激光三维扫描技术在立式搅拌磨螺旋衬板上的应用

王铭浩，李华伟，冯浩源，姚 坤，王茂华，梁霖浩

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

立式搅拌磨是一种湿法矿用磨机，主要用于金属、非金属原材料的超细粉磨，具有磨矿效率高、能耗低、噪声小等显著优点，其最核心的部件是螺旋搅拌器。螺旋搅拌器经减速机驱动缓慢旋转，磨矿介质和物料在筒体内做整体的多维循环运动和自转运动，物料在磨矿介质压力和螺旋回转产生的挤压力下，利用摩擦、少量的冲击挤压和剪切被有效地粉磨[1]。

螺旋衬板普遍选用高铬铸铁材质 (表面硬度HRC≥60)，其外部形状由斜面通过螺旋扫掠而成，由于其结构异形、材质特殊，通常采用型腔铸造工艺研制。衬板的螺旋升角、外径、截面形状，都将直接影响整个设备的磨矿效率和节能效果。通过调研国内各大矿山的设备运行情况发现，立式搅拌磨运行 6～8 个月后，螺旋衬板的外形轮廓会产生局部不规则磨损，进而改变螺旋升角、螺旋直径。螺旋升角直接影响介质运动规律，确定的原则是介质径向速度和切向速度的比例分配。严重磨损后的螺旋衬板，提升角度、旋转扫掠面积无法维持，其对物料和研磨介质的螺旋提升作用显著降低，进而直接减少有效输出功率和磨矿效率。立式搅拌磨设备运转率可达 98%，但是为监控螺旋衬板的磨损情况，避免异常停机造成严重事故和经济损失，现场每年至少需定期停机检修 2次，耗时 1 周以上。进入磨内观察时，对于异形且不规则磨损的衬板，只能使用尺规进行局部厚度测量，无法定量分析和预测衬板使用寿命。如果根据磨机运行功率变化以及使用经验推测，由于矿山生产线的产量波动、矿石性质变化的影响，结论的准确度也很难保证。

目前，矿山现场只能凭借设备运行经验，粗略估算衬板寿命并制定相应检修计划，缺乏准确量化的分析结论，设备的实际作业率至少降低 2%。针对现场不同工况，对衬板结构进行优化，提高设备作业率、磨矿效率已成为衬板领域亟需解决的问题。

采用激光三维扫描技术可对螺旋衬板开展全面直观、可量化的扫描测量，进行逆向建模对比分析，从而能准确预测衬板寿命，并为后续结构优化提供指导方向。笔者将着重介绍激光三维扫描技术的近景、远景 2 种实际应用方法，以及后期的数据处理方式，同时介绍多个现场的衬板实际使用磨损情况，提出优化设计方向。

1 激光三维扫描技术的近景实际应用

目前，激光三维扫描技术已经发展得非常成熟，是 20 世纪 90 年代中期开始出现的一项高新技术，是继 GPS 空间定位系统之后又一项测量分析技术新突破。该技术利用激光的测距原理，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图形数据，从而获得大量密集的目标对象数据点。因此在衬板磨损信息的采集上，相比于超声波测厚仪的单点测量，三维激光扫描技术将单点测量进化到了面测量，可以快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构、编辑、修改，生成通用输出格式的曲面数字化模型[2]。

以国内某大型矿山为例，应业主要求，对其立式搅拌磨的螺旋衬板进行激光三维扫描，研究其磨损区域和局部使用寿命，并提出优化方向，实现延长衬板寿命、提高经济效益的目的。实施激光三维扫描工作时，强光会影响扫描数据的准确度与质量，建议在阴暗的厂房内进行，如在室外则必须对扫描目标做遮光处理；要求在衬板正、反面易于观察位置贴上扫描辅助点，贴点密度约为 10 cm2/个，单块螺旋衬板的贴点活动耗时约 15 min。近景三维扫描时，使用三维激光摄像仪对螺旋衬板的外形进行整体扫描摄像，对螺旋衬板的整体轮廓尺寸进行较高精度的预扫描，减少后续扫描过程中产生的累计误差，如图1 所示。利用手持激光三维扫描仪贴近螺旋衬板，沿着贴好的扫描辅助点对螺旋衬板的正、反面分别进行扫描，扫描数据传输至电脑，如图2 所示。螺旋衬板的外形数据采集工作耗时约 30 min，具体可根据分辨率精度及测量范围进行调整。整个扫描测量过程无需使用尺规等测量工具，只需天车配合将衬板起吊、翻转。

图1 螺旋衬板整体摄像Fig.1 Overall photo of spiral liner

图2 螺旋衬板近景摄像Fig.2 Close-range photo of spiral liner

将扫描采集到的数据传入电脑，利用 Studio 软件处理，获得高精度的螺旋衬板几何轮廓原始数据，对原始数据进行降噪、删除杂点、对齐坐标系等操作。在 Design 软件上可以直接逆向三维建模，以扫描得到的螺旋衬板模型轴线、关键端点、螺栓孔为基准，绘制出近似的三维模型，如图3 所示。以扫描数据模型为基准，逐步调整绘制参数，逆向创建出实际衬板的精确尺寸模型，如图4 所示。

图3 螺旋衬板逆向三维建模Fig.3 Reverse 3D modeling of spiral liner

图4 逆向创建的实际衬板模型Fig.4 Actual liner model created in reverse

2 激光三维扫描技术的远景实际应用

对于单块螺旋衬板，可以对其进行近景三维激光扫描，整体测量分析耗时约 45 min。但是已经整体装配的螺旋搅拌器部件，要将单块衬板拆下专门对其进行近景扫描，整项工作耗时费力。且拆装单块衬板、贴辅助点、天车配合起吊等步骤效率低、耗时久，也会对矿山企业造成停产损失。

通过多个现场调研及实践验证，采用远景三维激光扫描，可有效快速地对螺旋搅拌器整体部件进行扫描测量分析。根据激光三维扫描仪的工作原理，单视角扫描得到的数据是片状、不完整的，因此需要扫描被测物体的所有可见面，对数据进行后台处理，拟合成连续的曲面。与球磨机相比，立式搅拌磨产品结构具有其特殊性，螺旋搅拌器位于筒体内部中心，外部单一视角无法同时观察所有面，因此要将其旋转来获得多视角扫描数据，将所有数据进行拟合，从而得到完整的三维扫描模型。

以国内某大型矿山为例，应业主要求，停机检修期间，对其螺旋搅拌器整体进行激光三维扫描。在螺旋搅拌器的特定位置放置 8 个标靶球体，使其与螺旋搅拌器同步旋转，作为多个视图的参考特征坐标点，辅助完成所有视图的拟合处理。具体放置时，需将 8个标靶球体靠磁性吸附在螺栓底部，如图5 所示，4个吸附在轴头螺栓上，另 4 个吸附在衬板螺栓上。若此前已有扫描好相同型号的现场数据，在放置标靶球体时，尽量与上一次测量的放置方式一致，这样方便后续模型进行特征对齐、比较。

图5 螺旋搅拌器远景扫描Fig.5 Long range scanning of spiral agitator

根据现场多次实践经验，选择激光扫描仪的最佳观察位置为正对基础距离 6 m 处。利用扫描仪内部自带的支架平衡装置和平衡仪调整至水平位置，根据观测距离设置最佳分辨率、扫描范围、扫描角度等参数，开启扫描仪进行数据扫描和采集工作，单视角数据采集过程耗时约 20 min。第一视角的扫描活动完成后，盘动高速轴联轴器，使螺旋搅拌器转动 45°，进行第 2 次扫描。整个过程共需扫描 8 组数据，耗时约3 h。

单个视角扫描得到的原始点云数据如图6 所示。由于扫描到厂房、筒体、杂物等无关元素，可观察到结果中包含冗余数据，存在较多噪点。利用后处理软件 Geomagic 可对数据进行降噪、取样、删除体外孤点等处理，过滤掉冗余点。经过初步数据处理，可得到点云模型，采集的数据点密集、精度高，如图7 所示。可以观察到，单视角由于观察范围有限，点云模型呈现非连续、片状。单视角模型上有 5～7 个明显可见的标靶球体，扫描过程中相邻的两个视角点云模型必然有至少 3 个共同坐标的标靶球体，利用共有标靶球体特征可将两视角点云模型拟合为一体。逐步将所有视角的点云数据模型拟合成为一个多视角的整体三维点云模型，如图8 所示。

图6 测量得到的原始点云数据Fig.6 Primary point cloud data obtained from measurement

图7 处理后的片状点云数据Fig.7 Flake point cloud data after processing

图8 整合后的整体点云数据Fig.8 Overall point cloud data after integration

利用后处理软件 Geomagic 可对点云模型进行特定位置截面分析，测量所需的衬板局部厚度、衬板直径、螺旋升角等关键数据，如图9 所示。由图9 可以看出，螺旋衬板外径数据约为 3 200 mm，中层衬板厚度数据约为 210 mm。以此为例，得到能够反映出衬板磨损规律的量化结果，最终建立衬板损耗模型，预测衬板寿命，并制定契合用户需求的衬板优化方案。

图9 衬板点云截面分析Fig.9 Cross section analysis of point cloud for liner

3 螺旋衬板磨损分析的实际应用

受智利某大型铜矿选厂委托，对其现场的螺旋衬板磨损情况进行分析。现场根据运行电流、处理量变化，初步判断螺旋衬板已经严重磨损。现场按计划停机检修，由于螺旋衬板的轮廓异形且存在不规则磨损，局部损耗程度无法量化，难以准确预测螺旋衬板的实际使用寿命。该现场使用激光三维扫描仪，对螺旋搅拌器进行远景扫描，得到了单个视角的点云数据，如图10、11 所示。委托专业机构利用 Geomagic软件进行数据处理，并合理预测衬板的实际寿命，提出优化建议。

图10 底层衬板尖端处点云截面分析Fig.10 Cross section analysis of point cloud at tip of bottom liner

图11 底层衬板直径点云截面分析Fig.11 Cross section analysis of point cloud of diameter of bottom liner

由图10、11 可以看出，最底层衬板圆弧磨损面的尖点距离铸造吊耳的定位尺寸为x方向 264 mm 和y方向 361 mm，衬板磨损后的外径为 1 284 mm (衬板自身测量尺寸为 1 054 mm，已知轴半径为 230 mm)。以此为例，得到更多的外形定位点位置，可以拟合分析出当前衬板的外形轮廓曲线。

根据以上方案，对底层螺旋衬板的磨损进行分析，提取衬板的磨损曲线，与初始设计的衬板曲线进行对比，可以分析出螺旋衬板的磨损趋势与极限位置。根据扫描信息，拟合分析得到当前衬板尖端及直径轮廓曲线，如图12 所示。由图12 可以看出，底层衬板尖端、直径均已磨损严重，与托板间的最小剩余量仅为 62 mm，并且托板尖点已经被局部磨损，必须立即更换。

图12 衬板尖端磨损前后对比Fig.12 Comparison of liner tip before and after wear

对顶层螺旋衬板的磨损进行分析，如图13 所示。利用 Geomagic 软件在点云模型中测量，顶层螺旋衬板当前厚度为 196 mm，与衬板原始厚度 200 mm相比，磨损率仅为 2.5%。推测原因为：研磨介质的有效运行高度无法到达顶层衬板，仅由物料对衬板造成的磨损很小。虽然激光三维扫描技术的应用给用户衬板优化和生产组织带来了很大便利，但是这项技术本身仍存在一定的局限性，特别是测量精度有限，导致该技术在衬板磨损的测量分析上还比较粗糙，其有效性还依赖于衬板大的磨损量对误差的高容忍度[3]。

图13 顶层衬板点云Fig.13 Point cloud of top liner

基于以上信息，对该矿山现场螺旋衬板的寿命作出以下推论：底层螺旋衬板直径磨损严重，不具备提升物料和研磨介质的能力，必须立即更换；底层螺旋衬板尖端部分已经磨损为近乎圆形，表明尖端处受磨损最严重，后续应对此处进行局部加厚设计；根据分析结果，对底层螺旋衬板进行变螺距加厚设计，能够有效增加受损部位的有用金属，延长底层螺旋衬板的使用寿命，提升矿山经济效益。

在螺旋运动过程中，叶片上的介质球既因摩擦产生自转运动，又因螺旋推动沿圆周做公转运动，公转运动使介质球产生离心力，且沿径向不同半径处介质球的线速度不同，于是产生径向的离心磨矿作用[4]。筒体内的环形内腔是磨内重要的有效磨矿区域，衬板边缘的介质线速度最大，与筒体内壁静止的介质之间形成梯次速度差，进而起到磨矿作用。衬板边缘与筒体内壁的间距约为 20 倍的介质直径。通过对螺旋衬板的磨损情况分析，当螺旋衬板半径受磨损减小，引起衬板边缘与筒体内壁的间距增大，介质最大线速度区域向轴方向偏移，对外侧介质的带动能力下降，进而导致离心磨矿效果减弱。

4 结语

利用激光三维扫描技术，能够实现立式搅拌磨螺旋衬板的快速、准确扫描测量，并可对磨损情况进行定量分析。根据单块、多块装配一体的不同情况，可分别采用近景、远景 2 种方式进行激光三维扫描，并对点云数据进行后续拟合处理、逆向建模对比分析，进而对衬板磨损情况进行准确的量化分析。该方法不仅可以探索螺旋衬板的局部磨损速率、轮廓变化趋势，准确推测现有衬板的使用寿命，合理规划更换、维护周期，还能同步进行局部结构优化设计，进一步提高磨机运转率，强化立式搅拌磨高效节能的设备优点，最终降低矿山综合运维成本。