专利名称：一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法
技术领域：
本发明涉及一种监测方法，特别是关于一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法。
背景技术：
球磨机是矿产资源生产中重要的粉磨设备，其主要功能是将矿石磨碎到后续生产 工艺所需要 的粒度。球磨机分为干法球磨机和湿法球磨机两种，主要区别在于磨矿时是否 需要添加水作为中间磨合介质，以及球磨机中矿石的排出方式。干法球磨机工作时不添加 水，通过鼓风将磨碎的矿石及时排出球磨机；湿法球磨机工作时需要添加水，利用磨碎矿石 和水混合成的矿浆的流动性和球磨机内的倾斜角度，将磨碎的矿石通过筛孔排出球磨机。 因此，根据后续生产工艺要求的不同，干法球磨机通常是火力发电厂煤炭制粉的常用设备， 而湿法球磨机则通常用于有色金属的选矿生产，如铜、镍、钼、锰、钨等有色金属的粉磨。在生产过程中，对球磨机的运行工况进行监控至关重要。球磨机如果长期在异常 工况下运行，不仅将影响磨矿环节的生产质量，还可能会造成“空砸”和“涨肚”等事故，从 而损坏设备，甚至中断整个矿产资源的生产。对于干法球磨机，球磨机内部的料位高度直接影响磨碎矿石的排出，因而是运行 工况监控的关键参数。目前国内外已经有一些方法可以用来检测干法球磨机内部的料位， 例如检测球磨机入料口和出料口的风压差、驱动磨机转动的电动机功率及磨机运行噪音 等，但这些方法均具有灵敏度较低、易受环境影响等缺点，所以实际应用效果较差。专利《基 于球磨机旋转筒体振动信号的料位检测方法及其检测装置》(申请号=200710131415. 2)，根 据干法球磨机内料位高度变化对钢球在磨机内部运动轨迹的影响，提出了一种检测球磨机 筒壁最大冲击点的方法，从而实现对球磨机内料位高度的监测。对于湿法球磨机，水是研磨的中间介质，球磨机内物料的排出速度取决于内部矿 石和水混合物的浓度，即矿石和水的重量百分比，称为磨矿浓度。球磨机内的磨矿浓度越 低，矿石在球磨机的停留时间越短；磨矿浓度越高，则矿石在球磨机内的停留时间越长。由 于球磨机是依靠滚筒中的钢球、矿石与衬板之间的不断碰撞对矿石颗粒进行研磨，因此球 磨机内的磨矿浓度将直接影响球磨机排出矿石的粒度，即磨矿过程的生产质量。此外，如果 球磨机内的磨矿浓度长期处于较高时，矿石排出速度低于球磨机入口处的矿石给料速度， 球磨机内物料将增加，甚至造成“涨肚”等严重故障。因此，对湿法球磨机内部的磨矿浓度 进行监测至关重要。由于湿法球磨机与干法球磨机的工作原理有较大差别，目前一些干法球磨机的运 行工况监测方法，如电机功率法和运行噪音法等，可以应用到湿法球磨机的监控，但实际应 用效果很差。另外一些方法，如压差法，则无法在湿法球磨机运行工况监控中应用。此外， 由于湿法球磨机中矿浆与钢球混合运动，矿浆基本上不影响钢球的运动轨迹，球磨机筒壁 最大冲击点的位置基本固定，不随球磨机内矿浆多少以及磨矿浓度变化的影响，因此，难以 通过检测球磨机筒壁最大冲击点来监测球磨机内的磨矿浓度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，该方 法能在球磨机运行时，快速、准确地监测球磨机内部的磨矿浓度。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方 法，其包括以下步骤1)在球磨机的筒壁上安装一振动传感器，振动传感器通过电缆连接 一数据采集装置；数据采集装置内预置有中央处理器、模拟数字转换单元和数据存储单元； 2)设置数据采集装置的采样频率为f，球磨机内的磨矿浓度为Cw，通过振动传感器采集球磨 机筒壁的振动信号，并传送给数据采集装置，由数据采集 装置绘制振动信号数据的统计直 方图；3)根据步骤2)绘制的统计直方图，采用零均值的拉普拉斯分布作为球磨机筒壁振动 信号分布的最优近似，即振动信号的概率密度函数P U)为 其中，b为振动信号统计参数，χ为筒壁的振动信号，根据拉普拉斯分布的极大似 然估计，得到振动信号统计参数b的估计值g为 其中，N为筒壁旋转一周时，数据采集装置记录的振动信号的点数；x(i)，i = 1， 2，…，N为筒壁旋转一周时，筒体内的钢球碰撞筒壁产生的振动信号的采样值；4)改变球磨 机内的磨矿浓度Cw，并记录不同磨矿浓度Cw下，筒壁的振动信号x(i)，i = 1,2,…，N，根据
(2)式计算估计值g，记录样本丨，其中，k = 1,2,…，1为改变磨矿浓度的实验组
另U，共计1组实验；5)取二次多项式 其中，4^为球磨机内的磨矿浓度Cw的估计值，由g计算所得；％，ai; a2为待定参数， 求得待定参数^a1A2，确定(3)式；6)采集不同情况下球磨机运行过程中的筒壁振动信号 x(i)，i = 1,2,…，N，由中央处理器根据(2)式计算统计参数的估计值^，带入步骤5)中 确定的(3)式中，计算得到对应的磨矿浓度的估计值0W。所述步骤2)中，绘制统计直方图的方法为①设置数据采集装置的采样频率为 f，根据球磨机的转速ω〃由中央处理器计算出筒壁旋转一周时，数据采集装置记录的振动 信号的点数N ；②设置球磨机内的磨矿浓度为Cw，中央处理器控制模拟数字转换单元采集 球磨机筒壁旋转一周时，振动传感器传送的球磨机筒体内的钢球碰撞筒壁产生的振动信号 x(i)，i = 1,2,…，N，并存储在数据存储单元中；③由中央处理器将采集到的振动信号进 行分组，设置分组数为η ；中央处理器根据振动信号的最大值Xmax和振动信号的最小值Xmin 求出组距的宽度Δ ④统计球磨机筒壁旋转一周时振动信号在各组内出现的频数，各组频 数的计算方法为以每组振动信号采样值的点数除以，筒壁旋转一周时，数据采集装置记录 的振动信号的点数N ；⑤以振动信号数据为横坐标，各组频数为纵坐标，绘制筒壁振动信号 的统计直方图。所述步骤①中，数据采集装置记录的振动信号的点数N为
其中，fix( □)表示取整数；转速(Or的单位为rpm ；采样频率f的单位为Hz。所述步骤③中，中央处理器求出的组距宽度Δ为 所述步骤④中，第1组振动信号出现的频数为X(i) e [xfflin, Xfflin+Δ)中的点数除 以N;第η组振动信号出现的频数为x(i) e [Xfflax-Δ, XmaJ中的点数除以N。所述步骤5)中，待定参数％，ai; a2的求得，满足球磨机内磨矿浓度的估计值(^与 球磨机内磨矿浓度Cw的差值Q最小，即 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于在球磨机的筒壁 上安装有振动传感器和数据采集装置，因此，可以直接检测球磨机旋转运行时的筒壁振动 信号，检测量可更直接的反应球磨机内部的运行状态，检测灵敏度更高，且具有较强的抗干 扰能力，工作不易受生产现场的环境影响，具有较强的实用性。2、本发明由于根据筒壁的振 动信号数据，及振动信号数据的各组频数，绘制出统计直方图，因此，根据统计直方图，采用 零均值的拉普拉斯分布作为湿法球磨机运行时，筒壁振动信号统计分布的最优估计，以尺 度参数的估计值作为筒壁振动信号的特征量，该特征量具有稳定性好，区分度大的特点。3、 本发明在球磨机筒壁振动信号统计特征量计算时，只需要做加法运算，并采用了多项式拟 合筒壁振动信号统计特征与球磨机内磨矿浓度之间的对应关系，计算量小，容易实现。4、 本发明只需在湿法球磨机上设置振动传感器和数据采集装置，即可对球磨机的运行工况进 行监测，而此类球磨机除在有色金属选矿领域应用以外，在化工、冶金等领域也有广泛的应 用，因此，本发明所提供的检测方法具有一定的可推广性。本发明构思巧妙，精确实用，可大 为提高所监控设备的运行效率并有效避免设备运行的事故，因此，可以广泛用于有色金属 选矿领域、化工和冶金等领域的监测系统中。
图1是本发明装置示意2是本发明数据采集装置模块示意3是本发明实施例中球磨机筒壁转动一个周期的振动信号采样点和采样值的 对应关系4是本发明实施例中球磨机筒壁转动一个周期的振动信号的统计直方5是本发明实施例中球磨机筒壁转动一周期的振动信号的拉普拉斯分布6是本发明实施例中球磨机内磨矿浓度从0%变化到85%时，筒壁振动信号统 计参数估计值g与磨矿浓度Cw的对应关系图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明是基于湿法球磨机(以下简称球磨机)筒壁振动信号的时域统计分析来监 测球磨机内的磨矿浓度，其包括以下步骤1)如图1所示，在球磨机的筒壁1上安装一检测振动信号的振动传感器2和一数 据采集装置3，振动传感器2通过电缆4连接数据采集装置3。如图2所示，数据采集装置 3内预置有中央处理器31，模拟数字转换单元32和数据存储单元33。2)设置数据采集装置3的采样频率为f。根据球磨机的转速ωρ可以由中央处理 器31计算出筒壁1旋转一周时，数据采集装置3记录的振动信号的点数N为 其中，fix( □)表示取整数；转速ω^的单位为rpm ；f为数据采集装置3的采样 频率，单位为Hz。3)在球磨机运行时，筒体内的钢球不断碰撞筒壁1产生振动信号X，设置球磨机内 的磨矿浓度为Cw。中央处理器31控制模拟数字转换单元32将振动传感器2传送的球磨机 筒壁1旋转一周时的振动信号进行数字转换，并存储在数据存储单元33中。4)球磨机筒壁1旋转一周时，数据存储单元33中存储的振动信号采样值为x(i)， i = 1,2,…，N，由中央处理器31，求出其最大值为Xmax，最小值为xmin。设置统计数据时分 组数为n，由中央处理器31求出组距的宽度Δ为 统计球磨机筒壁1旋转一周时振动信号在各组内出现的频数，例如在第1组出 现的频数为振动信号采样值X(i) e [xmin, Xfflin+Δ)的点数除以N，在第η组出现的频数为 x(i) e [xfflax-Δ, χω J的点数除以N。以采集的筒壁1的振动信号数据为横坐标，各组频数 为纵坐标绘制筒壁1振动信号的统计直方图。5)根据球磨机筒壁1旋转一周时振动信号的统计直方图，采用零均值的拉普拉斯 分布作为球磨机筒壁ι振动信号分布的最优近似，即振动信号的概率密度函数P(X)为 根据拉普拉斯分布的极大似然估计，得到统计参数b的估计值g为“去 ⑴I⑷ 其中x(i)，i = l，2，…，N，为振动信号采样值，N为球磨机筒壁1转动一周的振 动信号采集点数。6)通过增加或减少球磨机内的水量，改变磨矿浓度，并记录不同磨矿浓度下，筒壁 ι的振动信号，根据⑷式计算统计参数b的估计值g，记录样本丨cwot)io^，其中，k = 1， 2，…，1为改变磨矿浓度的实验组别，共计1组实验，Cw(k)为对应的球磨机内的磨矿浓度，
为对应的振动信号统计参数的估计值。7)取二次多项式 其中，为球磨机内的磨矿浓度Cw的估计值，由g计算所得，a0, ai; a2应使球磨机 内磨矿浓度的估计值与球磨机内磨矿浓度Cw的差值Q最小，即 根据式(6)计算求得aQ，B1, a2,从而确定式(5)。8)采集不同情况下球磨机运行过程中的筒壁振动信号χ(i)，i = 1,2,…，N，由中 央处理器31根据(4)式计算统计参数的估计值g，带入步骤7)中确定的(5)式中，即可得 到对应的磨矿浓度的估计值。上述实施例中，步骤4)中的组距宽度Δ和组别划分也可以采用其它方法，从而绘 制出振动信号数据的统计直方图，属于现有技术，在此不再详细说明。下面列举一具体的实施例
该实施例中选择XMQL-Φ420 X 450湿法球磨机，该球磨机转速为ω r = 57rpm。在 球磨机筒壁上安装量程为士2500m/s2的加速度计作为振动信号传感器，设置数据采集装置 的采样周期f = 50000Hzο1)将振动传感器2和数据采集装置3设置在球磨机筒壁1上。2)根据(1)式可以计算出球磨机筒壁旋转一周时的振动信号采集点数为N = 52631，通过振动传感器2和数据采集装置3采集球磨机筒壁1旋转一周时的振动信号，振 动信号采集点数与振动信号采样值的对应关系图，如图3所示。3)设置该球磨机内的磨矿浓度Cw = 77%，记录球磨机筒壁旋转一周时的振动信 号。振动信号采样值中最大值为Xmax = 68. 44m/s2，最小值为Xmin = -53. 15m/s2，设置统计 分组数η = 100，则根据(2)式可以计算出组距宽度为Δ = 1. 216m/s2，统计球磨机筒壁1 旋转一周时振动信号在各组内出现的频数，以采集的筒壁1的振动信号数据为横坐标，各 组频数为纵坐标画出筒壁1振动信号的统计直方图，如图4所示。4)根据(3)式，采用零均值的拉普拉斯分布作为筒壁振动信号分布的最优估计， 由⑷式可以计算出统计参数b的估计值g = 3.95w/f，对应的拉普拉斯分布图，如图5所
7J\ ο5)更改球磨机内磨矿浓度从Cw = 0% (球磨机内只有水和钢球，没有矿石)到Cw =85%，采集对应筒壁旋转一周时的振动信号，并由(4)式计算出参数b的估计值g，记录样 本{Cw(A:),^t)}，其中k = 1,2,…，10，共计10组实验。6)根据(6)式计算得到球磨机内的磨矿浓度计算公式为 Cw=105.48-7.5^ + 0.1302，对应的筒壁振动信号统计参数估计值g与磨矿浓度Cw的关系 图，如图6所示。7)采集湿法球磨机在其它工作情况下的筒壁振动信号，根据步骤6)中确定的公 式<=105.48-7.516 + 0.13沪，即可计算得出对应的磨矿浓度的估计值0w。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
权利要求
一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其包括以下步骤1)在球磨机的筒壁上安装一振动传感器，振动传感器通过电缆连接一数据采集装置；数据采集装置内预置有中央处理器、模拟数字转换单元和数据存储单元；2)设置数据采集装置的采样频率为f，球磨机内的磨矿浓度为Cw，通过振动传感器采集球磨机筒壁的振动信号，并传送给数据采集装置，由数据采集装置绘制振动信号数据的统计直方图；3)根据步骤2)绘制的统计直方图，采用零均值的拉普拉斯分布作为球磨机筒壁振动信号分布的最优近似，即振动信号的概率密度函数p(x)为 <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>b</mi> </mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mo>|</mo> <mi>x</mi> <mo>|</mo></mrow><mi>b</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，b为振动信号统计参数，x为筒壁的振动信号，根据拉普拉斯分布的极大似然估计，得到振动信号统计参数b的估计值为 <mrow><mover> <mi>b</mi> <mo>^</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mo>|</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，N为筒壁旋转一周时，数据采集装置记录的振动信号的点数；x(i)，i＝1，2，…，N为筒壁旋转一周时，筒体内的钢球碰撞筒壁产生的振动信号的采样值；4)改变球磨机内的磨矿浓度Cw，并记录不同磨矿浓度Cw下，筒壁的振动信号x(i)，i＝1，2，…，N，根据(2)式计算估计值记录样本其中，k＝1，2，…，l为改变磨矿浓度的实验组别，共计l组实验；5)取二次多项式 <mrow><msub> <mover><mi>C</mi><mo>^</mo> </mover> <mi>w</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mover> <mrow><mo>(</mo><mi>b</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>^</mo></mover><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn></msub><mover> <mi>b</mi> <mo>^</mo></mover><mo>+</mo><msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mover><mi>b</mi><mo>^</mo> </mover> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，为球磨机内的磨矿浓度Cw的估计值，由计算所得；a0，a1，a2为待定参数，求得待定参数a0，a1，a2，确定(3)式；6)采集不同情况下球磨机运行过程中的筒壁振动信号x(i)，i＝1，2，…，N，由中央处理器根据(2)式计算统计参数的估计值带入步骤5)中确定的(3)式中，计算得到对应的磨矿浓度的估计值FSA00000083427400012.tif,FSA00000083427400014.tif,FSA00000083427400015.tif,FSA00000083427400017.tif,FSA00000083427400018.tif,FSA00000083427400019.tif,FSA000000834274000110.tif
2.如权利要求1的一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其特征在于所述步骤2) 中，绘制统计直方图的方法为①设置数据采集装置的采样频率为f，根据球磨机的转速ω〃由中央处理器计算出筒 壁旋转一周时，数据采集装置记录的振动信号的点数N ；②设置球磨机内的磨矿浓度为Cw，中央处理器控制模拟数字转换单元采集球磨机筒壁 旋转一周时，振动传感器传送的球磨机筒体内的钢球碰撞筒壁产生的振动信号x(i)，i = 1,2,…，N，并存储在数据存储单元中；③由中央处理器将采集到的振动信号进行分组，设置分组数为η；中央处理器根据振 动信号的最大值Xmax和振动信号的最小值Xmin求出组距的宽度Δ ④统计球磨机筒壁旋转一周时振动信号在各组内出现的频数，各组频数的计算方法 为以每组振动信号采样值的点数除以，筒壁旋转一周时，数据采集装置记录的振动信号的点数N;⑤以振动信号数据为横坐标，各组频数为纵坐标，绘制筒壁振动信号的统计直方图。
3.如权利要求2所述的一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其特征在于所述步骤①中，数据采集装置记录的振动信号的点数N为 其中，fix( □)表示取整数；转速《r的单位为rpm ；采样频率f的单位为Hz。
4.如权利要求2所述的一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其特征在于所述步骤③中，中央处理器求出的组距宽度Δ为
5.如权利要求2所述的一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其特征在于所述步骤④中，第1组振动信号出现的频数为x(i)e [xfflin, Xfflin+Δ)中的点数除以N;第η组振动信 号出现的频数为x(i) e [Xfflax-Δ, XmaJ中的点数除以N。
6.如权利要求1或2或3或4或5的一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其特征在 于所述步骤5)中，待定参数％，ai; a2的求得，满足球磨机内磨矿浓度的估计值与球磨 机内磨矿浓度Cw的差值Q最小，即
全文摘要
本发明涉及一种湿法球磨机的磨矿浓度监测方法，其包括以下步骤1)在球磨机的筒壁上安装振动传感器和数据采集装置；2)通过振动传感器采集球磨机筒壁的振动信号，并传送给数据采集装置，由数据采集装置绘制振动信号的统计直方图；3)根据统计直方图，采用零均值的拉普拉斯分布作为球磨机筒壁振动信号分布的最优近似，根据拉普拉斯分布的极大似然估计，得到振动信号统计参数的估计值；4)改变球磨机内的磨矿浓度，得到对应的参数估计值5)将球磨机内的磨矿浓度Cw表示成磨矿浓度估计值的二次多项式确定式中的待定参数a0，a1，a2；6)采集不同情况下筒壁的振动信号，计算统计参数的估计值带入步骤5)中确定的二次多项式，计算得到对应的磨矿浓度的估计值。
文档编号G01N29/44GK101839892SQ20101014756
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者冯天晶, 周俊武, 徐文立, 王焕钢, 王赫, 项焰林 申请人:清华大学