CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
bull; vol. 23, No. 4, 2010
DOI: 10.3901Iacute;CJME.2010.04.460, available online at www.cjmenet.com; www.cjmenet.com.cn
New Method to Measure the Fill Level of the Ball Mill 1— Theoretical Analysis and DEM Simulation
HUANG peng*, JIA Minping, and ZHONG Binglin
School ofMechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China
Received October 3, 2009; revised May 24, 2010; accepted June 10, 2010; published electronically June 1 1, 201 0
Abstract: The accurate measurement of the fill level in the ball mill has not been resolved because of the interplay of many variable factors, which led the mill to be operated under the uneconomical condition and lost a lot of energy. At present, some methods, such as vibration method and acoustic method, have been applied for measuring the fill level by the researchers. Aiming at the problem of the traditional methods for measuring the fill level, that is, the feature variables of the fill level suffer the influences of the ball load and the water content of the coal, a novel method to measure the fill level is proposed and a possible relation between the fill level and the angular position of the maximum vibration point on the mill shell is investigated. The angular positions of the maximum vibration point on the mill shell for different fill level cases are calculated theoretically under two assumptions, respectively. Meanwhile the charge motions of the mill for different fill level cases are simulated with the discrete element method (DEM). And the simulation results are verified by comparing the motion trajectories of steel balls and power draft of the mill. The simulated movement trajectories of the outmost layer steel balls in the mill are monitored and analyzed to obtain the angular positions of the maximum vibration point on the mill shell. Both the results of the theoretical calculation and the 3D DEM simulation show that the position of the maximum vibration point on the mill shell moves to a lower angular positions as the fill level decreasing, which provides a new idea for measuring the fill level accurately.
Key words: ball mill, fill level, discrete element method (DEM), simulation
1 Introduction
The ball mill pulverizing system has the advantages of good adaptability for different types of coal and easy maintenance, and has been applied widely for comminuting and drying coal in coal-fired power plant. At the same time this system consumes high energy that makes up about 20 percent of all electricity consumption of power plant. So making the mill operation safely and having high efficiency are important goals for power plant. Because the ball mill pulverizing system is non-linearity, long time delay and time-varying, the fill level of coal powder can not be measured accurately, which leads the mill to be operated usually under the very uneconomical condition to prevent the coal blockage. Furthermore it is difficult for the automatic control system to accomplish the steady operation of the mill. Therefore the exact measurement of the fill level is a key and basic factor for realizing automatic, reliable and efficient operation of the mill system.
Many methods have been applied for measuring the fill level. One of traditional methods was that the fill level
|
* Corresponding author. E-mail: feihonghp@163.com This project is supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50775035), and New Doctor Teacher Foundation of Southeast University of China (Grant No. 9202000024) |
|
bull; |
can be measured as a function of the differential pressure between the inlet and the outlet of the mill. As the fill level increases, more coal powder is exposed to the air flow through the mill, air drag forces are high, and the differential pressure increases. The same relationship concerns the opposite condition, as the fill level decreases. ZHANG studied the fill level by measuring the power consumption of the mill motor m KOLACZ put forward a method to measure the fill level by using a strain transducer[2) The transducer was installed at the middle of the mill shell. When the transducer was in the top position of the mill shell, compression was measured by the transducer. When the transducer reached the bottom of the mill shell along with the rotation of the mill, tension was measured by the transducer. By taking the difference between the readings corresponding to compression and tension, it was possible to calculate the total strain variations that are directly proportional to the fill level. Recently the measurement and control of the fill level in the mill have also been accomplished by analyzing the acoustic signals of the mill [3-5 ] Together with the increment of the fill level, the acoustic signal presents a decreasing trend, and vice versa. Since the vibration strength of the mill shell and the bearing housings can reflect the information of the fill level, vibration methods have recently been carried out to develop techniques for monitoring the fill level. Among these vibration methods, the fill level can be measured through extracting some characteristic values from the vibration signals of the bearing housings, such as amplitude, energy, power and root mean square
To sum up above works, some factors and variables, such as the steel ball load, coal property and the disturbance of other noise near the mill can affect the main variables corrective to the fill level and the measured result. For example, the amplitude of acoustic and vibration signal of the mill has a greater difference under the same fill level condition by the variation of the ball load and the water content of coal, and the power of the mill is also influenced seriously by the change of steel ball load. The main goa
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
武汉理工大学
测量球磨机填充量的新方法
HUANG peng, JIA Minping, and ZHONG Binglin
摘 要：由于许多可变因素的相互作用，球磨机中的填充水平的精确测量尚未解决，这导致磨机在不经济的条件下操作并且损失了大量的能量。目前，研究人员已经采用了一些方法，如振动法和声学方法来测量液位。针对测量料位的传统方法的问题，即料位的特征变量受到球载荷和煤含水量的影响，提出了一种测量料位的新方法，研究了填充水平与轧机壳体上最大振动点的角位置之间的可能关系。在两种假设下，在理论上分别计算用于不同填充水平情况的轧机壳体上的最大振动点的角位置。同时，利用离散元素法（DEM）模拟不同填充水平情况下的磨机的充电运动。并通过比较钢球的运动轨迹和磨机的动力牵引来验证模拟结果。监测和分析研磨机中最外层钢球的模拟运动轨迹，以获得磨机壳体上最大振动点的角位置。理论计算和3D DEM模拟的结果表明，随着填充水平的降低，碾碎壳体上最大振动点的位置移动到较低的角度位置，这提供了用于准确测量填充水平的新思路。
关键词：球磨机，料位，离散元法（DEM），模拟
1 引言
该球磨机粉碎系统具有对不同类型煤具有良好适应性和易于维护的优点，并且已经广泛应用于在燃煤电厂中粉碎和干燥煤。 同时，该系统消耗高能量，占发电厂所有电力消耗的约20％。 因此，使工厂安全运行并具有高效率是发电厂的重要目标。 由于球磨机粉碎系统是非线性的，长时间延迟和随时间变化，不能准确地测量煤粉的填充水平，这导致磨机通常在非常不经济的条件下运行以防止煤堵塞。 此外，自动控制系统难以实现磨机的稳定操作。因此，液位的精确测量是实现轧机系统的自动，可靠和高效操作的关键和基本因素。
许多方法已经应用于测量填充水平。传统方法之一是填充水平可以作为磨机的入口和出口之间的压差的函数来测量。随着填充水平的增加，更多的煤粉暴露于通过研磨机的空气流，空气阻力高，并且压差增大。相同的关系涉及相反的条件，因为填充水平降低。 张通过测量磨机电机的功耗研究了液位[1]。KOLACZ提出了一种使用应变传感器测量液位的方法[2]，传感器安装在磨机壳体中间。当换能器在磨机壳体的顶部位置时，通过换能器测量压缩。当换能器随着磨机的旋转到达磨机壳体的底部时，由换能器测量张力。通过取对应于压缩和张力的读数之间的差，可以计算与填充水平成正比的总应变变化。最近，通过分析磨机的声学信号也实现了磨机中液位的测量和控制[3-5]。随着液位的增加，声学信号呈现下降趋势，反之亦然。由于磨机壳体和轴承壳体的振动强度可以反映填充水平的信息，因此近来已经进行了振动方法以开发用于监测填充水平的技术。在这些振动方法中，可以通过从轴承箱的振动信号中提取一些特征值来测量填充水平，例如振幅，能量，功率和均方根[6-8]。
总结以上工作，一些因素和变量，如钢球负载，煤性质和磨机附近其他噪声的干扰可能影响修正填充水平和测量结果的主要变量。例如，由于球的载荷和煤的含水量的变化，在相同填充水平条件下，轧机的声振信号的振幅具有较大的差异，并且轧机的功率也受到变化的严重影响的钢球负载。本文的主要目标是通过研究填充水平和轧机壳体上最大振动点位置之间的关系，建立一种新的测量填充水平的方法。在本文中，这种关系是通过两种方法研究的。一种是理论分析方法，另一种是DEM模拟方法。同时，比较和讨论理论计算和DEM模拟的结果。最后，在本研究的第二部分（II）中，分析了在各种实验条件下直接从磨机壳体收集的振动信号，以验证本研究的第一部分（I）的结果和结论。
2 理论计算
与其他层钢球相比，最外层钢球在下落过程中具有最大的冲击和动能，通过钢球在该层中的下落冲击产生了轧机外壳上的最大振动点。 最外层钢球的位置可以在图1中看到。
图 1. 钢球运动的示意图在磨房的许多层数
当最外层钢球直接冲击在磨机壁上时，碰撞点是磨机壳体的最大振动点。 当最外层钢球撞击煤颗粒时，冲击能量传递到磨机壳体，这也导致磨机壳体上的最大振动点。 在本研究中，首次尝试研究填料水平与轧机最大振动点位置之间的关系。如果这种关系可以显示一定的规律性，那么可以通过这一点来研究填充水平。
在本研究中，填充水平定义如下：
（1）
其中Vmill是轧机的有效体积，m3; Vball是轧机内钢球的累积体积，m; Vcoal是轧机内煤颗粒和粉末的累积体积，m 3
在如下所述的两个假设下理论上计算磨矿壳的最大振动点的位置。
（1）在轧机的加工过程中，除了最外层的钢球外，如图1所示。 如图2所示，煤颗粒和其他钢球在静止状态下积聚在辊的底部。 在图2中，线Cll的长度表示轧机中煤颗粒和钢球的累积高度，线AE表示堆积表面。
（2） 如图2所示，在最外层中的球的移动轨迹在x方向上没有位移，并且该球的x坐标总是等于零。
图2.轧机中最外钢球的运动轨迹示意图
当球到达分离点G时， 如图2所示，该球开始抛物线运动。 该抛物线轨迹与累积表面之间的交点（碰撞点）为点D（0，a，b）。 在下降过程中，当钢球撞击煤颗粒时，钢球的冲击能量的一部分被煤颗粒吸收，实现煤的粉碎和粉碎，另一部分冲击能量从碰撞点传递到 磨机壳体并引起壳体的振动。 因此，轧机外壳上最大振动点的位置离碰撞点最小距离，点B（0，y，z）（见图2）表示最大振动点。 这里，最小距离是用限制条件获得的，表示为
（2）
其中m是点B和点D之间的距离。在（2）中，需要u的最小值，并且可以通过限制条件获得以下公式：
（3）
然后参数u可以计算如下：
（4）
等式（4）在其两端得到y的导数可以得到
（5）
零值给出方程的（5）左端，可以得到B点的y坐标
（6）
然后点B的z坐标也可以得到
（7）
在图2中，点D是抛物线轨迹GF和累积表面AE的交点，并且该抛物线轨迹和累积表面可以由以下等式描述
（8）
z=CH-R （9）
点D的坐标可以通过等式 （8）和（9）。 在现场试验中，3.5m直径times;6.0m长的工业管式球磨机以17.57r / min（77％的临界速度）操作，并且该研磨机填充有直径为0.04mu;m至0.06mu;m的38t钢球 m。 当磨机以15％的填充水平运行时，可以计算点D（0,0.35m，-0.65m）的坐标，然后可以获得点B（0,0.83m，-1.54m）的坐标 容易通过等式 （6）和（7）。 同时，可以通过点B的坐标计算ZBOC的值（参见图2），并且等于28.3°，磨机壳体最大振动点。 这个角位置由本文中的参数9表示。 通过类似的原理，可以计算点D和点B的坐标，以及点B对于0％，5％和10％填充水平情况的角位置，并且计算结果示于表1中。
表1.点D和B的坐标，点B的四个水平的填充水平的角位置
|
填充量 L/% |
坐标 |
B点的角位置 theta;/（°） |
|||
|
D点 |
B点 |
||||
|
a/m |
b/m |
y/m |
z/m |
||
|
0 |
0.47 |
-1.05 |
0.71 |
-1.60 |
336.1 |
|
5 |
0.43 |
-0.91 |
0.75 |
-1.58 |
334.6 |
|
10 |
0.39 |
-0.78 |
0.78 |
-1.57 |
333.6 |
|
15 |
0.35 |
-0.65 |
0.83 |
-1.54 |
331.7 |
图3.在具有填充水平仪的轧机壳体上的点B（最大振动点）的角位置中的振动
如图3所示，轧机壳体上最大振动点的角位置随着填充水平的增加而减小。 然而，该结果在理想条件下获得。 许多因素，例如球和球或轧机壁之间的碰撞，煤和钢球的运动，没有被考虑，因此该结论需要通过其他方法进一步验证。 一旦这个结论可以被验证，这可以提供用于测量填充水平的新的理论和方法。 在接下来的内容中，执行3维DEM模拟以预测负载行为，最外层钢球的运动轨迹和轧机功率牵引。 并将DEM模拟结果与理论计算结果进行比较和讨论。
3. 3D DEM模拟磨机的电荷运动
3.1离散元法
DEM始于1971年由CUNDALL分析岩石力学问题，然后应用于模型土壤颗粒在动态载荷条件下的行为由CUDALL和STRACK [9] DEM是一种数值方案，允许有限的旋转和刚性体的位移，其中随着计算周期的进行完全失去触点和在体之间形成新的接触。并且DEM基本上是一种数值方法，通过该方法模拟物理系统中的颗粒或物体的动态行为，其中颗粒被处理为不同但相互作用的元素。根据DEM的优点和磨机的工作机制，DEM适合解决轧机的问题。由于DEM首先被用于MISHRA和RAJAMANI的研磨[10]，DEM在解决各种翻滚磨问题中有一些成功的应用[11-14]。DEM的理论和原理可以从参考文献中获得 [15-17]，本文仅作简要介绍。在DEM模型中，钢球和煤颗粒被制成平滑的圆球形，并且它们与其它球和接触被认为是不同的单点接触。球到球和球到壁的碰撞由具有线性弹簧和缓冲器的DEM建模。弹簧提供排斥力，缓冲器消耗一部分相对动能。在下文中，示出了球 - 球碰撞模型来引入球的运动和力。以类似的方式模拟弹道壁碰撞。图4是碰撞时的球A和球B的示意图。
图4.球A到球B碰撞的示意图
对于球-球接触，从球A的中心到定义接触平面的球B的单位法向量n由下式给出：
，i=1,2,3 (10)
其中和是球A和B的中心的位置矢量，并且d是球中心之间的距离：
, i=1,2,3 (11)
接触速度被定义为球B相对于接触点处的球A的速度，由下式给出
，i=1,2,3 (12)
Vi的正切和剪切分量
， i=j=1,2,3, (13)
i=1,2,3, (14)
表示球A在球B上的作用的接触力矢量F可以分解为相对于接触平面的法向分量和剪切分量
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[137331]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
