智能螺栓在衬板磨损在线检测中的应用研究

袁 龙，师华东，王 硕，张 旺，田振华

中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

在建材和选矿行业凡是存在破碎、粉磨工艺的地方都会遇到衬板磨损和更换的问题，衬板是否需要更换取决于衬板的磨损情况。目前衬板的磨损检测采用非在线检测，需要停机，非在线检测耗时耗力且影响生产，因此在线检测是未来衬板磨损检测的发展趋势。

较成熟的衬板磨损检测方法有人工测量法、超声波检测法、三维激光扫描测量法 3 种，都属于非在线检测，需要停机[1]。目前在建材和选矿行业没有好的衬板磨损在线检测方法，随着生产企业对减人增效的要求，衬板磨损在线检测成为提高磨机智能化水平的一个难点。中信重工开发了基于智能螺栓的衬板磨损在线检测技术，自 2017 年首次投运成功后，已有 30余套应用于国内外大型矿山项目，成为中信重工出口大型矿磨设备的标配。

智能螺栓实现衬板磨损在线检测，无需停机，全程自动控制，减少了停机检修时间，降低了劳动强度，最终达到了降低经营成本，提高生产效率的目的。

1 智能螺栓在线检测技术介绍

1.1 在线检测原理

衬板磨损在线检测系统由智能螺栓、无线信号发射器、信号接收器及控制柜组成，通过交换机进入DCS 系统与破磨设备 DCS 界面进行融合。衬板磨损在线检测，将部分普通衬板螺栓替换为智能螺栓，智能螺栓安装完成后检测头与破磨设备衬板平齐，使用过程中检测头会与衬板同步磨损，智能螺栓系统可以实时检测检测头的磨损量，检测头磨损量与磨机衬板的磨损量相同，因此可以计算出衬板的磨损量。在线检测原理如图1 所示。

图1 在线检测原理

1.2 在线检测部件组成

1.2.1 智能螺栓

在螺栓内部开孔，将测距传感器放入螺栓内部并固定好，然后密封。工作时用智能螺栓替换普通螺栓，智能螺栓在承担衬板固定功能的同时实时测量衬板磨损量。智能螺栓的使用条件与普通螺栓相同，无需单独维护或改造，与普通螺栓相比，智能螺栓的长度更长。智能螺栓为一次性消耗品，衬板更换时智能螺栓也配套更换。普通螺栓与智能螺栓对比如图2 所示。

图2 普通螺栓与智能螺栓对比

1.2.2 无线信号发射器

无线信号发射器由安装板固定在智能螺栓尾部，通过专用接头和信号线将智能螺栓内部连接，建立与信号接收器的无线通信连接。无线信号发射器如图3所示。

图3 无线信号发射器现场实物

1.2.3 信号接收器

信号接收器用于数据接收和显示，通过无线方式保持与无线信号发射器通信连接。一个信号接收器可同时与多个无线信号发射器建立通信连接。信号接收器和控制柜采用 Modbus 通信协议。信号接收器如图4 所示。

图4 信号接收器

1.2.4 控制柜

控制柜是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中或屏幅上的设备。控制柜主要为信号接收器提供电源并可与 DCS 通信。控制柜如图5 所示。

图5 控制柜

1.3 智能螺栓的优缺点

智能螺栓的优点是实现了衬板磨损的在线检测，极大地提高了生产效率，降低了工人劳动强度。智能螺栓的缺点：智能螺栓属于一次性消耗品，更换衬板的同时也要更换智能螺栓，这会增加企业的设备维护成本；智能螺栓仅适用于锰钢衬板，磁性衬板和橡胶衬板不使用螺栓，无法安装智能螺栓，若强制安装，磨损不同步，数据也不准确，不建议在磁性衬板和橡胶衬板上使用。

2 现场应用情况

应用于江西某金属矿山的中信重工φ6.4 m×3.3 m 球磨机配套使用了衬板磨损在线检测系统。该磨机的生产能力为 208～ 292 t/h，正常钢球充填率为8%，装机功率为 2 000 kW，筒体衬板共 5 圈，衬板固定用的普通螺栓规格为 M36；厂区 DCS 采用 AB公司 PLC，型号为 logix5561；现场网络通信光纤为单模光纤；磨机共布置有 5 圈衬板，每圈衬板上安置2 个智能螺栓，总共 10 个智能螺栓监测点。

2.1 现场安装

磨机安装调试完成后，将普通螺栓取出，智能螺栓从磨机内衬板孔插入，一端伸出磨机筒体外，由螺母固定。智能螺栓与无线信号发射器相连，智能螺栓测得的数据将通过无线信号发射器发射给位于现场电控箱内的信号接收器，信号接收器共可同时接收 64个发射器发出的信号，即一个信号接收器可同时支持64 根智能螺栓的测量。接收器可以单独安装在磨机附件开阔区域，也可以安装在现场控制柜内。智能螺栓安装现场如图6 所示。

图6 智能螺栓安装现场

2.2 效果及数据展示

智能螺栓可实时在线测量和显示衬板的磨损情况，为优化磨机控制提供依据。在线测量快捷方便，避免停机检查，节省了人力物力，减少了不必要的停机时间。

数据展示共有 2 种方式，可选择将信号接收器中的信号传输给 DCS 页面，显示当前磨损量和并预计衬板使用寿命，也可选择上云平台，通过手机端或PC 端显示。云数据 PC 端界面及云数据手机端界面如图7 所示。

图7 云数据 PC 端界面及云数据手机端界面

2.3 经济效益分析

通过对行业常用的检测方法进行对比分析，从测量原理、测量精度、测量时间、测量成本进行综合分析[1]，不同测量方法成本对比如表1 所列。

表1 不同测量方法成本对比

由表1 可知，三维激光扫描测量精度最高，但用时最长，综合成本也最高；人工测量和超声波测量的设备投资偏低，但精度低，测量时间偏长，影响生产；智能螺栓在线检测精度偏高，能够实时检测，但检测设备投资偏高。从提高公司自动化、智能化水平角度来讲，采用在线检测是生产企业不错的选择。

3 结语

衬板磨损在线检测系统基于智能螺栓的磨损量与衬板的磨损量相同的情况，通过监测智能螺栓的实时磨损量来监测衬板的磨损量，可实时显示衬板磨损量。同时该系统可利用网络通信将数据上传至上位机或云平台，碎磨设备通过安装这种衬板磨损在线检测系统，可以在设备不停机的情况下实时了解衬板磨损情况，避免衬板磨损严重损坏设备本体，提高了磨机的运转率，可以用于衬板的优化和合理使用。