CN110694748A - 一种高能效球磨机及其转速控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高能效球磨机，包括球磨机筒体和驱动机构，球磨机筒体的筒体壁内设置有压力传感器，压力传感器朝向筒体内的一端连接有衬板，其伸出筒体外的另一端设置有感应触头。驱动机构包括驱动电机，驱动电机与变频器连接，变频器、压力传感器、以及位置传感器与控制装置连接，控制装置包括抛落点判别电路和PLC控制电路。一种转速控制方法，通过闭环检测不断地修整驱动电机的转速，可以实现球磨机转速的自动调节。本发明通过压力传感器、位置传感器得出研磨钢球的抛落角度，并通过变频器对球磨机的转速进行自动调节，使研磨钢球的抛落角度恒定。抛落角度的恒定提高了球磨机的能效比，节省了电能的消耗，同时也提高了球磨机的生产效率。

Description

一种高能效球磨机及其转速控制方法

技术领域

本发明涉及球磨机技术领域，尤其是涉及一种高能效球磨机及其转速控制方法。

背景技术

球磨机是选矿作业中的重要设备，其工作原理是，当球磨机旋转时，装在筒体内的研磨体，研磨体通常是研磨钢球（下文中研磨体称为研磨钢球），研磨钢球和矿料在离心力和摩擦力的作用下，随着筒体到达一定的高度后，研磨钢球便脱离筒体内壁向内抛落或者泻落。抛落的研磨钢球对颗粒较大的矿料进行，泻落的研磨钢球对矿料进行研磨。

球磨机的转速对研磨效果有决定性的影响。如图1所示，球磨机转速高时，研磨钢球在离心力的作用下抛落在对面筒壁上，不能对筒底部的矿料起到冲击粉碎和研磨作用；转速过高时，研磨钢球甚至贴附在筒壁上，不再对矿料起到任何冲击粉碎和研磨作用。转速低时，离心力对研磨钢球的抛落角度过低，研磨钢球获得不到足够的动能，研磨钢球沿筒壁滑落，对矿料的冲击粉碎和研磨效果很差。只有合适的转速，才能使研磨钢球在离心力的作用下得到适合的抛落角度，并获得适合的抛落离去速度，对矿料起到有效的冲击粉碎和研磨作用。选矿用的球磨机通常是中大型球磨机，电机功率都在500KW以上，是高耗电设备，而选矿作业是连续作业，因此选球磨机在选矿作业中的耗能占比很高，约占35-40%的比例。不合理的转速会降低球磨机的耗能产出比，使球磨机的耗能继续增高。

矿料与研磨钢球的占比、矿料粒度、以及给水量对研磨钢球的抛落角度都有影响。研磨钢球在筒体内的离心抛落并非理想状态的，研磨钢球与矿料一起旋转，相互碰撞，研磨钢球与筒壁防磨板的摩擦力也是随机变化的，因此造成研磨钢球的抛落角度都是变化的，很难达到理想的能效比。

球磨机的用途很广，水泥行业、耐火材料行业、化工行业、以及玻璃陶瓷等行业都有应用，球磨机根据用途还分为干式和湿式两种方式，而通常球磨机的转速是恒定的，而且在球磨机制造时就确定了。在球磨机的实际应用中，研磨钢球的抛落角度不能恒定，转速恒定的球磨机能效比较低，产出同样重量的矿料所耗的电能巨大。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种高能效球磨机，还公开了一种应用于该球磨机的转速控制方法，其目的在于：通过对球磨机转速的自动调节，使研磨钢球的抛落角度恒定，提高球磨机的能效比。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高能效球磨机及其转速控制方法，包括球磨机筒体和驱动机构，所述球磨机筒体的筒体壁内设置有用于感知筒内研磨钢球压力的压力传感器，所述压力传感器朝向筒体内的一端连接有用于承受研磨钢球抛落冲击的衬板，其伸出筒体外的另一端设置有感应触头，在球磨机筒体外固定安装有与感应触头相对应的位置传感器；所述驱动机构包括驱动电机，驱动电机与变频器连接，所述变频器、压力传感器、以及位置传感器与控制装置连接；所述控制装置包括用于判断压力传感器输出信号相位转变的抛落点判别电路和PLC控制电路。

为了进一步地改进技术方案，所述压力传感器为压电压力传感器，压力传感器通过设置在球磨机筒体轴颈的导电滑环与控制装置连接。

为了进一步地改进技术方案，所述位置传感器为非接触的电感应位移传感器，位置传感器固定安装在球磨机筒体的正下方，对应感应触头设置。

一种转速控制方法，包括以下步骤：

S1：当感应触头旋转到位置传感器、并得到接近信号时，PLC控制电路设定位置传感器的固定安装位为转角零位，以得到接近信号的时间为时间零位；

S2：当压力传感器输出信号值由正值向负值转变时，抛落点判别电路向PLC控制电路发送判别信号，PLC控制电路记录该判别信号发生的时间T1；

S3：当感应触头再次旋转到位置传感器附近、并得到接近信号时，PLC控制电路记录该接近信号发生的时间T2；

S4：PLC控制电路通过公式A=360°*T1/T2，计算抛落角度A；

S5：当抛落角度A小于或大于预设的抛落角度范围时，PLC控制电路控制变频器增加或减小驱动电机的输出转速；

S6：重复S1-S5的步骤，直至抛落角度A位于预设的抛落角度范围内。

为了进一步地改进技术方案，所述预设抛落角度范围在115°-125°之间。

由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：

本发明的驱动电机与变频器连接，变频器本身具有节能功效，变频器通过交-交变频可以降低驱动电机的电能消耗。球磨机耗电巨大，使用变频器可以节省相当可观的电能，从而降低生产成本。

本发明的转速控制方法，通过闭环检测不断地修整驱动电机的转速，可以实现球磨机转速的自动调节，使研磨钢球的抛落角度恒定。

本发明通过压力传感器判断压力传感器与研磨钢球的接触状态，通过位置传感器得知压力传感器的旋转位置，从而计算出研磨钢球的抛落角度，并通过变频器对球磨机的转速进行实时调节，使研磨钢球的抛落角度恒定。抛落角度的恒定提高了球磨机的能效比，从而可以节省大量的电能消耗，同时提高了球磨机的生产效率。

某800KW选矿用球磨机采用本发明技术方案后，电能消耗下降6度/吨，年节电750万度，年节约成本516多万元，取得了巨大的经济效益。

附图说明

图1为研磨钢球在球磨机筒体内抛落的示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为压力传感器与位置传感器的结构示意图。

图4为压力传感器电压输出值与转角的关系示意图。

图中：1、球磨机筒体；2、压力传感器；3、衬板；4、感应触头；5、位置传感器；6、驱动电机。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

一种高能效球磨机及其转速控制方法，如图2所示，包括球磨机筒体1和驱动机构，球磨机筒体1为圆筒体，一端是进料口，另一端是出料口，在轴颈处设置有轴承座，在圆筒体上设置有大齿圈。驱动机构包括驱动电机6和减速机，减速机通过小齿轮与大齿圈啮合传动。

如图3所示，球磨机筒体1的筒体壁内设置有用于感知筒内研磨钢球压力的压力传感器2。为了保证压力传感器2内的压电晶体不被研磨钢球冲击所损坏，压力传感器2朝向筒体内的一端连接有用于承受研磨钢球抛落冲击的衬板3，其伸出筒体外的另一端设置有感应触头4，在球磨机筒体1外固定安装有与感应触头4相对应的位置传感器5。

本实施例中，压力传感器2为压电压力传感器，压力传感器2是利用石英等压电材料的压电效应将机械能转化为电信号，具有工作可靠，灵敏度高的特点。当作用力方向发生改变时，压电压力传感器上的电荷的极性也随之改变，因此压电压力传感器既可以检测压力还可以检测拉力。压电压力传感器采集的电信号经放大后以电压的形式输出，输出信号通过设置在球磨机筒体1轴颈的导电滑环与控制装置连接。

本实施例中，位置传感器5为非接触的电感应位移传感器，位置传感器5固定安装在球磨机筒体1的正下方，对应感应触头4设置。感应触头4为衔铁，电感应位移传感器包括线圈和铁芯，压力传感器2跟随球磨机筒体1旋转，当压力传感器2旋转到电感应位移传感器附近时，感应触头4对线圈的电感量产生影响，从而得知压力传感器2的旋转位置。

所述驱动机构包括驱动电机6，驱动电机6与变频器连接。变频器本身就可以通过交-交变频可以降低驱动电机6的电能消耗，并在恒转矩的条件下降低输出功率。变频器、压力传感器2、以及位置传感器5与控制装置连接。所述控制装置包括用于判断压力传感器2输出信号相位转变的抛落点判别电路和PLC控制电路。

工作原理：

当球磨机工作时，设置在筒壁上的压力传感器2感受到筒内研磨钢球、矿料重量对其施加的正向压力，输出正值电压信号。

如图4所示，当筒内的研磨钢球发生抛落时，研磨钢球脱离与压力传感器2的接触，但是压力传感器2连接有衬板3，由于此时衬板3的重量大于自身的离心力，衬板3向压力传感器2施加反向的拉力，压力传感器2输出负压电压信号。抛落点判别电路根据输出电压极性的转变，判别此时压力传感器2处于研磨钢球的离心抛落点。

通常球磨机筒体1以每分钟大约18转的转速转动，球磨机筒体1每转一圈，感应触头4就接近位置传感器5一次，位置传感器5就可以得到一个接近信号。控制装置通过测量、计算相邻两个接近信号之间的时长，就可以得到球磨机筒体1的转速。当研磨钢球的抛落角度过高或过低时，控制装置通过变频器控制驱动电机6的转速发生实时改变，从而使研磨钢球的抛落角度恒定，提高球磨机的能效比。

为了实现球磨机转速的自动调节，本发明还公开了一种应用于上述球磨机的转速控制方法，包括以下步骤：

S1：位置传感器5固定安装在球磨机筒体1的正下方，对应感应触头4设置。当感应触头4旋转到位置传感器5、并得到接近信号时，研磨钢球以及离心力对压力传感器2共同施加正向压力，此时压力传感器2输出的正值电压信号达到峰值。为了便于PLC控制电路的后期计算，PLC控制电路设定位置传感器5的固定安装位为转角零位，以得到接近信号的时间为时间零位。

S2：球磨机筒体1继续旋转，此时研磨钢球仍然对压力传感器2施加正向压力，但压力传感器2输出的正值电压信号逐渐减小。当压力传感器2输出信号值由正值向负值转变时，研磨钢球发生抛落，此时抛落点判别电路向PLC控制电路发送判别信号，PLC控制电路记录该判别信号发生的时间T1。

S3：球磨机筒体1继续旋转，当感应触头4再次旋转到位置传感器5附近、并得到接近信号时，球磨机筒体1刚好旋转一周，PLC控制电路记录该接近信号发生的时间T2。

S4：PLC控制电路通过公式A=360°*T1/T2，计算抛落角度A；T2为球磨机筒体1旋转一周所用时间，T1为研磨钢球发生抛落的时间，抛落角度A即为离心抛落点相对于转角零位的转角。

S5：当计算出的抛落角度A小于或大于预设的抛落角度范围时，PLC控制电路控制变频器增加或减小驱动电机6的输出转速；实践证明，预设抛落角度范围在115°-125°之间时，研磨钢球对矿料研磨的效率最佳。

S6：重复S1-S5的步骤，直至抛落角度A位于预设的抛落角度范围内。此时研磨钢球的抛落角度恒定，球磨机的能效比最高。

某800KW选矿用球磨机采用本发明技术方案后，电能消耗下降6度/吨，年节电750万度，年节约成本516多万元，节约了大量的电能消耗，同时提高了球磨机的生产效率。

本发明未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高能效球磨机，包括球磨机筒体（1）和驱动机构，其特征是：所述球磨机筒体（1）的筒体壁内设置有用于感知筒内研磨钢球压力的压力传感器（2），所述压力传感器（2）朝向筒体内的一端连接有用于承受研磨钢球抛落冲击的衬板（3），其伸出筒体外的另一端设置有感应触头（4），在球磨机筒体（1）外固定安装有与感应触头（4）相对应的位置传感器（5）；所述驱动机构包括驱动电机（6），驱动电机（6）与变频器连接，所述变频器、压力传感器（2）、以及位置传感器（5）与控制装置连接；所述控制装置包括用于判断压力传感器（2）输出信号相位转变的抛落点判别电路和PLC控制电路。

2.如权利要求1所述的一种高能效球磨机，其特征是：所述压力传感器（2）为压电压力传感器，压力传感器（2）通过设置在球磨机筒体（1）轴颈的导电滑环与控制装置连接。

3.如权利要求2所述的一种高能效球磨机，其特征是：所述位置传感器（5）为非接触的电感应位移传感器，位置传感器（5）固定安装在球磨机筒体（1）的正下方，对应感应触头（4）设置。

4.应用于如权利要求3所述球磨机的一种转速控制方法，其特征是：包括以下步骤：

S1：当感应触头（4）旋转到位置传感器（5）附近、并得到接近信号时，PLC控制电路设定位置传感器（5）的固定安装位为转角零位，以得到接近信号的时间为时间零位；

S2：当压力传感器（2）输出信号值由正值向负值转变时，抛落点判别电路向PLC控制电路发送判别信号，PLC控制电路记录该判别信号发生的时间T1；

S3：当感应触头（4）再次旋转到位置传感器（5）附近、并得到接近信号时，PLC控制电路记录该接近信号发生的时间T2；

S4：PLC控制电路通过公式A=360°*T1/T2，计算抛落角度A；

S5：当抛落角度A小于或大于预设抛落角度范围时，PLC控制电路控制变频器增加或减小驱动电机（6）的输出转速；

S6：重复S1-S5的步骤，直至抛落角度A位于预设抛落角度范围内。

5.如权利要求4所述的一种转速控制方法，其特征是：所述预设抛落角度范围在115°-125°之间。

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