磨矿设备是选矿工艺准备作业中的关键设备，其投资成本占选矿厂全部投资的 60% 以上，运营成本占选矿厂的 65%～70%。衬板是大型自磨机、半自磨机和球磨机的主要耗材，以 φ10.37 m×5.19 m半自磨机为例，衬板总质量超过 400 t，其中筒体衬板及部分排料衬板总质量超过 300 t，每年更换 3 ～ 5次，单台设备每年的衬板更换费用达数千万元。在磨矿生产作业中，衬板长期与矿石、钢球等发生冲击和研磨，同时还会受到矿浆的腐蚀，当衬板磨损达到一定程度后，磨矿效率降低，衬板本身也会由于厚度变薄而容易碎裂，衬板失效以后，筒体直接受到钢球和物料的冲击而损坏，因此衬板的磨损量需要重点监控，并做到定期更换衬板。

由于工况恶劣以及技术条件的限制，衬板磨损检测一直是磨矿行业的难题。笔者对国内外衬板磨损测量的现状和存在的问题进行总结，并提出衬板磨损在线测量的技术方案。

1 衬板磨损的传统测量技术

目前检测衬板磨损的常用方法有人工测量法、超声波测量法和激光三维扫描测量法，下面分别对这 3种测量方法的原理和优缺点进行阐述。

1.1 人工测量法

人工测量法是在磨机停机后先放置一段时间，待筒体内温度降低后，工人进入磨机内，通过尺子或者专用的测量工具进行测量 (见图1)，根据测量数据制定更换衬板时间表和进行看板管理。人工测量耗时耗力，作业效率低，测量数据少，尤其在衬板使用中后期，由于衬板制造工艺的特点，衬板磨损速率会发生急剧变化，用较少的数据来预测变化较大的磨损趋势，预测误差大，给生产管理带来极大的风险，对生产管理人员造成极大的心理压力，已经不能满足现代化企业的需要。

图1 人工测量磨机衬板磨损

1.2 超声波测量法

将超声波测厚仪放入磨机筒体内，人工测量衬板厚度，通过多次测量的差值来计算衬板磨损量，如图2所示。超声波测厚仪 (见图3) 主要由主机和探头两部分组成。主机电路包括发射电路、接收电路、计数显示电路 3 部分。由发射电路产生的高压冲击波激励探头，产生超声脉冲波，脉冲波经介质界面发射后被接收电路接收，通过单片机计数处理后，经液晶显示器显示厚度值，现场使用前一般需要先用钢块进行标定。被测件厚度

式中：v 为材料声速；T 为超声波在试件中往返一次的传播时间。

图2 超声波测厚仪测量衬板磨损

图3 超声波测厚仪

由于超声波处理方便，并有良好的指向性，可用于测量金属和非金属材料，所以可用其测量金属衬板和橡胶衬板，测量厚度一般超过 400 mm，该尺寸可满足绝大部分磨机的使用要求。

1.3 三维激光扫描测量法

三维激光扫描仪 (见图4) 按其原理分为三角测量、相位式和脉冲式，在磨机上应用主要采用相位式。如图5所示，采用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光往返所需要的时间，扫描仪记录本身在水平和垂直方向的旋转角度，通过软件计算出三维数据。

可得相移 φ 发生的时间为，即光传播 2d 距离所用的时间，则

式中：d 为从激光发射器到被测物体间距离；c 为光速；fm 为设定的波段频率。

图4 三维激光扫描仪

图5 三维扫描测量原理

中信重工机械股份有限公司 (以下简称“中信重工”) ..将该技术用于国内磨机衬板磨损测量，如图6所示。目前已经为生产现场提供衬板磨损分析报告数十份，并对衬板结构进行了优化改进，使衬板的寿命和磨机的工作效率都有了较大的提高。笔者以某矿山大型磨机的应用为例，对基于激光三维扫描技术的衬板磨损测量系统进行简要说明。

图6 三维激光扫描仪在磨机内测量衬板磨损及扫描到的点云图

2 基于激光三维扫描的磨机衬板磨损测量技术

以某现场自磨机进料端衬板磨损量测量为例简要说明测量结果。从图7可以看出，进料端衬板总体状态较差，尤其中圈衬板磨损..为严重。内圈衬板状态良好，但与中圈衬板结合处，底板厚度约为 50 mm，提升条厚度约为 155 mm；中圈衬板底板大部分厚度为 35 ～ 50 mm，..薄处约为 25 mm，提升条磨损较为均匀，其厚度为 140 ～ 160 mm；外圈衬板底板大部分厚度为 42 ～ 50 mm，..薄处约为 35 mm，提升条状态良好，大部分厚度为 200 ～ 235 mm。

图7 自磨机进料端衬板磨损云图和磨损量

如前所述，每次衬板扫描都会得到衬板提升条的高度和衬板截面形状，经过多次扫描后即得到衬板高度和衬板截面形状随时间变化的关系模型，如图8所示；利用关系模型可以制定衬板更换计划，如图9所示。

图8 衬板磨损情况实测数据

图9 衬板更换计划

激光三维扫描技术的使用，大大提高了衬板磨损检测的精度和技术水平，但该技术仍然存在一定的局限性，比如数据后处理过程十分繁琐，耗时较长，而且仍然需要在磨机停机状态下进行测量，不可避免地会在一定程度上影响磨机的作业率。

3 衬板磨损在线测量技术

在研究了大量国内外衬板测量技术后，结合现场实际，开发了磨机衬板磨损在线测量系统，可在不停机的情况下对衬板磨损量进行实时监控。

3.1 系统组成

衬板磨损在线测量系统由智能螺栓 (含螺栓传感器和信号发射器)、无线信号接收器和上位机 3 部分构成。其中上位机可以将磨损数据及衬板寿命预测值通过通信方式传输至中控 DCS 画面上，还可以通过加密的 SDK 传输到云平台，并可以通过手机端查看，便于生产管理，如图10所示。

图10 衬板磨损在线测量系统的组成

3.2 智能螺栓的结构

智能螺栓外形与原有螺栓基本一致，可代替衬板上的原有螺栓，将衬板紧固在矿用磨机筒体上。智能螺栓的扁头比传统螺栓长，加长的扁头内部集成长度传感器探头、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块等，采用绝缘材料浇注在智能螺栓内部。智能螺栓内部结构如图11所示。

图11 智能螺栓内部结构

1.螺栓外壳 2.绝缘浇注料 3.传感器探头 4.传感器模块5.处理器模块 6.无线通信模块 7.天线 8.电源模块

3.3 系统工作原理

如图12所示，将智能螺栓装入衬板，智能螺栓扁头部分和衬板提升条平齐，随着衬板的磨损，扁头及嵌入其中的传感器同样磨损，磨损的传感器信号经过处理压缩后通过无线方式发出，再经过磨机旁边的无线信号接收器 (见图13) 将信号转化为衬板磨损量。螺栓控制中心从现场 PLC 或 DCS 中采集矿用磨机的矿石处理量，将矿石处理量与衬板磨损量结合起来进行数据分析处理，预测出衬板的使用寿命。

图12 衬板磨损在线测量系统工作原理

1.智能螺栓 2.无线信号接收器 3.中控 DCS 操作员站4.其他设备 (如 PLC)

图13 无线信号接收器

4 衬板磨损在线测量技术的应用

4.1 现场安装

现场安装使用时，根据衬板的磨损情况在磨损较快的位置布置智能螺栓 (分别在圆周方向和长度方向)，布置数量可根据磨机的规格和衬板数量综合决定。如图14所示，分别在进料端衬板和筒体衬板 7个不同位置安装螺栓，每圈螺栓中布置 2 个智能螺栓，共计 14 个，能较好地覆盖磨机衬板的磨损情况。

图14 智能螺栓的安装位置

图15 Web 端和手机端显示衬板磨损量和剩余寿命

4.2 衬板磨损数据的采集与显示

磨损数据的采集和发射靠电池供电，电池奉命超过半年。该系统可根据选厂的需求对磨损数据的采样频率进行设置。磨损数据可通过 4G 信号传送至中信云物联网平台，选厂可以通过 Web 端和手机 APP 查看衬板磨损状态，结合 DCS 系统中的处理数据，对剩余寿命和剩余矿量进行预测，如图15所示。

4.3 衬板磨损数据分析与寿命预测

由于实现了衬板磨损量的在线测量，选厂可以采集全衬板使用周期随时间变化的密集数据。通过对衬板磨损大数据的分析和整理，计算出衬板磨损速率，建立衬板寿命预测模型，得到不同时期衬板磨损速率的变化情况和剩余寿命预测 (见图16)，用于指导磨机生产操作和衬板备件管理，同时还可以指导衬板制造厂家改进热处理工艺，提高衬板在截面方向硬度的均匀性。

图16 衬板磨损速率和衬板寿命预测曲线

5 不同测量方法技术参数对比

分别从测量原理、测量精度等 7 个方面，将人工测量、超声波测量、激光三维扫描测量和在线测量 4种方法的技术参数进行对比，如表1所列。从表1可以看出，激光三维扫描测量方法测量精度..高，达到±2 mm，但数据后处理时间较长；在线测量方法由于工况恶劣和铸造本身的误差，测量精度为±3 mm，但也能够满足现场使用要求，而且在线测量技术还具有不需要停机、测量数据量大、融合生产数据、预测寿命准确及测量成本不高等特点，相比于其他测量手段有较强的优越性。

表1 不同测量方法技术参数对比

6 结语

衬板是磨矿设备的重要耗材，其磨损监测及更换时间对提高磨机作业率至关重要。中信重工开发的衬板磨损在线测量技术，测量精度可以达到±3 mm，..实现了不停机测量衬板磨损，减少了因停机而造成的损失，同时避免了人工进入磨机测量，提高了生产..性；安装简单可靠，无需现场任何设备改造；利用物联网技术，用户可以通过手机端查看衬板磨损情况和剩余寿命，提高了生产效率和经济效益。该技术已在某选厂大型半自磨机上得到验证，能够准确测量衬板的磨损数据，经过一个衬板周期的测量，积累了衬板磨损随时间变化的大数据，可用于指导磨矿生产作业和改良衬板制造工艺，优化衬板结构。该技术方案成熟可靠，已经取得..发明..，可在国内外矿山磨矿行业推广应用。

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