專利名稱：基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法及其檢測裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種球磨機滾筒內(nèi)料位的檢測方法，尤其涉及一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法及其檢測裝置。

背景技術(shù)：
筒式鋼球磨煤機是一種常見而典型的磨粉設備，它在金屬礦及非金屬礦選礦廠、建材、耐火材料、水泥、煤炭、化工、電力、輕工和冶金等行業(yè)的礦料粉碎中得到最廣泛的應用。在我國眾多的火力發(fā)電廠中，筒式低速球磨機是制粉系統(tǒng)中常用的設備，其作用是將一定尺寸的煤塊干燥、破碎并磨制成一定細度的煤粉以供給鍋爐燃燒。對于中間倉儲式制粉系統(tǒng)，球磨機的電耗高達廠用電的20％左右。
球磨機滾筒內(nèi)料位的準確測量是保障球磨機自動、安全、高效運行的關(guān)鍵和基礎所在，近年來，各國都加大對料位自動檢測技術(shù)的研究，力求能夠及時、穩(wěn)定且比較準確地檢測到滾筒內(nèi)的料位參數(shù)，從而實現(xiàn)球磨機的自動優(yōu)化運行。目前在國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中多采用以下幾種檢測方法 (1)差壓法，利用球磨機滾筒進出口的差壓信號間接測量滾筒內(nèi)的料位，但由于差壓信號同時受料位、通風量、出口溫度以及球磨機結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響，很難建立起差壓與料位的函數(shù)，故測量精度非常有限且不穩(wěn)定。
(2)有用功率法，利用功率與料位之間的變換規(guī)律來檢測料位，其受周圍環(huán)境的影響比較小，但影響功率的因素多、靈敏度不高，尤其當功率降低時難以判斷。
(3)應變法，把壓電應力傳感器安裝在球磨機殼體應力變化最大的中間部位，通過測量筒體頂部的壓力和筒體底部的張力來計算總壓力的變化，以此估算球磨機中的料位。但當進行長時間測量時，由于壓電應力傳感器本身的一些局限性會給料位的測量帶來很大的誤差。
(4)氣動差壓料位測量法，磨的兩端對稱布置有傳壓管，連續(xù)的、壓力穩(wěn)定的低壓空氣流入傳壓管并在管內(nèi)建立壓力，當煤粉部分的“淹沒”料位傳壓管探頭時，管內(nèi)壓力升高，與基準管壓力產(chǎn)生壓差，該壓差信號就可反映料位。該方法在雙進雙出球磨機中已得到了應用，但在單進單出球磨機的應用中還存在著高、低位傳壓管探頭如何防砸、氣動差壓計安裝位置的確定及固定等很多難題。
(5)超聲波檢測料位法，該方法是利用超聲波穿透鋼板和一定厚度的煤層，根據(jù)接受信號的特性來反映煤層的厚度。但由于超聲波容易被吸收及衰減，容易受環(huán)境如溫度、蒸汽等影響，同時它要求料位以上的空間是干凈的，然而在滾筒內(nèi)布滿粉塵，對反射波嚴重干擾，不能準確檢測料位。
(6)稱重法，通過在球磨機滾筒軸承下安裝應力計式稱重傳感器來檢測料位，該方法在一般的工業(yè)環(huán)境下可以取得不錯的效果，但在惡劣環(huán)境下無法保證長時間的可靠工作。
(7)噪聲法，根據(jù)采用監(jiān)測噪聲來判別料位，但是，在實際運行操作中由于煤種的變化(尤其是水分的變化)會造成很大的音頻信號誤差，導致料位測量出現(xiàn)很大的偏差。另一方面，球磨機的各種機械故障，如燒瓦、大軸斷裂、螺栓斷裂、減速機傳動機等機械的振動、隔音罩問題、鄰近設備噪聲等均會對音頻信號產(chǎn)生一定的影響。
(8)振動法，在球磨機前后軸承座上安裝傳感器拾取振動信號，通過對該數(shù)據(jù)進行處理和分析來測量料位，這種方法都無法區(qū)分是否有球磨機機械故障信息，也無法對不同煤種、水分變化進行區(qū)分。
由于球磨機是一個具有非線性、大滯后、強耦合和具有多種不確定性擾動的多變量系統(tǒng)，在加上球磨機滾筒內(nèi)部運行環(huán)境復雜，導致目前料位檢測還缺乏可靠有效的手段。此外影響球磨機磨煤的因素很多，屬于煤料方面的有礦石可磨度、給料粒度等；屬于球磨機結(jié)構(gòu)方面的有球磨機規(guī)格、型式、襯板形狀等；屬于操作方面的有球磨機轉(zhuǎn)速、加球制度、和球料比。這些因素本身又互相影響，使得以上所述的檢測方法還存在很多問題，很難準確反映球磨機滾筒內(nèi)的料位；致使在球磨機的實際運行中為了避免出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象，使其經(jīng)常運行于極不經(jīng)濟區(qū)，制粉電耗偏高；同時也造成球磨機自動控制系統(tǒng)難以長期可靠投用，料位仍依靠人工操作。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種能夠?qū)崟r、準確地測量球磨機滾筒內(nèi)料位的基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法及其檢測裝置，該方法能有效克服煤種、煤的含水量、煤的粒度等眾多因素對料位檢測帶來的影響。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，該方法包括以下步驟 A)在球磨機滾筒上安裝一個振動加速度傳感器， B)確定傳感器數(shù)據(jù)采集的采樣參數(shù)，該參數(shù)包含采樣頻率和采樣點數(shù)，并根據(jù)采樣頻率與采樣點數(shù)計算傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度L， C)確定傳感器在筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域首先計算球磨機滾筒內(nèi)鋼球的理論最大沖擊點，通過料位標定實驗，并以理論計算的鋼球最大沖擊點作為實驗指導依據(jù)，確定筒體上鋼球?qū)嶋H最大沖擊點的周向區(qū)域，并同時得到筒體上鋼球的最大沖擊點與料位之間的關(guān)系， D)根據(jù)傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度和數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域確定傳感器數(shù)據(jù)采集時各起始周向位置，在球磨機運行時，通過傳感器在各周向位置拾取滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的沖擊振動信號，并將該沖擊振動信號保存到采集計算機中， E)分析和比較旋轉(zhuǎn)筒體上采集的沖擊振動數(shù)據(jù)，確定筒體上鋼球的最大沖擊點， F)根據(jù)最大沖擊點與料位的對應關(guān)系計算出球磨機該狀態(tài)下的料位值。
一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測裝置，包括球磨機筒體，在球磨機筒體上設有振動加速度傳感器。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點 1、本發(fā)明利用滾筒內(nèi)料位與筒體上鋼球的最大沖擊點存在著對應關(guān)系的原理，通過分析筒體上的周向位置振動數(shù)據(jù)來獲取鋼球的最大沖擊點以實現(xiàn)測量料位，其測量結(jié)果不受煤種、煤的含水量、煤的粒度變化等眾多因素的影響。
2、由于傳感器是直接安裝在旋轉(zhuǎn)筒體上，大大減少了滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間碰撞振動沖擊的傳遞途徑，在加上筒體本身質(zhì)量大等原因，因此較之傳統(tǒng)的安裝在球磨機前后軸承座測點采集到的數(shù)據(jù)更能敏感地反映滾筒內(nèi)鋼球與煤塊、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的撞擊情況，該振動數(shù)據(jù)更能準確地反映料位信息。
3、本發(fā)明測量數(shù)據(jù)準確可靠。由于球磨機筒體轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，筒體上各周向角度振動數(shù)據(jù)波動很小，使得料位測量誤差小，穩(wěn)定可靠。
4、本發(fā)明與噪聲信號檢測料位方法不同，本發(fā)明測量結(jié)果不受周圍環(huán)境的影響。
5、本發(fā)明應用廣泛。本發(fā)明不僅適應于火電廠中的球磨機機組，同樣也適用于在選礦、建材、水泥、煤炭、化工、輕工和冶金等行業(yè)的球磨機機組，有效提高其運行經(jīng)濟性和可靠性。



圖1是本發(fā)明中檢測裝置的示意圖，圖中筒體的左端為進煤端，右端為出煤端。
圖2是球磨機滾筒內(nèi)鋼球運動軌跡示意圖，其中A點和A1點分別是滾筒內(nèi)最外層和最內(nèi)層鋼球做圓周運動結(jié)束時的脫落點，B和B1點分別為滾筒內(nèi)最外層和最內(nèi)層鋼球做拋落運動結(jié)束時的接觸點；α角為最外層鋼球的脫離角，β為最外層鋼球的落回角。
圖3是料位與最大沖擊角度之間的關(guān)系圖。
圖4是滾筒上振動加速度傳感器數(shù)據(jù)采集時周向位置表示示意圖，球磨機為逆時針旋轉(zhuǎn)，在圖中A點為測點采集時周向位置的起始點，從A點沿逆時針方向計算周向位置的大小，如B點則為周向90°，C點為周向180°，D點為周向310°。
圖5本發(fā)明實施例的滾筒沖擊振動數(shù)據(jù)時域圖。
圖6本發(fā)明實施例的滾筒沖擊振動數(shù)據(jù)頻譜圖。
圖7是某一料位下各周向位置與沖擊振動的變化規(guī)律曲線。

具體實施例方式 一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，該方法包括以下步驟 A)在球磨機滾筒上安裝一個振動加速度傳感器，在本實施例中，該振動加速度傳感器位于球磨機滾筒的中部， B)確定傳感器數(shù)據(jù)采集的采樣參數(shù)，該參數(shù)包含采樣頻率和采樣點數(shù)，并根據(jù)采樣頻率與采樣點數(shù)計算傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度L， C)確定傳感器在筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域首先計算球磨機滾筒內(nèi)鋼球的理論最大沖擊點，通過料位標定實驗，并以理論計算的鋼球最大沖擊點作為實驗指導依據(jù)，確定筒體上鋼球?qū)嶋H最大沖擊點的周向區(qū)域，并同時得到筒體上鋼球的最大沖擊點與料位之間的關(guān)系， D)根據(jù)傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度和數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域確定傳感器數(shù)據(jù)采集時各起始周向位置，在球磨機運行時，通過傳感器在各周向位置拾取滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的沖擊振動信號，并將該沖擊振動信號保存到采集計算機中， E)分析和比較旋轉(zhuǎn)筒體上采集的沖擊振動數(shù)據(jù)，確定筒體上鋼球的最大沖擊點， F)根據(jù)最大沖擊點與料位的對應關(guān)系計算出球磨機該狀態(tài)下的料位值。
該方法中的步驟B的確定過程如下 B1)采樣頻率fs的確定取決于滾筒內(nèi)鋼球?qū)γ旱臎_擊頻率，該沖擊頻率集中在高頻2000Hz～15000Hz范圍內(nèi)，為了不丟失有用信息和解決頻率混淆問題，在工程中采樣頻率的計算規(guī)則為 fs＝(2.56～4)fm(1) 公式(1)中fm為鋼球?qū)γ旱淖罡邲_擊頻率成分的頻率，在本實施例中，fm＝15000Hz，因此采樣頻率fs的范圍為40000Hz～60000Hz， B2)當采樣頻率一定時，采樣點數(shù)N過小會使頻率分辨率Δf過大，這樣導致丟失或歪曲原來信號的信息；同時采樣點數(shù)N過高會使計算機存儲量和計算量大大增加，根據(jù)采樣頻率與計算的需要，采樣點數(shù)N＝4096點， B3)根據(jù)采樣頻率和采樣點數(shù)計算傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨滾筒轉(zhuǎn)過的周向角度， 傳感器采集一組數(shù)據(jù)的采樣長度T為 T＝N/fs(2) 球磨機滾筒轉(zhuǎn)動一周所用的時間t為 t＝60/n(3) 公式(3)中n為球磨機的轉(zhuǎn)速，單位r/min， 由公式(2)、(3)可得傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨滾筒轉(zhuǎn)過的周向角度L為 把L取整得到l，單位為度。
該方法中的步驟C的確定過程如下 C1)計算滾筒內(nèi)鋼球的理論最大沖擊點該點為滾筒內(nèi)最外層鋼球隨筒體做完圓周運動后沿拋物線落下后與筒壁的接觸點，該點稱為鋼球的落回點B，以筒體橫截面的圓心O為原點建立坐標系XOY，此時落回點B位于第三象限，線段OB與X軸負方向的夾角稱為落回角β，其中最外層鋼球就是最貼近筒壁的一層鋼球， 在球磨機運行時，從進煤端看球磨機為逆時針轉(zhuǎn)動，最外層鋼球最初隨筒壁一起做圓周運動，圓周運動的半徑與滾筒半徑相同，均為R，當最外層鋼球隨筒體沿圓周軌跡運行到脫離點A時，作用在鋼球上的離心力和鋼球重力的徑向分力相同，此時最外層鋼球越過A點則鋼球離開筒壁，以初速度v與水平方向成一角度拋出而沿拋物線軌跡運動，最后落到筒壁上的落回點B，最外層某一鋼球到達脫離點A時的受力平衡為 公式(5)中 m-鋼球的質(zhì)量 g-重力加速度，其值為9.8m/s2 α-鋼球的脫離角，在坐標系XOY中為線段OA與Y軸正方向的夾角 公式(5)中v的計算過程如下
公式(6)中 ω-球磨機的角速度 n-球磨機的轉(zhuǎn)速，單位r/min 聯(lián)系公式(5)、(6)可得鋼球的脫離角α為 由脫離角α可以確定脫離點A在坐標系XOY中的位置，A點的坐標為 XA＝Rsina(8) YA＝Rcosa(9) 取脫離點A為原點，建立坐標系XAY，則鋼球沿圓周運動的軌跡方程為 (x+Rsinα)2+(y+Rcosα)2＝R2(10) 鋼球從脫離點A以線速度v拋出，在坐標系XAY中拋物運動對應的水平距離和垂直距離方程分別為 x＝-(vcosα)t (11) y＝(vsinα)t-1/2gt2(12) 由公式(11)、(12)得鋼球沿拋物線軌跡的運動方程為 落回點B的位置就是兩運動軌跡的交點，聯(lián)立公式(10)和(13)可解得坐標系XAY中B點的坐標為 xB＝-4Rsinαcos2α(14) yB＝-4Rsin2αcosα(15) 用以0點為原點的XOY坐標系來表示落點B的坐標，根據(jù)移軸規(guī)則，將公式(14)、(15)改寫為 xB＝-4Rsinαcos2α+R sinα(16) yB＝-4Rsin2αcosα+R cosα (17) 落回角β為 故 由公式(16)、(17)、(1 9)可得知落回點B、落回角β均可由脫離角α得到， C2)空罐標定實驗在球磨機處于正常工作狀態(tài)時，停止給煤8～12分鐘，將磨抽空，在本實施例中該時間為10分鐘，使得料位為0％，并繼續(xù)停止給煤使球磨機正常運轉(zhuǎn)，此時球磨機一直處于空罐狀態(tài)，在此狀態(tài)下采集沖擊振動信號， 由于無法得知此狀態(tài)下筒體上鋼球的實際最大沖擊點位置，因此以理論計算的鋼球最大沖擊點為指導依據(jù)，在筒體上該位置周向±3l區(qū)域范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)，其中l(wèi)是L取整得到的，且L≥l，該區(qū)域范圍在坐標系XOY中的度數(shù)范圍為180°+β-3l～180°+β+3l，傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過的周向角度為L，因此在該周向區(qū)域內(nèi)傳感器只需在六個周向位置180°+β-3l、180°+β-2l、180°+β-l、180°+β、180°+β+l、180°+β+2l處采集數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)保存到采集計算機中， 根據(jù)在該周向區(qū)域采集到的沖擊振動信號計算在該區(qū)域內(nèi)測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)的有效值，計算過程如下 C21)由于數(shù)據(jù)采集時采樣點數(shù)N＝4096點，傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過的周向角度為L，因此測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)個數(shù)n為 C22)現(xiàn)以計算測點在周向位置180°+β-3l轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)有效值為例來介紹在180°+β-3l～180°+β+3l的整個區(qū)域內(nèi)，測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)有效值的計算方法；由于采樣點數(shù)為N＝4096點，因此傳感器在周向起始位置180°+β-3l采集的一組數(shù)據(jù)中包含4096個振動加速度數(shù)據(jù)xi，其中i＝1，2，…，N，又由于測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)個數(shù)為n，因此測點在周向位置180°+β-3l轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)為xi，其中i＝1，2，…，n，同理測點在筒體周向位置180°+β-3l+1°轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)為xi，其中i＝n+1，n+2，…，2n，測點在周向位置180°+β-3l轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)有效值的計算公式如下 把該有效值作為周向位置180°+β-3l的振動有效值，同理可求得筒體在180°+β-3l～180°+β+3l的周向區(qū)域內(nèi)其他周向位置上的振動有效值，且相鄰兩個周向位置之間相差1°， 比較筒體在180°+β-3l～180°+β+3l周向區(qū)域內(nèi)各周向位置的振動有效值，最大振動有效值對應的周向位置S0作為空罐狀態(tài)下筒體上鋼球的實際最大沖擊點， C3)滿罐標定實驗在空罐標定后，啟動給煤機把20％料位對應的煤料輸送到球磨機滾筒中，此時只進煤不出煤，保持球磨機正常運行，直到振動信號穩(wěn)定，在此狀態(tài)下采集沖擊振動信號， 振動加速度在筒體上數(shù)據(jù)采集的方式和空罐狀態(tài)相同，筒體采集的周向區(qū)域為180°+β-3l～180°+β+3l；按照相同的方法計算采集周向區(qū)域內(nèi)每間隔1°的各周向位置的振動有效值，通過比較分析得到滿罐狀態(tài)下筒體上鋼球的實際最大沖擊點S1， C4)由于空罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置為S0，滿罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置為S1，且S0＞S1，為了保障筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域適用于各種運行狀態(tài)，并盡可能地減少數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域縮短數(shù)據(jù)采集時間、減少計算量，數(shù)據(jù)的周向采集區(qū)域定為S1-l～S0+l， C5)通過空罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置S0與滿罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置S1，確定筒體上料位與筒體上鋼球最大沖擊點之間的關(guān)系。
該方法中的步驟D的確定過程如下 D1)傳感器在筒體上數(shù)據(jù)采集的區(qū)域為S1-l～S0+l，根據(jù)傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過的周向角度為L，可以得到在該區(qū)域數(shù)據(jù)采集的各周向起始位置， D2)在球磨機運行時，通過振動加速度傳感器在各周向起始位置拾取滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的沖擊振動信號，并將該沖擊振動信號保存到采集計算機中。
該方法中的步驟E的確定過程如下 E1)按照料位標定實驗中計算采集周向區(qū)域內(nèi)每間隔1°的各周向位置的振動有效值的方法，計算周向區(qū)域S1-l～S0+l內(nèi)每間隔1°的各周向位置的振動有效值， E2)比較各周向位置的振動有效值，把最大振動有效值對應的周向位置作為該狀態(tài)下筒體上鋼球的最大沖擊點。
一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測裝置，包括球磨機旋轉(zhuǎn)筒體，在球磨機旋轉(zhuǎn)筒體上設有振動加速度傳感器。
在本實施例中，球磨機的型號是MG350/600，該型號球磨機的轉(zhuǎn)速為17.57r/min，半徑R＝1.75m。數(shù)據(jù)采集時采樣頻率fs＝40000Hz，采樣點數(shù)N＝4096點，根據(jù)球磨機的轉(zhuǎn)速、采樣頻率和采樣點數(shù)計算采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過10.54°。根據(jù)球磨機的參數(shù)可算得最外層鋼球的脫落角為a＝53°，接觸角β＝69°，因此從理論計算上鋼球的最大沖擊點應位于圖2中XOY坐標系的第三象限249°位置；在空罐(0％料位)標定實驗中得到筒體上鋼球的最大沖擊點位于240°(在XOY坐標系中)，滿罐(20％料位)標定實驗中得到筒體上鋼球的最大沖擊點位于230°(在XOY坐標系中)，因此筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域為220°～250°(在XOY坐標系中)，同時也得到了料位與鋼球最大沖擊點之間的關(guān)系。由于在數(shù)據(jù)采集時周向位置的表示方法和XOY坐標系不同，如圖4所示，A點為測點采集時周向角度的起始點，從A點沿逆時針方向計算周向角度的大小，如B點則為周向90°，C點為周向180°，D點為周向310°，因此在球磨機運行時，振動加速度傳感器在周向區(qū)域310°-340°范圍內(nèi)采集沖擊振動信號，需要傳感器分別在310°、320°、330°三個周向位置(圖4中的D、E、F三點)采集數(shù)據(jù)，采集的振動數(shù)據(jù)時域和頻譜樣圖分別如圖5和圖6所示。分別計算采集周向區(qū)域內(nèi)30個周向位置(間隔1°)的振動有效值，并比較各周向位置的振動有效值，圖7是30個周向位置與振動有效值之間的關(guān)系圖，從該圖中可以看出，滾筒上的沖擊振動在周向310°-340°區(qū)域內(nèi)是呈現(xiàn)先增大后減少的規(guī)律，在323°沖擊振動最大，因此在筒體上周向323°(在XOY坐標系中為233°)處即為此料位下鋼球的最大沖擊點；根據(jù)獲得的最大沖擊角度，依據(jù)料位與最大沖擊角度之間的關(guān)系(見圖3)，即可確定滾筒內(nèi)料位的大小。
權(quán)利要求
1.一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，其特征在于該方法包括以下步驟
A)在球磨機滾筒上安裝一個振動加速度傳感器，
B)確定傳感器數(shù)據(jù)采集的采樣參數(shù)，該參數(shù)包含采樣頻率和采樣點數(shù)，并根據(jù)采樣頻率與采樣點數(shù)計算傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度L，
C)確定傳感器在筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域首先計算球磨機滾筒內(nèi)鋼球的理論最大沖擊點，通過料位標定實驗，并以理論計算的鋼球最大沖擊點作為實驗指導依據(jù)，確定筒體上鋼球?qū)嶋H最大沖擊點的周向區(qū)域，并同時得到筒體上鋼球的最大沖擊點與料位之間的關(guān)系，
D)根據(jù)傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度和數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域確定傳感器數(shù)據(jù)采集時各起始周向位置，在球磨機運行時，通過傳感器在各周向位置拾取滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的沖擊振動信號，并將該沖擊振動信號保存到采集計算機中，
E)分析和比較旋轉(zhuǎn)筒體上采集的沖擊振動數(shù)據(jù)，確定筒體上鋼球的最大沖擊點，
F)根據(jù)最大沖擊點與料位的對應關(guān)系計算出球磨機該狀態(tài)下的料位值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，其特征在于該方法中的步驟B的確定過程如下
B1)采樣頻率.fs的確定取決于滾筒內(nèi)鋼球?qū)γ旱臎_擊頻率，該沖擊頻率集中在高頻2000Hz～15000Hz范圍內(nèi)，為了不丟失有用信息和解決頻率混淆問題，在工程中采樣頻率的計算規(guī)則為
fs＝(2.56～4)fm(1)
公式(1)中fm為鋼球?qū)γ旱淖罡邲_擊頻率成分的頻率，
B2)當采樣頻率一定時，采樣點數(shù)N過小會使頻率分辨率Δf過大，這樣導致丟失或歪曲原來信號的信息；同時采樣點數(shù)N過高會使計算機存儲量和計算量大大增加，根據(jù)采樣頻率與計算的需要確定采樣點數(shù)N，
B3)根據(jù)采樣頻率和采樣點數(shù)計算傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨滾筒轉(zhuǎn)過的周向角度，
傳感器采集一組數(shù)據(jù)的采樣長度T為
T＝N/fs(2)
球磨機滾筒轉(zhuǎn)動一周所用的時間t為
f＝6/n(3)
公式(3)中n為球磨機的轉(zhuǎn)速，單位r/min，
由公式(2)、(3)可得傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨滾筒轉(zhuǎn)過的周向角度L為
把L取整得到l，單位為度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，其特征在于該方法中的步驟C的確定過程如下
C1)計算滾筒內(nèi)鋼球的理論最大沖擊點該點為滾筒內(nèi)最外層鋼球隨筒體做完圓周運動后沿拋物線落下后與筒壁的接觸點，該點稱為鋼球的落回點B，以筒體橫截面的圓心O為原點建立坐標系XOY，此時落回點B位于第三象限，線段OB與X軸負方向的夾角稱為落回角β，
在球磨機運行時，從進煤端看球磨機為逆時針轉(zhuǎn)動，最外層鋼球最初隨筒壁一起做圓周運動，圓周運動的半徑與滾筒半徑相同，均為R，當最外層鋼球隨筒體沿圓周軌跡運行到脫離點A時，作用在鋼球上的離心力和鋼球重力的徑向分力相同，此時最外層鋼球越過A點則鋼球離開筒壁，以初速度v與水平方向成一角度拋出而沿拋物線軌跡運動，最后落到筒壁上的落回點B，最外層某一鋼球到達脫離點A時的受力平衡為
公式(5)中
m-鋼球的質(zhì)量
g-重力加速度，其值為9.8m/s2
α-鋼球的脫離角，在坐標系XOY中為線段OA與Y軸正方向的夾角
公式(5)中v的計算過程如下
公式(6)中
ω-球磨機的角速度
n-球磨機的轉(zhuǎn)速，單位r/min
聯(lián)系公式(5)、(6)可得鋼球的脫離角α為
由脫離角α可以確定脫離點A在坐標系XOY中的位置，A點的坐標為
XA＝Rsina(8)
YA＝Rcosa(9)
取脫離點A為原點，建立坐標系XAY，則鋼球沿圓周運動的軌跡方程為
(x+Rsinα)2+(y+Rcosα)2＝R2(10)
鋼球從脫離點A以線速度v拋出，在坐標系XAY中拋物運動對應的水平距離和垂直距離方程分別為
x＝-(vcosα)t (11)
y＝(vsinα)t-1/2gt2 (12)
由公式(11)、(12)得鋼球沿拋物線軌跡的運動方程為
落回點B的位置就是兩運動軌跡的交點，聯(lián)立公式(10)和(13)可解得坐標系XAY中B點的坐標為
xB＝-4Rsinαcos2α(14)
yB＝-4Rsin2cosα(15)
用以0點為原點的XOY坐標系來表示落點B的坐標，根據(jù)移軸規(guī)則，將公式(14)、(15)改寫為
xB＝-4Rsinαcos2α+Rsinα(16)
yB＝-4Rsin2αcosα+Rcosα(17)
落回角β為
故
由公式(16)、(17)、(19)可得知落回點B、落回角β均可由脫離角α得到，
C2)空罐標定實驗在球磨機處于正常工作狀態(tài)時，停止給煤8～12分鐘，將磨抽空，使得料位為0％，并繼續(xù)停止給煤使球磨機正常運轉(zhuǎn)，此時球磨機一直處于空罐狀態(tài)，在此狀態(tài)下采集沖擊振動信號，
由于無法得知此狀態(tài)下筒體上鋼球的實際最大沖擊點位置，因此以理論計算的鋼球最大沖擊點為指導依據(jù)，在筒體上該位置周向±3l區(qū)域范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)，其中l(wèi)是L取整得到的，且L≥l，該區(qū)域范圍在坐標系XOY中的度數(shù)范圍為180°+β-3l～180°+β+3l，傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過的周向角度為L，因此在該周向區(qū)域內(nèi)傳感器只需在六個周向位置180°+β-3l、180°+β-2l、180°+β-l、180°+β、180°+β+l、180°+β+2l處采集數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)保存到采集計算機中，
根據(jù)在該周向區(qū)域采集到的沖擊振動信號計算在該區(qū)域內(nèi)測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)的有效值，計算過程如下
C21)根據(jù)數(shù)據(jù)采集時采樣點數(shù)N與傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過的周向角度為L，因此測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)個數(shù)n為
C22)現(xiàn)以計算測點在周向位置180°+β-3l轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)有效值為例來介紹在180°+β-3l～180°+β+3l的整個區(qū)域內(nèi)測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)有效值的計算方法；由于采樣點數(shù)為N，因此傳感器在周向起始位置180°+β-3l采集的一組數(shù)據(jù)中包含N個振動加速度數(shù)據(jù)xi，其中i＝1，2，…，N，又由于測點每轉(zhuǎn)過1°采集到的振動數(shù)據(jù)個數(shù)為n，因此測點在周向位置180°+β-3l轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)為xi，其中i＝1，2，…，n，同理測點在筒體周向位置180°+β-3l+1°轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)為xi，其中i＝n+1，n+2，…，2n，測點在周向位置180°+β-3l轉(zhuǎn)過1°采集的振動數(shù)據(jù)有效值的計算公式如下
把該有效值作為周向位置180°+β-3l的振動有效值，同理可求得筒體在180°+β-3l～180°+β+3l的周向區(qū)域內(nèi)其他周向位置上的振動有效值，且相鄰兩個周向位置之間相差1°，
比較筒體在180°+β-3l～180°+β+3l周向區(qū)域內(nèi)各周向位置的振動有效值，最大振動有效值對應的周向位置S0作為空罐狀態(tài)下筒體上鋼球的實際最大沖擊點，
C3)滿罐標定實驗在空罐標定后，啟動給煤機把20％料位對應的煤料輸送到球磨機滾筒中，此時只進煤不出煤，保持球磨機正常運行，直到振動信號穩(wěn)定，在此狀態(tài)下采集沖擊振動信號，
振動加速度在筒體上數(shù)據(jù)采集的方式和空罐狀態(tài)相同，筒體采集的周向區(qū)域為180°+β-3l～180°+β+3l；按照相同的方法計算采集周向區(qū)域內(nèi)每間隔1°的各周向位置的振動有效值，通過比較分析得到滿罐狀態(tài)下筒體上鋼球的實際最大沖擊點S1，
C4)由于空罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置為S0，滿罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置為S1，且S0＞S1，為了保障筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域適用于各種運行狀態(tài)，并盡可能地減少數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域縮短數(shù)據(jù)采集時間、減少計算量，數(shù)據(jù)的周向采集區(qū)域定為S1-l～S0+l，
C5)通過空罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置S0與滿罐狀態(tài)筒體上鋼球的最大沖擊點位置S1，確定筒體上料位與筒體上鋼球最大沖擊點之間的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，其特征在于該方法中的步驟D的確定過程如下
D1)傳感器在筒體上數(shù)據(jù)采集的區(qū)域為S1-l～S0+l，根據(jù)傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點隨筒體轉(zhuǎn)過的周向角度為L，可以得到在該區(qū)域數(shù)據(jù)采集的各周向起始位置，
D2)在球磨機運行時，通過振動加速度傳感器在各周向起始位置拾取滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的沖擊振動信號，并將該沖擊振動信號保存到采集計算機中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法，其特征在于該方法中的步驟E的確定過程如下
E1)按照料位標定實驗中計算采集周向區(qū)域內(nèi)每間隔1°的各周向位置的振動有效值的方法，計算周向區(qū)域S1-l～S0+l內(nèi)每間隔1°的各周向位置的振動有效值，
E2)比較各周向位置的振動有效值，把最大振動有效值對應的周向位置作為該狀態(tài)下筒體上鋼球的最大沖擊點。
6.一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測裝置，包括球磨機筒體，其特征在于在球磨機筒體的外圓周上設有振動加速度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于球磨機旋轉(zhuǎn)筒體振動信號的料位檢測方法及其檢測裝置，該方法包括以下步驟A)在球磨機滾筒上安裝一個振動加速度傳感器，B)設置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，計算傳感器采集一組數(shù)據(jù)測點轉(zhuǎn)過的周向角度L，C)確定傳感器在筒體上數(shù)據(jù)采集的周向區(qū)域，并得到球磨機筒體上鋼球的最大沖擊點與料位之間的關(guān)系，D)通過傳感器在各周向位置拾取滾筒內(nèi)鋼球與煤、鋼球與鋼球及鋼球與筒壁之間的沖擊振動信號，E)確定筒體上鋼球的最大沖擊點，F(xiàn))計算出球磨機該狀態(tài)下的料位值。本發(fā)明所用的檢測裝置，包括球磨機筒體，在球磨機筒體上設有振動加速度傳感器。本發(fā)明采用的方法能夠?qū)崟r、準確地檢測料位，并能克服煤種、煤的含水量、煤的粒度變化等眾多因素對測量結(jié)果帶來的影響。
文檔編號G01F23/22GK101173868SQ20071013141
公開日2008年5月7日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者賈民平, 許飛云, 鵬 黃, 薇 趙, 胡建中, 鐘秉林 申請人:東南大學