为载体重心,ON轴指向北,OE轴指向东,UP轴指向天。地理坐标系一般称为t系。E开关2.1.2载体坐标系载体坐标系亦是一种在载体上的坐标系,其坐标原点在载体中心,但其三轴方向随载体的运动不断改变。一般称载体坐标系为6 系。载体坐标系相对地理坐标系的方位关系就是载体的姿态角,即航向角、俯仰角和倾斜角。如图4所示,是维特智能传感器所标定的载体坐标系,当载体坐标系与地理坐标系重合时维特智能的载体坐标X轴指向东,Y轴指向北,Z轴方向向上。NUP电源4ZXY图3东北天坐标系Fig.31No
20、rtheast sky coordinate system图4载体坐标系Fig.4Carrier coordinate system522.2姿态角算法本文基于九轴传感器采集来的数据,建立磨矿介质冲击力公式以及转动动能公式:F,/=m V(a.)?+(a,)+(a.)?a=a+a+aE=J(a)2式中,F,为检测球原始数据力,N;a v a y、a.为九轴传感器收集的三轴加速度向量,数量g(重力加速度标量);m为检测球质量,kg;E为检测球转动动能,J;J为检测球转动惯量,kgm;为九轴传感器收集的三轴角速度向量,()/s;为检测0一sinocosdsiny0C=CCiCl=0LO一sinco
21、SLsing0cosOcosOcosdcososindsindcosysiny-sinycos singsingsin+cosycosLsingcosdcosy+singsiny sinsingcosy-cosysin设=0 1T,由变换矩阵Ca得出在载体坐标系中三轴的分量。由公式(6)、(7)求出球磨介质真实力F,大小。G=mCtgF,=F,-G3结果与分析3.1检测球受力分析基于公式(1),计算检测球在各时刻的原始数据力,如图5所示,分别为6 0%、7 0%、8 0%转速率下的检测球原始数据力。然后,应用公式(7)剔除各时刻原始数据力计算中的重力影响,进而得到在不同转速率下,检测球的真实数
22、据力。如图6 展示的是60%、7 0%、8 0%转速率下的检测球真实数据力。图7 展示了不同转速率下,检测球的原始数据力和真实数据力的平均值。4.53.01.5004.53.01.504.53.01.500Fig,5 Original force measured by the instrumented ball有色金属(选矿部分)球三轴加速度向量和,()/s。因加速度传感器测出的线运动数据中包含有重力场分量,需要用姿态角算法减去九轴传感器测得(1)数据的重力场分量才算出检测球实际的合力。根据(2)姿态角定义知道坐标系Z轴旋转角度为航向角,X(3)轴旋转角度为横滚角,Y轴旋转角度为俯仰角。基于
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