专利名称：一种测试球磨机衬板受力的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测试球磨机衬板受力的装置，该装置用于粉体制备与加工技术装
备的负载测量，特别是球磨机内部的载荷信息的测量。
背景技术：
球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于建筑材料、耐火 材料、电力、化肥、黑有色金属选矿等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或 湿式粉磨。球磨机消耗我国总发电的8_10%电能，在矿山企业与水泥厂中球磨机的电耗占 企业总电耗的55-70%。虽然近几年中国的球磨机制造业有长足发展和提高，但是其电能 消耗过高，还远远不能满足我国社会发展和经济建设的需要。对球磨机衬板的受力进行测 量，从而获得球磨机的载荷信息，对于了解球磨机的工作特性、降低球磨机的能耗具有重要 意义，但目前还未有此类测试装置的报道。
发明内容
本发明的目的在于，为适应球磨机节能降耗的需求，提供一种球磨机衬板受力的 测量装置，该装置能够对受测衬板所承受的工作介质与物料所施加的作用力进行测量，从 而获取球磨机内部的载荷信息，为改进球磨机的效率提供分析数据。它能够测量出球磨机 衬板的受力，特别适用于分析球磨机内部的载荷信息，为球磨机离散单元法仿真和理论分 析提供测量数据。
实现本发明目的所采用的技术方案如下一种测试球磨机衬板受力的装置，至少
包括径向力及轴向力测量机构、切向力测量机构、应变片及应变信号处理装置；径向力及轴
向力测量机构至少包括径向传动杆、球轴承、径向负载梁及其对应的径向应变片，径向应变
片安装于径向负载梁上；切向力测量机构至少包括切向传动杆、径向传动杆、球轴承、切向
力负载梁及其对应的切向应变片，切向传动杆与径向传动杆固定连接，切向应变片安装于
切向负载梁上；径向传动杆两端分别刚性连接球轴承外圈和球磨机受测衬板。 该装置的径向负载梁分为径向负载梁a部分、径向负载梁b部分和中部圆柱体三
个部分，径向负载梁a部分和径向负载梁b部分是截面为矩形的均质钢条，且径向负载梁a
部分和径向负载梁b部分尺寸完全相同，各自安装有应变片，中部圆柱体通过球轴承与径
向传动杆连接。径向传动杆、切向传动杆、切向负载梁都是截面为矩形的长条状均质钢条。
球轴承外圈、球磨机受测衬板及切向传动杆通过径向传动杆刚性地连接起来，形成一个无
相对运动的整体。球轴承为深沟球轴承。径向传动杆与径向负载梁间相互垂直，切向传动杆
与切向负载梁间相互垂直并保持接触，球轴承内圈安装在径向负载梁的中部圆柱体上且球
轴承内圈与圆柱体为过盈配合。装置下方设有机座，机座包括凸台a、凸台b、凸台c和凸台
d四个凸台，四个凸台均固定在球磨机上，且径向负载梁和切向负载梁通过螺栓刚性固定在
对应凸台上。 所述应变片输出信号处理装置至少包括电桥、动态应变仪和A/D转换模块，径向应变片和切向应变片均为电阻应变片，应变片输出信号处理装置与电阻应变片相连。
由上述技术方案可知，本发明提供的测量装置将受测衬板受到的、由工作介质与 物料所施加的作用力分解成三个相互正交的分力(径向力，轴向力和切向力)。分别使用径 向力及轴向力测量机构，切向力测量机构测量这三个分力，从而实现对受测衬板所受力的 测量。该测量装置中径向传动杆一端通过螺栓固定连接受测衬板，另一端固定连接深沟球 轴承外圈。深沟球轴承内圈安装在径向负载梁的中部的圆柱体上，球轴承内圈与该圆柱体 的配合为过盈配合。通过上述方式，径向传动杆，切向传动杆和受测衬板以及深沟球轴承的 外圈刚性地连接在一起，形成一个整体，将这个整体称之为负载传递系。当受测衬板受到径 向力和轴向力作用时，径向负载梁通过作用一个力矩和力在负载传递系上，阻止负载传递 系沿径向和轴向运动。通过测量径向力负载梁在负载传递系的反作用力下发生的形变，可 以测量出受测衬板所受到的径向力和轴向力。当受测衬板受到切向力时，切向力负载梁通 过作用一个力在负载传递系上，阻止负载传递系沿切向发生运动。通过测量切向力负载梁 在负载传递系的反作用力下发生的形变，可以测量出受测衬板所受到的切向力。
综上所述，本发明具有以下优点和有益效果 (1)可以同时测量出受测衬板所受到的由工作介质与物料所施加的作用力在径 向、轴向和切向三个方向的分力。
(2)可以对球磨机内部载荷信息进行监控。
(3)本装置结构简单，使用维护方便。
图1是本发明提供的测试装置的主视图。
图2是本发明提供的测试装置的侧视图。
图3是本发明提供的测试装置的俯视图。
图4是本发明提供的测量装置的三维示意图。
图5径向力及轴向力测量机构的力学示意图。
图6受测衬板受力时径向负载梁的弯矩分布图。
图7切向力测量机构的力学示意图。 图中1-切向负载梁a、2_切向传动杆、3_深沟球轴承、4-径向传动杆、5螺钉、 6_球磨机筒体、7_受测衬板、8_螺栓a、9_螺栓b、 10-径向负载梁a部分、11_径向负载梁a 部分上安装的径向应变片、12_径向负载梁b部分、13_径向负载梁b部分上安装的径向应 变片、14_切向负载梁a上的应变片、15-螺钉、16-凸台a、17-凸台b、18-凸台c、19-凸台 d、20-切向负载梁b、21-切向负载梁b上的应变片。Ll-深沟球轴承中心到切向传动杆杆 的距离丄2-深沟球轴承中心到受测衬板工作面的距离Jr-受测衬板受到的径向力、Fa-受 测衬板受到的轴向力、Ft-受测衬板受到的切向力、Ft'-切向负载梁4对切向传动杆3的 反作用力、M-Fa对径向负载梁施加的力矩、Mvl-Ft对径向负载梁施加的弯矩、Mv2-M对径向 负载梁施加的弯矩。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
首先根据图1，图5，图6和图7，说明测量装置的基本原理 从图1的视角来观察，切向传动杆2和切向负载梁1之间、切向传动杆2与切向负 载梁b20之间接触但可在YZ平面内相对滑动(X轴为水平方向，Y轴为垂直方向，Z轴为垂 直于图面向外的方向)，因此径向负载梁的弯曲变形与切向负载梁的弯曲变形互不干扰。
图5为径向力及轴向力测量机构的力学模型，受测衬板受到径向力和轴向力时， 测量装置中的径向负载梁发生弯曲变形，此弯曲变形量，能够通过安装在径向负载梁上的 应变片ll和应变片13获得。 关于径向负载梁上的应变片ll和应变片13输出信号的处理方法，做如下说明径 向负载梁分为三个部分，径向负载梁a部分10，径向负载梁b部分12，和中部圆柱体部分， 径向负载梁a部分10和径向负载梁b部分12是截面为矩形的均质钢条，且a部分和b部 分尺寸完全相同，关于中部圆柱体对称。受载时垂直平面上的弯矩分布如图6所示，图中Fa 为径向力；Fr为轴向力；M为由径向力Fa产生的力矩，M与Fa存在M二 Fa*L2的关系。Mvl 是径向力Fr施加在径向负载梁上的弯矩，Mv2是由力矩M施加在径向负载梁上的弯矩。径 向负载梁受到的径向力Fr所附加的弯矩是关于负载梁的中心点在Y轴方向对称的(见图 6中Mvl);径向负载梁受到的力矩M附加的弯矩是关于负载梁的中心点在X轴方向反对称 的(见图6中Mv2)。径向负载梁左右两边的应变片得到的测试结果分别是①l和①2，根 据Mvl的分布图，①1受到径向力Fr的影响与①2受到的径向力Fr的影响，是大小相等， 符号相同的，而根据Mv2的分布图，①1受到轴向力所产生的力矩M的影响与①2受到轴向 力所产生的力矩M的影响，是大小相等，符号相反的。结合径向负载梁的抗弯曲截面系数W， 得到对应于①l和①2的两个力Fa和FP，进而计算径向负载梁受到径向力
Fr = (Fa +FP ) (1) 式(1)中Fa和FP相加，得以消去轴向力对径向力测量的影响。
径向负载梁受到轴向力
Fa = (F a -F P ) (2) 式(2)中Fa和FP相减，得以消去径向力对轴向力测量的影响。 图7为切向力测量机构的力学模型，受测衬板受到切向力Ft作用时，切向力传动
杆，径向力传动杆和受测衬板组成的整体(称为负载传递系)有以深沟球轴承的中心为支
点旋转的趋势，旋转方向与Ft方向相同，由于切向传动杆和切向负载梁保持接触，所以切
向负载梁对切向传动杆作用一个反力Ft'，阻止负载传递系绕轴承转动，从而Ft和Ft'形
成杠杆平衡。所以有关系式 Ft : Ft' = Ll : L2 (3) 式(3)中Ll为深沟球轴承中心到切向传动杆的距离，L2为深沟球轴承中心到受 测衬板工作面的距离。其中Ft'的值，可以通过切向负载梁上的应变片的测试结果计算出 来，Ll和L2的长度已知，所以可以得出切向力Ft的值
Ft = Ft' *(L1 : L2) (4) 如上所述，由径向负载梁和切向负载梁上的应变片所输出的信号，结合各负载梁 的抗弯截面系数W，可以求出对应于这些应变信号的力Fa、FI3、Ft'，再根据(1) (2) (4) 式，受测衬板受到的径向力Fr，轴向力Fa，切向力Ft，就都能够测量出来。
下面结合图1，图2，图3和图4，对本发明提供的测试装置的结构和实施方式进行
5说明 如图1、图2、图3和图4所示，受测衬板7可由球磨机普通衬板改装而得，改装方 法为在球磨机衬板的工作面的几何中心位置，制出铰制孔用螺栓连接的螺孔。通过这个螺 孔和一个铰制孔用螺栓a8，可以将受测衬板7与径向传动杆4固定起来。测量装置下方设 有机座，机座包括凸台16、凸台17、凸台18和凸台19，上述四个凸台都用螺钉15固定在球 磨机的筒体6上。从图1的视角来观察，切向传动杆2和切向负载梁al之间、切向传动杆2 与切向负载梁b20之间可以在YZ平面相对滑动(X轴为水平方向，Y轴为垂直方向，Z轴为 垂直于图面向外的方向)，因此径向负载梁的弯曲变形与切向负载梁的弯曲变形互不干扰。
径向力及轴向力测量机构包括径向传动杆4、球轴承3、径向负载梁和径向应变 片，径向负载梁分为径向负载梁a部分10、径向负载梁b部分12和中部圆柱体三个部分，径 向负载梁a部分10和径向负载梁b部分12是截面为矩形的均质钢条，径向负载梁a部分10 和径向负载梁b部分12尺寸完全相同且关于中部圆柱体对称。径向负载梁a部分10上安 装有径向应变片ll，径向负载梁12上安装有径向应变片13，中部圆柱体通过球轴承3与径 向传动杆4连接。球轴承3为深沟球轴承，以保证其能够同时承受一定的径向力和轴向力， 深沟球轴承3的内圈固定在径向负载梁的中部圆柱体上，轴承内圈和圆柱体采用过盈配合 固定连接。径向力及轴向力测量机构中的应变片ll和应变片13在径向负载梁受载而发生 形变时，输出信号①l和①2，结合径向负载梁的抗弯曲截面系数W，计算得到对应于①1和 ①2的两个力Fa和FP ，进而计算径向力Fr = (F a+F P )，轴向力Fa = (Fa-FP)。
切向力测量装置包括与径向力及轴向力测量机构共用的球轴承3和径向传动杆 4，以及切向传动杆2、切向负载梁al和切向负载梁a上的应变片14，切向负载梁b20和切 向负载梁b上的应变片21，其中切向负载梁a上的应变片14安装于切向负载梁al上，切向 负载梁b上的应变片21安装在切向负载梁b20上。径向传动杆4与球轴承外圈之间为固 定连接，径向传动杆4与球磨机受测衬板7之间通过螺栓a8固定连接。径向传动杆4与切 向传动杆2通过四个螺钉5固定连接，并与切向负载梁1保持接触。球轴承6外圈、球磨机 受测衬板7及切向传动杆2通过径向传动杆刚性地连接起来，形成一个无相对运动的整体， 即构成负载传递系。切向负载梁al和切向负载梁b20都是截面为矩形的均质钢条，通过螺 栓b9安装于对应的机座凸台上。受测衬板7受到切向力Ft时，Ft与切向负载梁作用在传 递系上的力Ft'形成杠杆平衡，Ft与Ft'关系式是Ft : Ft' =L1 : L2，式中L1为深沟 球轴承中心到切向传动杆的距离，L2为深沟球轴承中心到受测衬板的距离(见图7)，通过 安装在切向负载梁a上的应变片14所输出的信号，结合切向负载梁的抗弯截面系数，计算 得到Ft'的值，进而得到切向力Ft = Ft' *(L1 : L2)。 综上所述，径向负载梁和切向负载梁分别通过螺栓固定在与球磨机筒体刚性连接 的机座上。当受测衬板受到载荷所施加的力时，径向传动杆和切向传动杆将作用在受测衬 板上的力分别传递到径向负载梁和切向负载梁上，径向负载梁上的两个应变片能够通过测 量径向负载梁的形变测量出作用力Fa和作用力FP，切向负载梁上的应变片能够通过测 量切向负载梁的形变测量出作用力Ft'，然后根据计算方法受测衬板受到的切向力Ft = Ft' *(L1 : L2);受测衬板受到的轴向力Fa = (Fa-FP);受测衬板受到的径向力Fr = (Fa +FP );得出受测衬板的受到的力的大小。
权利要求
一种测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于至少包括径向力及轴向力测量机构、切向力测量机构、应变片及应变信号处理装置；径向力及轴向力测量机构至少包括径向传动杆、球轴承、径向负载梁及其对应的径向应变片，径向应变片安装于径向负载梁上；切向力测量机构至少包括切向传动杆、径向传动杆、球轴承、切向力负载梁及其对应的切向应变片，切向传动杆与径向传动杆固定连接，切向应变片安装于切向负载梁上；径向传动杆两端分别刚性连接球轴承外圈和球磨机受测衬板。
2. 根据权利要求1所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于径向负载梁分为 径向负载梁a部分、径向负载梁b部分和中部圆柱体三个部分，径向负载梁a部分和径向负 载梁b部分是截面为矩形的均质钢条，且径向负载梁a部分和径向负载梁b部分尺寸完全 相同，各自安装有应变片，中部圆柱体通过球轴承与径向传动杆连接。
3. 根据权利要求1或2所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于径向传动杆、 切向传动杆、切向负载梁都是截面为矩形的长条状均质钢条。
4. 根据权利要求1所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于球轴承外圈、球磨 机受测衬板及切向传动杆通过径向传动杆刚性地连接起来，形成一个无相对运动的整体。
5. 根据权利要求1所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于径向传动杆与径 向负载梁间相互垂直，切向传动杆与切向负载梁间相互垂直并保持接触，球轴承内圈安装 在径向负载梁的中部圆柱体上且球轴承内圈与圆柱体为过盈配合。
6. 根据权利要求1所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于应变片输出信号处理装置至少包括电桥、动态应变仪和A/D转换模块，径向应变片和切向应变片均为电阻 应变片，应变片输出信号处理装置与电阻应变片相连。
7. 根据权利要求1所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于球轴承为深沟球 轴承。
8. 根据权利要求1所述的测试球磨机衬板受力的装置，其特征在于装置下方设有机座，机座包括凸台a、凸台b、凸台c和凸台d四个凸台，四个凸台均固定在球磨机上，且径向 负载梁和切向负载梁通过螺栓刚性固定在对应凸台上。
全文摘要
本发明提供的测试球磨机衬板受力的装置至少包括径向力及轴向力测量机构、切向力测量机构、应变片及应变信号处理装置；径向力及轴向力测量机构至少包括径向传动杆、球轴承、径向负载梁及其对应的径向应变片，径向应变片安装于径向负载梁上；切向力测量机构至少包括切向传动杆、径向传动杆、球轴承、切向力负载梁及其对应的切向应变片，切向传动杆与径向传动杆固定连接，切向应变片安装于切向负载梁上；径向传动杆两端分别刚性连接球轴承外圈和球磨机受测衬板。本发明能够测量出球磨机衬板的受力，特别适用于分析球磨机内部的载荷信息，为球磨机离散单元法仿真和理论分析提供测量数据。
文档编号G01L1/22GK101762348SQ20091021730
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者万卉, 刘丽萍, 刘宇, 胡国明, 郭胜, 陈金鑫 申请人:武汉大学