大型回轉(zhuǎn)窯力學(xué)性能分析及軸線檢測(cè)系統(tǒng)研究

馬家威等

摘要：本文對(duì)回轉(zhuǎn)窯的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并介紹一種基于攝像頭采集數(shù)據(jù)的軸線檢測(cè)系統(tǒng)。利用連續(xù)梁理論和筒體理論，結(jié)合位移函數(shù)和邊界條件理論分析了筒體和支承系統(tǒng)的受力，并進(jìn)行有限元分析各部分受力，得到了各部分應(yīng)力分布。同時(shí)介紹了攝像頭采集軸線水平和垂直偏差的原理，通過數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊發(fā)送到上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示，整套系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室模擬效果較好。本系統(tǒng)安裝便捷、成本低，可在大型檢測(cè)中得到推廣。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯 有限元分析 應(yīng)力分布 攝像頭 檢測(cè)系統(tǒng)

引言

回轉(zhuǎn)窯屬于大型加工工業(yè)設(shè)備，由筒體、支承系統(tǒng)組成?；剞D(zhuǎn)窯的運(yùn)動(dòng)條件有限制，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)需要較大的強(qiáng)度 和剛度，筒體表面的應(yīng)力高達(dá)幾十兆帕[1]，在支承部位，接觸面積小，載荷集中，壓強(qiáng)極高，很容易變形。回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)力強(qiáng)度可按照材料力學(xué)連續(xù)梁的理論[2]，抽象出較簡(jiǎn)單的模型，還需要考慮許多的復(fù)雜的受力負(fù)載過程。回轉(zhuǎn)窯力學(xué)分析很重要，各檔位受力優(yōu)化限制很有意義。

大型回轉(zhuǎn)窯軸線檢測(cè)有很多方法，回轉(zhuǎn)窯的動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)分析軸線變化、筒體位置變化尤為重要。較為成熟的檢測(cè)方法有非接觸測(cè)量法、李學(xué)軍等人提出的時(shí)域分析法[3]、 方向鍵法[4]，武漢工業(yè)大學(xué)張?jiān)瓢l(fā)明了了一種 “ ”測(cè)量系統(tǒng)[5]，提高了軸線檢測(cè)的精度，并在企業(yè)得到了推廣。這些檢測(cè)方法受到制造安裝等方面的限制，存在一定的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]分析了軸線的優(yōu)化指標(biāo)，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)窯橢圓度的測(cè)量裝置，文獻(xiàn)[8]研究了筒體軸向的彎曲變形和筒體的表面圓柱變形等問題，分別從不同的角度對(duì)回轉(zhuǎn)窯的安全指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。本文基于回轉(zhuǎn)窯力學(xué)性能分析，采用攝像頭作為檢測(cè)傳感器，并在實(shí)驗(yàn)室模擬檢測(cè)，收到一定的效果，檢測(cè)方法可以推廣。

1.回轉(zhuǎn)窯力學(xué)性能分析

回轉(zhuǎn)窯包括筒體和支承系統(tǒng)，筒體長(zhǎng)徑比較大，可抽象為連續(xù)梁模型。在考慮變形的情況下，筒體可視為環(huán)形變截面的超靜定梁來計(jì)算載荷?；剞D(zhuǎn)窯的支承系統(tǒng)主要通過多個(gè)檔位的托輪及輪帶，支承系統(tǒng)的受力壓強(qiáng)等量受到接觸面積的影響，在與筒體接觸的地方載荷較大，筒體損壞較為嚴(yán)重。

1.3.2有限元模型建立

利用有限元分析，求解各部分受力情況。

首先對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，利用不同的劃分方法來劃分筒體軸向和輪帶軸向，劃分為若干區(qū)域。在支承部位存在較高的集中力，網(wǎng)格加密處理，主要包括兩托輪與筒體接觸部分和物料與筒體接觸部分。

其次需要施加邊界約束?；剞D(zhuǎn)窯的窯頭和窯尾可看做自由邊界，根據(jù)接觸區(qū)半寬計(jì)算公式，在輪帶與托輪的接觸區(qū)施加徑向約束；輪帶與擋輪接觸區(qū)施加垂直于接觸面方向的約束；約束環(huán)向剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，在筒體部分表面施加環(huán)向約束，遠(yuǎn)離出料口端部表面。

最后施加載荷。根據(jù)1.1-1.3節(jié)的分析知，回轉(zhuǎn)窯的載荷可分為三類。第一，回轉(zhuǎn)窯筒體、物料、耐火磚等重力；第二，大齒圈作為動(dòng)力來源，提供一定的轉(zhuǎn)矩載荷；第三，摩擦阻力載荷，主要包括各檔位的摩擦阻力，施加到模型，并保證模型處于平衡狀態(tài)。

2.回轉(zhuǎn)窯軸線檢測(cè)系統(tǒng)

這里開發(fā)一種基于攝像頭循跡的軸線檢測(cè)系統(tǒng)，能夠克服安裝難，成本高等問題，在一定的精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)效果較好。

2.1攝像頭檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)

2.1.1實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)

無損檢測(cè)是在不損壞或不影響被測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，利用物理性質(zhì)，如光照、電磁等對(duì)零件、設(shè)備等進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。隨著工業(yè)和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)將成為檢測(cè)系統(tǒng)的主要檢測(cè)方式。攝像頭作傳感器的檢測(cè)可看做是利用光線采集數(shù)據(jù)，目前發(fā)展較快的利用光線的技術(shù)是射線檢測(cè)。

2.1.2檢測(cè)范圍廣、效率高

攝像頭作為采集數(shù)據(jù)裝置，憑借其較大的視野可以檢測(cè)到更多的數(shù)據(jù)，雖然存在死角，但對(duì)于需要檢測(cè)的水平和垂直直線度來說已經(jīng)足夠了。另外相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)，無需安裝其余形式的傳感器，這大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

在窯的一周上粘貼感應(yīng)條，材料具有一定的塑性，顏色為黑色和白色，黑色為小塊。攝像頭檢測(cè)的影響為圖4下部的影像，根據(jù)檢測(cè)邊界可確定y方向的中心線，即L/2的位置。若筒體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 ，攝像頭固定部分距理想筒體最高點(diǎn)為 ，則轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，黑點(diǎn)從3位置轉(zhuǎn)到2位置的時(shí)間通過計(jì)數(shù)可以得到聯(lián)立上式可求得 偏移量 和邊緣點(diǎn)的曲率半徑 ，由此便確定了該檔位處的回轉(zhuǎn)中心。

整個(gè)筒體的檢測(cè)原理主要是尋找感應(yīng)條的位置，則感應(yīng)條所在截面的回轉(zhuǎn)中心可根據(jù)上面求單個(gè)截面的原理計(jì)算。筒體感應(yīng)條的位置可排布在各個(gè)檔位或等距排布，攝像頭可視范圍可視作正態(tài)分布，如圖2（b）右下角圖所示，所以感應(yīng)條位置確定，便確定了各個(gè)感應(yīng)條的回轉(zhuǎn)中心，而各回轉(zhuǎn)中心的連線即是筒體的回轉(zhuǎn)軸。

2.3系統(tǒng)構(gòu)成及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室模擬回轉(zhuǎn)窯的軸線檢測(cè)，硬件系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集部分的攝像頭，數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等，具體包括 芯片一塊、串口通訊設(shè)備、 發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)顯示模塊等。筒體有兩種，圓柱和橢圓筒。直圓柱半徑50cm，長(zhǎng)1000cm，橢圓柱長(zhǎng)軸長(zhǎng)60cm，半長(zhǎng)軸40cm，長(zhǎng)1000cm。實(shí)驗(yàn)室模擬的目的是保證在相同的情況下，正圓柱與橢圓柱軸線重合情況，取樣時(shí)間為4小時(shí)，一小時(shí)為一間隔，取平均值。根據(jù)檢測(cè)原理，系統(tǒng)需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理，并通過上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示。由原理知檢測(cè)感應(yīng)條移動(dòng)時(shí)間、間距等，計(jì)算偏移位置和偏移量，發(fā)送到上位機(jī)顯示。多次連續(xù)采樣后即實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)處理與動(dòng)態(tài)顯示。3.總結(jié)

大型回轉(zhuǎn)窯是水泥、冶金等加工工藝的重要裝備，回轉(zhuǎn)窯的受力和軸線變化受到廣泛關(guān)注。本文對(duì)回轉(zhuǎn)窯受力進(jìn)行理論分析，利用筒體理論等知識(shí)，并作合理假設(shè)，利用Pro/E進(jìn)行有限元分析。對(duì)于軸線檢測(cè)，本文采用攝像頭采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理并發(fā)送到上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示，設(shè)計(jì)了一整套收集-處理-顯示的系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室搭建的模擬筒體上進(jìn)行試驗(yàn)，采集了一些數(shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了軸線的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

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5. 作者簡(jiǎn)介

馬家威，男，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等方面的研究。