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盘磨机磨盘间隙在线测量技术研究

- ORCID：
王振羽 ¹
- ORCID：
张志义 ²
✉
- ORCID：
刘冠宇 ¹
- ORCID：
陈慧霞 ¹
- ORCID：
栾凤亮 ¹

1. 北华大学机械工程学院,吉林吉林,132021； 2. 北华大学工程训练中心,吉林吉林,132021

中图分类号： TS734⁺.1

最近更新：2023-06-21

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.06.018

目录contents

摘要

介绍了国内外对于磨浆机磨盘间隙测量的研究现状，以及磨浆机磨盘间隙在线测量的改进方法，进一步探讨了电涡流传感器在磨浆机上齿盘边界特性、齿盘变转速响应特性、进退盘响应特性、齿盘的静动态响应性能、输出特性等最佳特性曲线拟合方程。优化了电涡流传感器结合超声波测厚仪对磨浆机磨盘间隙的实时在线测量方案。传感器安装与磨片边缘的距离大于2 mm、动盘外缘线速度大于360 m/min时，电压值稳定，进退盘响应及静动态输出特性变化总体趋于一致，最佳特性拟合曲线方程线性系数大于0.99。

关键词

盘式磨浆机; 电涡流传感器; 超声波测厚仪; 磨盘间隙; 在线测量

磨浆机是在高温高压条件下将木片及其他植物材料分离成植物纤维的重要设备^[

1]。在磨浆机正常运行工作过程中，合适且稳定的磨盘间隙直接影响纤维分离的质量和磨浆机的生产性能。磨盘间隙过大，磨盘对纤维作用力小，纤维分离效果不佳；磨盘间隙过小，纤维与磨盘作用力大，纤维被切断太多，纤维质量损失严重^{[参考文献 2

百度学术}2]。因此只有磨盘间隙保持合适且稳定，才能保证纤维分离的质量和产量^{[参考文献 3

百度学术}3]。Nordman等人^{[参考文献 4

百度学术}4]用电涡流传感器测量磨浆机磨盘间隙，在磨浆机正常打浆过程中，磨盘间隙变化应控制在10~400

μ m

之间。May^{[参考文献 5

百度学术}5]在定磨盘的外圆周上安装氖气灯泡和相同数量的线圈，在动磨盘的外圆周上安装相同数量且对应的磁芯；根据氖气灯泡照明强度的变化，实时反映磨盘间隙的变化。Karna等人^{[参考文献 6

百度学术}6]调整了磨盘上线圈的安装方式，通过在磨齿上缠绕线圈产生磁通量的变化测量磨盘间隙。张辉^{[参考文献 7

百度学术}7]提出的变极距型电容位移传感器、霍尔式位移传感器、传光型光纤位移传感器和电涡流传感器均可以用于磨盘间隙的非接触测量。但由于变极距型电容位移传感器、霍尔式位移传感器、传光型光纤位移传感器只能安装于定磨盘外，作为间接测量，不能实时反映动态磨损的动、定磨盘间隙，只能反映磨盘间的初始间隙，因此无法在磨盘间隙测量中得以广泛使用。

磨浆机的动、定磨片处于动态磨损状态，故从外部测量磨损位移间隙存在较大困难；用非接触测量的方法在其内部测量，需耐受一定温度和磨浆介质。电涡流传感器不受磨浆介质和高温的影响，可以实现非接触式测量，具有灵敏度高、抗干扰能力强、能适应恶劣环境等特点，因此可以安装在定盘上，将动盘作为被测面来测量磨盘间隙。

磨浆机运行前需设置好磨盘工作初始间隙，但由于正常工作时磨片一直处于研磨过程中，磨片表面遭到多种不同形式磨损，从而导致磨盘间隙一直在动态变化^[

8]。磨浆机在高温、高压、封闭的状态下进行研磨，使得磨盘间隙的准确测量难度较大^{[参考文献 9

百度学术}9]，若要保证磨盘间隙处于稳定状态，必须要对磨盘间隙进行实时测量，才能及时进行调整。

1 研究原理与理论依据

电涡流传感器根据电磁场的原理工作。当被测金属置于变化的磁场中时，会产生闭合的涡流。涡流会产生电磁场来阻碍原有磁场的变化，导致线圈阻抗（Z）发生变化。Z的变化与金属导体的几何形状、电导率、磁导率、电流角频率及线圈与被测金属导体之间的距离密切相关。对于平面金属导体，Z可用式(1)表示。

Z = F (μ, σ, r, x, t, I, w)

（1）

其中， $μ$ 为磁导率； $σ$ 为电导率； $r$ 为线圈半径； $x$ 为线圈与被测金属导体之间的距离； $t$ 为被测金属板厚度； $I$ 为线圈电流； $w$ 为电流角频率。当 $μ$ 、 $σ$ 、 $r$ 、 $t$ 、 $I$ 、 $w$ 保持不变时，Z可视为 $x$ 的单值函数。这样就构成了电涡流传感器，其中包括1个载流线圈和金属导体。金属导体在变化的磁场中形成涡流，存在集肤效应，被测导体不同厚度的电流密度与传感器线圈的激励电压和频率相关。

电涡流传感器工作原理图如图1所示。从图1可以看出，当电涡流传感器工作时，线圈中的高频电流I₁产生交变磁场H₁，使其消耗电能并产生热量，相当于一个由电阻和电感串联而成的初级电路。同样，被测金属表面产生感应电流，即电涡流I₂。电涡流产生新的交变磁场H₂，可以等同于由串联电阻和电感形成的二次电路。理想情况下，两者之间的耦合关系可以用变压器模型代替，等效电路如图2所示。

图1 电涡流传感器工作原理图

Fig. 1 Working principle diagram of eddy current sensor

图2 电涡流传感器等效电路模型

Fig. 2 Equivalent circuit model of eddy current sensor

根据基尔霍夫电压平衡方程，可列方程组如式(2)所示。

\{\begin{array}{l} R_{1} I_{1} + j ω L_{1} I_{1} - j ω M I_{2} = U_{1} \\ R_{2} I_{2} + j ω L_{2} I_{2} - j ω M I_{1} = 0 \end{array}

（2）

式中，R₁为感应线圈电阻；U₁为感应线圈电压；L₁为感应线圈电感；R₂为被测金属电阻；L₂为被测金属电感； $ω$ 为电流角频率；M为互感系数，与线圈和被测金属之间的间距x有关。

由此，可以推导出线圈的等效阻抗Z，如式(3)所示。

Z = R_{1} + \frac{ω^{2} M^{2} R_{2}}{R_{2}^{2} + ω^{2} L_{2}^{2}} + j ω (L_{1} - \frac{ω^{2} M^{2} L_{2}}{R_{2}^{2} + ω^{2} L_{2}^{2}})

（3）

感应线圈的等效电阻R_e和等效电感L_e计算如式(4)所示。

\{\begin{array}{l} R_{e} = R_{1} + \frac{ω^{2} M^{2} R_{2}}{R_{2}^{2} + ω^{2} L_{2}^{2}} \\ L_{e} = L_{1} - \frac{ω^{2} M^{2} L_{2}}{R_{2}^{2} + ω^{2} L_{2}^{2}} \end{array}

（4）

由式(3)可知，涡流效应使线圈R_e增大，L_e减小，从而使Z发生变化。因此Z的变化与w和x有关。

电涡流传感器可以实现在静态和非静态条件下对被测金属的非接触测量，且其具有线性范围宽、分辨率高、灵敏度高、有较强的抗干扰能力和不受介质影响等优点。因此，满足测量磨浆机磨盘间隙的基本条件。

根据相关研究成果^[

10]，平面型和齿盘型金属表面间隙测量用电涡流传感器拟合曲线的截距不同，但总体变化趋势相同。利用电涡流传感器可以测量高速旋转圆盘齿面间隙。

超声波测厚仪可根据超声波脉冲反射的原理测量厚度。探头发射的超声脉冲通过耦合剂在物体内传播到达材料界面时，部分超声脉冲被反射回来，探头接收被测物体界面反射回来的回波。通过精确测量超声波在物体中的传播时间来确定被测物体的厚度^[

11]。这一原理可用于测量超声波以恒定速度在其内部传播的各种物体，其原理图如图3所示。从图3可以看出，换能器将收到的脉冲信号放大发射至示波器的垂直偏转板上，标记发生器也发出一定时间间隔的脉冲信号至示波器的垂直偏转板上，而扫描电压发射至水平偏转板上。在示波器的荧光屏上能够观察到发射脉冲以及接受脉冲信号，根据横轴上的标记信号能够得出从脉冲发射到脉冲接收的时间间隔t，则被测物体的厚度（g）可用式(5)计算。

g = \frac{v t}{2}

（5）

式中，v为材料声速，t为超声波在试件中往返1次的传播时间。

图3 超声波测厚原理图

Fig. 3 Schematic diagram of ultrasonic thickness measurement

2 研究器材与研究方法

2.1　研究器材

SE ϕ12电涡流传感器线圈；超声波测厚仪；数显式万用表；CAK6136V/750数控车床；齿盘试件（按照磨浆机齿型结构和尺寸加工ϕ95 cm×14 cm）。

2.2　研究方法

2.2.1　电涡流传感器齿盘边界特性研究方法

电涡流传感器与齿盘边界安装示意图如图4所示。从图4可以看出，电涡流传感器在定磨盘上的径向安装位置应处于磨盘的研磨区，因研磨区是纤维质量出口的把关区，其磨齿分布均匀，所有磨齿的表面均在一个平面上。在结构允许的情况下，电涡流传感器应尽量在靠近齿盘的边缘处安装，因为磨盘边缘线速度较高，浆料纤维的分丝帚化效果较好。但需要考虑电涡流传感器所受磨盘边缘效应的影响。

图4 电涡流传感器与齿盘边界安装示意图

Fig. 4 Installation diagram of eddy current sensor and tooth disk boundary

将电涡流传感器与齿盘试件安装于数控车床上，调整齿盘转速并保持在磨浆机正常工作时的线速度范围内。在齿盘与电涡流传感器探头处于不同距离的情况下，控制车床使电涡流传感器平行于齿盘试件表面移动，测量并记录电涡流传感器探头在不同位置时的输出特性。

2.2.2　变转速下电涡流传感器输出特性研究方法

将电涡流传感器与齿盘试件安装于数控车床上，调整齿盘试件在不同转速下并保持不变，测量其表面与电涡流传感器探头不同距离时，电涡流传感器输出电压变化。

2.2.3　电涡流传感器输出特性研究方法

确定电涡流传感器在磨盘边界的最佳安装距离后，在齿盘试件定磨盘周边安装2个处于相同圆周上的探头（以磨盘中心为圆心，相隔120°），在齿盘和电涡流传感器探头不同距离的情况下分静态（动盘不转）和动态（动盘空转），分别测量电涡流传感器的输出特性。

2.2.4　电涡流传感器最佳响应特性曲线拟合方程

将不同磨盘间隙下电涡流传感器对应的输出电压用最小二乘法进行线性回归。

3 结果与分析

3.1　电涡流传感器在齿盘边界输出特性研究

根据实验数据得出在电涡流传感器探头端面与盘面不同距离a下，控制车床，使电涡流传感器探头径向外边缘平行于齿面试件表面径向周边缘，径向距离h和电涡流传感器输出电压U之间的关系如图5所示。

图5 径向距离与输出电压关系

Fig. 5 Relationship of radial distance and output voltage

从图5可以看出，对于有齿端面，电涡流传感器探头径向外端面与磨盘径向距离h相同时，不同距离a下的电涡流传感器输出电压不同，且a越大，输出电压越大。但在h不同时，相同a下的电涡流传感器输出电压总体变化趋势一致，且h在0~2 mm时，电涡流传感器输出电压变化缓慢，h>2 mm时电涡流传感器输出电压基本保持不变。

由此可以得出，电涡流传感器的输出电压与其探头在磨盘周边的安装距离与齿形无关；与电涡流传感器探头端面与盘面距离a无关；电涡流传感器探头径向外端面与磨盘径向周边缘安装距离h应大于2 mm，但不能超出磨盘研磨区，否则不能准确反映出磨浆机研磨区之间的磨盘间隙。

3.2　变转速下电涡流传感器输出特性研究

通常磨浆机正常工作时，周边研磨区的线速度为1200~3000 m/min。本课题探究齿盘试件在不同转速和不同间隙下电涡流传感器输出电压的变化。结果表明，当齿盘试件外缘线速度小于360 m/min时，电涡流传感器的输出电压值在±0.02 V内波动；当齿盘试件外缘线速度大于360 m/min时，电涡流传感器的输出电压显示稳定，且外缘线速度越高，输出电压越稳定。这表明电涡流传感器完全可用于磨浆机磨盘间隙的在线测量。

3.3　电涡流传感器响应特性研究

3.3.1　静态（动盘不转）电涡流传感器输出特性

模拟研究表明，电涡流传感器探头轴向端面与齿面之间的距离大于0.8 mm时进入线性范围^[

8]。为保护电涡流传感器探头，将2个电涡流传感器探头端面在距离齿面2 mm的位置处安装。在动盘不转的情况下，电涡流传感器的输出特性如图6所示。

图6 静态下电涡流传感器的输出特性

Fig. 6 Output characteristics of eddy current sensor under static conditions

从图6可以看出，2个电涡流传感器输出特性变化总体趋于一致；进、退盘操作对电涡流传感器输出电压基本无影响；在实际磨浆机磨盘间隙正常工作范围内线性度良好。

3.3.2　动态（动盘空转）电涡流传感器输出特性

在动盘空转的情况下，电涡流传感器的输出特性如图7所示。从图7可以看出，2个电涡流传感器输出电压变化总体趋于一致；进、退盘操作对电涡流传感器输出电压基本无影响；在实际磨浆机磨盘间隙正常工作范围内线性度好。

图7 动态下电涡流传感器的输出特性

Fig. 7 Output characteristics of eddy current sensor under dynamic conditions

3.3.3　静、动态电涡流传感器响应特性比较

在静、动态下，电涡流传感器的输出特性如图8和图9所示。从图8和图9可以看出，2个电涡流传感器输出电压变化总体趋于一致；进、退盘操作对传感器输出电压基本无影响；在实际磨浆机磨盘间隙正常工作范围内线性度良好。

图8 静、动态下电涡流传感器1的输出特性

Fig. 8 Output characteristics of eddy current sensor 1 under static and dynamic conditions

图9 静、动态下电涡流传感器2的输出特性

Fig. 9 Output characteristics of eddy current sensor 2 under static and dynamic conditions

3.4　有浆实验电涡流传感器的响应特性

电导率和磁导率是被测介质影响电涡流传感器的主要因素，电导率与磁导率越高时，涡流效应越明显，对电涡流传感器的输出特性影响越大。磨浆机工作时，磨盘之间的介质为各种不同浓度的浆料纤维。

将樟子松、水曲柳、毛竹等不同材种的浆料放置到电涡流传感器探头与被测金属板之间，稳定一段时间后测量电涡流传感器的输出电压。研究发现，几种浆料在绝干的条件下，对电涡流传感器的输出电压无任何影响；在含水率20%~100%的情况下，均能引起输出电压的微小下降，且含水率越高，输出电压下降越大，但总体变化极其微小，可忽略不计。

3.5　电涡流传感器最佳特性拟合曲线方程

根据电涡流传感器的实验参数，采用最小二乘法进行线性回归，得最佳特性曲线拟合方程如式(6)所示。

U = 0.652394 x + 1.726579

（6）

式中，U为电涡流传感器输出电压，x为定磨盘与动磨盘之间的磨盘间隙。相关系数R²为0.995，线性度较高，表明电涡流传感器能够实现实时、在线磨盘间隙测量。

3.6　磨浆机磨盘间隙算法优化

本课题基于电涡流传感器和超声波测厚仪结合的方法对磨浆机磨盘间隙的在线测量进行了进一步探讨。因为磨浆机正常工作时，动、静磨盘齿面被不断磨损，造成齿面不断变矮。为保护电涡流传感器的探头不会随着齿面被磨损，在安装传感器时，将2个电涡流传感器探头端面在定磨盘齿面的基础上向内缩进2 mm。因磨浆机研磨区在高温、高压环境中工作，需在其探头表面添加非金属、硬度高、耐高温的保护性材料。将超声波测厚仪安装于定磨片的背面，测量其工作过程中的实时厚度变化。将2个电涡流传感器与超声波测厚仪安装在定磨盘边缘位置且处于相同圆周上，呈等边三角形排列，如图10所示。

图10 电涡流传感器和超声波测厚仪安装示意图

Fig. 10 Installation diagram of eddy current sensor and ultrasonic thickness gauge

因为磨浆机的动磨片和定磨片的齿面结构、材料和安装位置等均一致和对称，假设磨浆机正常磨浆过程中，2个磨片基本处于相同磨损状态下，故磨片磨损造成磨浆机磨盘间隙的增加应为磨盘磨损量的2倍。在人为调整好初始磨盘间隙后，当因外部需求需要执行进、退盘操作时，磨盘间隙的变化量应为电涡流传感器探头端面到动磨盘齿面距离变化量的1倍。所以，磨浆机磨盘间隙计算如式(7)和式(8)所示。

x_{1} = a_{0} + \frac{2 |U| - |U_{01}| - |U_{02}|}{b}

（7）

x_{2} = a_{0} + \frac{2 |U| - |U_{01}| - |U_{02}|}{2 b}

（8）

式中，x₁为磨浆机正常磨浆时的磨盘动态间隙，mm；x₂为磨浆机进、退盘时的磨盘动态间隙，mm；a₀为磨浆机磨盘的初始间隙，mm；U为2个电涡流传感器输出电压的均值，V；U₀₁、U₀₂为电涡流传感器1和2在磨浆机运行前初始间隙时的输出电压，V；b为传感器的灵敏度，V/mm。

以固定磨浆机定磨片的背面作为测量基准，如图11所示。2个磨片之间的距离计算如式(9)所示。

图11 超声波测厚仪测量磨盘间隙的原理

Fig. 11 Principle of ultrasonic thickness gauge to measure the disc clearance

e = \frac{c + d}{2} - y

（9）

式中，e为动、定磨片齿面之间的距离，mm；d为2个电涡流传感器探头到动磨片齿面距离之和，mm；c为2个电涡流传感器探头端面到定磨片背面距离之和，mm；y为超声波测厚仪测量定磨片磨损后的厚度，mm。

综上所述，磨浆机正常磨浆时的磨盘间隙值（x₃）计算如式(10)所示。

x_{3} = \frac{x_{1} + e}{2} = \frac{2 a_{0} - 2 y + c + d}{4} + \frac{2 |U| - |U_{01}| - |U_{02}|}{2 b}

（10）

进、退盘时磨浆机磨盘间隙值（x₄）计算如式(11)所示。

x_{4} = \frac{x_{2} + e}{2} = \frac{2 a_{0} - 2 y + c + d}{4} + \frac{2 |U| - |U_{01}| - |U_{02}|}{4 b}

（11）

4 结论

4.1 电涡流传感器应尽量安装在靠近磨浆机齿盘边缘，但需要考虑磨盘周边输出特性变化的影响。电涡流传感器探头在磨盘周边的安装距离与齿形无关，与电涡流传感器探头端面与盘面距离无关；电涡流传感器探头径向外端面与磨盘径向周边缘距离应大于2 mm，但不能超出磨盘研磨区。

4.2 当齿盘试件外缘线速度小于360 m/min时，电涡流传感器的电压值在±0.02 V内波动；当齿盘试件外缘线速度大于360 m/min时，电涡流传感器的电压显示稳定，且转速越高，电压越稳定。

4.3 电涡流传感器测量磨盘间隙时静、动态输出特性变化总体趋于一致；进、退盘操作对电涡流传感器输出结果基本无影响；在实际磨浆机磨盘间隙正常工作范围内线性度较好。

4.4 电涡流传感器测量磨盘间隙时不受浆料类别和浓度的影响。

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CPP [百度学术]

盘磨机磨盘间隙在线测量技术研究

摘要

关键词

1 研究原理与理论依据

2 研究器材与研究方法

2.1 研究器材

2.2 研究方法

3 结果与分析

3.1 电涡流传感器在齿盘边界输出特性研究

3.2 变转速下电涡流传感器输出特性研究

3.3 电涡流传感器响应特性研究

3.4 有浆实验电涡流传感器的响应特性

3.5 电涡流传感器最佳特性拟合曲线方程

3.6 磨浆机磨盘间隙算法优化