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测量球磨机我的填充水平的理论分析和仿真模拟的新方法
摘要：球磨机的填充水平的准确测量由于许多可变因素的相互作用而一直没有被解决，使轧机在不经济的环境下运行，浪费了大量的能量。目前，研究者们已经将振动法和声学法等方法用于测量填土的填充程度。针对传统的填充水平测量方法存在的问题，本文提出了一种新的方法来测量填充量和含水量的影响，提出了一种新的方法来测量填充水平，并研究了其最大振动点的角度位置之间的关系。从理论上计算了不同填土水平下的最大振动点的角度位置。同时，运用了不同填充水平情况下磨机的电荷运动的离散元法模拟（DEM）。通过比较钢球与轧机的运动轨迹，验证了仿真结果。通过模拟运动轨迹的最外层钢磨球进行监测和分析来获得对磨机筒体的最大振动点的角位置。结果理论计算和三维DEM仿真表明立场的最大振动点磨壳移动到一个较低的角位置的填充水平，为准确测量填充水平提供了新的思路。
关键词：球磨机，填充水平，离散单元法（DEM），仿真
球磨机制粉系统具有不同的煤种和易于维护的适应性好等优点，已经广泛应用于粉碎和干燥燃煤电厂。同时，该系统消耗的能量，弥补发电厂的电力消耗约百分之20。因此，使磨煤机安全高效运行，是电厂的重要目标。由于球磨机制粉系统是非线性，长时间，延迟和随时间变化的，粉煤灰填充水平无法准确测量，轧机操作通常是非常不经济的条件下才是用的，以便防止堵煤。此外，自动控制系统难以完成轧机的稳定运行。因此，精确测量填充量是实现轧机系统自动、可靠、高效运行的关键因素之一。
许多方法已被用于测量填充水平。传统的方法之一是，填充水平，此法可以测量作为一个函数的入口和出口之间的差分压。随着填充水平的增加，，空气阻力很高并且压差增大，更多的煤粉暴露在气流中通过磨擦。同样的关系也关系相反的情况，因为填充水平下降。通过测量轧机电机功率消耗的功率损耗，研究其填充量的KOLACZ提出采用应变传感器测量液位的方法。该传感器被安装在轧机壳中间。当换能器处于磨壳的顶部位置时，传感器测量了压缩。当换能器的底部的轧机壳随着轧机的旋转，由换能器测定张力。通过采取相应的压缩和拉伸的读数之间的差异，它是可以计算的总应变变化，直接成正比的填充水平。最近的测量和控制的轧机的填充水平以及已完成通过分析轧机的声信号。随着填充水平的增加，声信号呈现递减趋势，反之亦然。由于轧机壳体和轴承座的振动强度可以反映的填充水平的信息，最近已进行了振动的方法，以发展监测的填充水平的技术。在这些振动方法中，通过从轴承座的振动信号中提取一些特征值，如振幅、能量、功率和根均方根（均方根），可以测量其填充程度。
对上述工作进行总结，分析了钢球的载荷、煤的性质和磨煤机附近其他噪声干扰等因素，对影响填充程度和测量结果的主要因素有一定的影响。振动信号的振幅和振动信号在同一填充水平条件下，钢球载荷和煤的含水量变化较大，受钢球载荷的变化影响也受力的影响。本文的主要目标是通过研究磨壳的最大振动点的位置和填充水平之间的关系，提出了一种新的方法来测量填充量。在本文中，这种关系研究的方法。一是理论分析的方法，另一种是DEM仿真方法。同时理论计算的结果与DEM模拟进行了比较和讨论。最后，在本研究的第二部分，分析了在各种试验条件下直接收集轧机壳体的振动信号，验证了本研究第一部分的结果。圆盘式研磨机分单盘和双盘两种，以双盘研磨机应用最为普通。在双盘研磨机上，多个工件同时放入位于上、下研磨盘之间的保持架内，保持架和工件由偏心或行星机构带动作平面平行运动。下研磨盘旋转，与之平行的上研磨盘可以不转，或与下研磨盘反向旋转，并可上下移动以压紧工件（压力可调）。此外，上研磨盘还可随摇臂绕立柱转动一角度，以便装卸工件。双盘研磨机主要用于加工两平行面、一个平面(需增加压紧工件的附件)、外圆柱面和球面（采用带V形槽的研磨盘）等。加工外圆柱面时,因工件既要滑动又要滚动，须合理选择保持架孔槽型式和排列角度。单盘研磨机只有一个下研磨盘，用于研磨工件的下平面，可使形状和尺寸各异的工件同盘加工，研磨精度较高。有些研磨机还带有能在研磨过程中自动校正研磨盘的机构。
在其他层的钢球相比，在最外层的钢球的过程中，最大的冲击动能下降，对磨机筒体的最大振动点在这层产生并且影响钢球。最外层钢球位置在图1中可以看到。
图1。球磨机中钢球的运动示意图
当外层钢丝球直接影响磨墙，碰撞点是磨壳的最大振动点。钢球在外层影响煤炭颗粒，冲击能量传递到磨机外壳，这也导致在磨机筒体产生最大振动点。在这项研究的第一次试验研究的过程中，试着研究在最大振动点的位置和填充量之间的关系。如果这种关系能呈现一定的规律性，可以用这一点来研究填充水平。在这项研究中，填充级别被定义为如下：
Vmill是磨机的有效容积，m3；vball是磨内钢球的累积体积，m3；vcoal是煤炭颗粒和粉磨机内堆积体积，m3。从理论上计算了该轧机壳体的最大振动点的位置，在以下假设条件下。
- 本机在工作过程中，除了最外层钢丝球，如图2所示，煤颗粒和其他钢球积累在滚筒底部呈静态。在图2中，线的长度表示磨粒和钢球在磨煤机上的累积高度，而线下的声发射是累积的表面。
- 在图2中，在最外层球的运动轨迹没有在x方向上的位移，而这个球X坐标总是等于零。
图2.轧机的最外层钢球运动轨迹示意图
当球到达脱离点时，如图2所示，这个球开始做抛物线运动。该抛物运动轨迹与堆积面之间的交点（碰撞点）为点（0，a，b）。在下降的过程，钢球对煤颗粒，钢球的冲击能量的一部分是由煤颗粒吸收实现研磨和粉碎的煤，冲击能量的另一部分是从碰撞点送到磨壳壳体的振动而形成。因此，在磨壳的最大振动点的位置处于一个最小距离，从碰撞点，和点（0，y，z）（见图2）表示的最大振动点。在这里的最小距离得到的限制条件，表示为
其中M是B点与点之间的距离D.在式（2）中，u取最小值是必要的，下面的公式可以由限制性条件：
然后参数可以计算如下：
方程（4）的两端可以确定以Y的导数：
零价值给出了方程的左端（5），和Y点的坐标可以通过：
然后，还可以得到点的坐标
在图2中，点D是抛物线轨迹的交点和累积的表面声发射点，而这个抛物线轨迹和堆积面可以用以下公式来描述：
D点的坐标可由方程得到。在现场测试，一个宽3.5米长6米的工业球磨机直径，以17.57 r/min的速度运行（77%的临界速度），当本厂38吨钢球装满了从直径0.04米到0.06米的时候，工厂15%的填充水平操作，坐标点（0、0.35米、-0.65米）可以计算，然后B点的坐标（0，0.83米，-1.54米）可以通过方程式很容易获得。（6）及（7）。同时，BOC ang;值（见图2）可通过B点的坐标计算，等于28.3ordm;。在图2，
B点的位置位于331.7ordm;轧机上的壳，而这个角度（331.7ordm;）表示的最大振动点对磨机筒体的角位置。这个角的位置由本文的参数theta;表示。用相似原理，对点和点坐标进行坐标，计算出0%、5%、10%的填充水平情况下的角位置，计算结果见表1
如图3所示，磨壳上的最大振动点的角位置随填充量的增加而减小。然而，这一结果是在理想条件下得到的。许多因素，如球和球或磨壁之间的碰撞，煤和钢球的运动，还没有被考虑，因此这一结论需要用其他方法进一步验证。一旦这一结论可以被验证，它可以提供一个新的理论和方法测量的填充水平。接下来的内容将会提到，三维DEM进行模拟预测负荷的行为，最外层钢球运动轨迹和工厂电力消耗。DEM模拟结果进行比较，与理论计算结果的讨论。
图3。振动角位置的点位（最大振动点）上轧机壳的填充水平
DEM是起源于1971年 Cundall对岩石力学问题的分析，然后应用到cudall和Strack动态加载条件下土壤颗粒的行为模型。DEM是指数值的方案，允许有限转动和刚体位移，完全没有联系的物体之间发生周期的进展形成新的联系人。DEM基本上是一种数值方法，在物理系统中的粒子或物体的动态行为与粒子被视为不同的但相互作用的单元模拟。根据DEM的优势与球磨机的工作机理，DEM适合解决工厂的问题。由于DEM首先被用于由MISHRA 和 RAJAMANI这里有DEM解决各种磨机的问题的一些成功应用。DEM的理论和原理可以获得详细的文献。在DEM模型、钢球和煤颗粒模拟与其他球和墙壁的光滑圆球接触被认为是不同的单点接触。球球和球壁碰撞模型的DEM由线性弹簧和阻尼器模拟。弹簧提供的排斥力和阻尼器消耗动能的一部分。在下面，介绍了球的运动和力的球的球碰撞模型。以类似的方式模拟球壁碰撞。图4是一个球和球在碰撞中的示意图。
图4。图1在碰撞过程中球的示意图
对于球的中心，确定的接触平面的球，是由
对于A，B两球，Ma和Mb是中心的位置向量，d是球中心的距离：
所定义的接触速度，被定义为在接触点上相对于球的球的速度，由：
速度，磨机的大小，通过DEM模拟钢球载荷和钢球的半径与实验厂是一样的。煤颗粒被建模为球体，煤球的半径为0.01米。如图5所示，对填充水平（5%，15%，0%和四）的研磨机的电荷运动分别模拟。
图5。模拟电荷运动的球磨机由DEM
在这个实验中，使用2种方法来验证模拟结果。一个是比较的模拟和理论轨迹的钢球，而另一个是比较模拟和实验功率值的轧机。由于实验工业厂的电荷运动不能被相机拍摄的，模拟电荷运动的测试在这项研究中，只有理论的电荷运动。而轨迹的外球和级联的内球的运动轨迹，与理论轨迹密切相关。在DEM模拟，对最外层的位置和钢球C速度进行监测。图6所示的球的位置（x，y，z）的位置变化，相对于15%级的填充水平（0%、5%、10%和15%）。图7显示的是球的速度（和方向）的变化，相对于时间为四个层次的填充水平分别为（0%，5%，10%和15%）。
在图6中，当时间等于零，球C（0, 0.36m, minus;1.71m）位于钢球的最外层磨坊和紧贴锅壁。当磨开始旋转时，球先循环运动，这可以反映在图6中的球坐标的变化。当球穿过了脱离点时，球开始做抛物线运动，这可以在图7中的恒定速度过程中显示出来。抛物运动的过程是由图7中的四个椭圆标记（A）、7（b），7（c）和（d），分别为 7(a), 7(b), 7(c) and 7(d)。当球在方向上开始运动时，这个球位于脱离点，而这个点的坐标可以从图6中得到。表2显示了一个比较的理论和模拟值的位置速度的分离点，球角的模拟和理论值之间的精确匹配，可以得到从表2得到。
由于运动定律意味着速度、加速度、力、功率和能量都是相关的，预测能力成功等于预测其它量的正确性。同时在实验中很容易的得到了功率。所以模拟和磨实验电源草案相比验证DEM仿真是一个好方法。模拟和实验的功率值的轧机的比较，如表3所示。相比之下，可以清楚地看到，模拟和实验的功率值相匹配非常密切。所以磨DEM模拟是可靠的。
在抛物运动的过程中，球的运动在方向上是一致的，并且在方向上自由下落运动，这可以通过改变图7中的和方向的速度来实现。当球碳方向达到最大值时，就结束了抛物线运动，并在球和其它钢球或煤之间发生碰撞。图7（1）、7（2）、7（3）和7（4），四个最大速度分别表示为四个圆。在图7中，所表示的碰撞点是由点D表示的，通过方向的速度和坐标的变化可以得到点三维坐标。坐标（Y和Z坐标）的最大振动点（B点）可通过公式计算。表4显示了碰撞点的位置（D点）和最大振动点（B点）条件下在DEM模拟。
图8显示了一个规律，最大振动点的填充水平对磨机筒体的位置比在DEM模拟填充水平低的角度，与理论计算结果的一致性。
图8。用填充级最大的最大振动点角位置振动
图9–11显示了理论计算和数字高程模型的比较结果。由于DEM仿真钢球和煤的运动，这个的高度的钢球和煤在辊小于理论计算的情况下。这样的碰撞点的Z坐标的绝对值（D点）在DEM模拟比在相同水平的理论成果相同，这一结论，从图9中可以观察到。虽然在相同的水平下，在DEM模拟球C抛物运动的运动时间较短，理论计算，在Y方向脱离点的模拟速度比理论值小（见表2），且绝对值的模拟分离点Y坐标与理论值相比相对较小，导致碰撞点的Y坐标值不小于理论值，如图9所示。
从图9中所示的结果，可以清楚地看到，模拟的绝对值和坐标的碰撞点都大于相同的填充水平的理论值。然而，模拟坐标系的绝对值在理论坐标上的比例增大，大于碰撞点坐标的绝对值。因此，最大振动点的模拟Y
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