回轉窯筒體故障檢測方法研究

彭 巧，張 云

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

回轉窯在水泥工業(yè)中占有重要的地位，它主要由筒體、支承部件、傳動部件等組成，其中支承部件是回轉窯設備的核心部件，它主要由托輪和輪帶組成，承擔了回轉窯整體的重量。目前，水泥回轉窯大多為三檔托輪支承，各托輪的均勻受力是回轉窯長期穩(wěn)定運轉的必要條件?；剞D窯長期在高溫、重載、多塵的惡劣環(huán)境下運轉，由于筒體內部窯皮厚度分布不均、物料的雪球效應等諸多復雜因素的影響，會使筒體圓周環(huán)向溫度分布不均而造成筒體其熱彎曲變形[1]，特別是在支承處附近的筒體熱彎曲，會對托輪產(chǎn)生循環(huán)沖擊載荷，若此情況長期持續(xù)，會造成左右托輪不均勻的異常磨損，引起托輪撓度的異常變化。另外，若托輪調整不當，也會導致筒體中心點的偏移[2]，加劇左右托輪的受力不均。若不能及早發(fā)現(xiàn)并及時排除，可能造成托輪軸瓦燒瓦的停窯事故。

目前在國內外主要有設在武漢理工大學的建材行業(yè)回轉窯檢測技術中心、丹麥FLS公司、德國POLYSIUS公司等極少數(shù)單位，能夠對整個回轉窯（30～40）個筒體截面進行外輪廓激光測距，并且通過專業(yè)軟件計算處理窯體截面幾何中心與旋轉中心的偏心[3]。該橫截面激光測距法只能夠作在線檢測，計算得出窯體偏心值，并不能直接給出左、右托輪徑向受力狀況。因此，提出通過測量托輪撓度變化信號，經(jīng)過對其頻譜分析處理來反映筒體故障情況的檢測方法，該方法可以同時反映出筒體彎曲和中心點在水平面的偏移狀況。

2 筒體故障對托輪撓度影響分析

回轉窯筒體的故障類型主要有彎曲變形產(chǎn)生的偏心和筒體中心點在水平面的偏移，如圖1所示。當筒體發(fā)生彎曲產(chǎn)生偏心時，筒體的旋轉中心仍位于窯體的理想軸線上，但與幾何中心不重合，托輪受到循環(huán)沖擊載荷，引起托輪撓度的周期性變化[4]；當筒體無彎曲即其旋轉中心與幾何中心重合，而筒體的中心點發(fā)生水平偏移即偏離窯的理想軸線時，被偏離側托輪受力將會增大[5]，從而導致托輪自身撓度值增大，同時使托輪自身偏心值增大。

為進一步分析筒體對托輪撓度的影響，以單個托輪為對象，對其受力進行定性分析，其受力情況，如圖2所示。

X軸方向為筒體和托輪中心連線，托輪在該方向受力為：

式中：M—該檔處筒體的等效質量；ω1—筒體的旋轉角速度。將托輪視為簡支梁，根據(jù)撓度計算公式，有：

式中：l—托輪支點間的等效長度；EI—抗彎剛度。

托輪軸在長期受力下會發(fā)生一定的彎曲變形，產(chǎn)生偏心，且受力越大，偏心越大，設托輪自身偏心為δ，則其偏心引起的撓度為s2=δcosω2t，則電渦流測得的撓度變化值為：

根據(jù)表達式（1）～式（4）可知，托輪的撓度變化信號中含有筒體的諧波（Kiln Harmonic，KH）成分和托輪自身的諧波（Roller Harmonic，RH）成分。

圖2 托輪受力分析Fig.2 The Force Analysis of the Roller

當筒體截面僅發(fā)生偏心時，左右托輪撓度信號中的KH和RH幅值相等，相位差為60°，且其偏心量e越大，KH的幅值越大。當筒體截面僅中心點發(fā)生偏移時，被偏移側的等效質量M增大，KH的幅值也增大，同時，被偏移側托輪的靜載荷F靜增大，導致托輪的偏心δ增大，托輪撓度信號中的RH幅值也增大，如圖3所示。因此，KH幅值的大小可以反映筒體偏心值的大小，即筒體彎曲程度；RH幅值的大小可以反映托輪偏心值的大小，即托輪的徑向受力大小，反映筒體在水平面的偏移程度。

圖3 筒體故障下托輪撓度變化Fig.3 The Deflection of Roller Under the Fault of Cylinder

3 托輪撓度信號的測量與分析

3.1 撓度測量方法介紹

該方法主要是測量支承托輪的撓度信號，位移變化量較小，因此選擇高精度的電渦流位移傳感器，（4～20）mA電流輸出，經(jīng)過信號調理后，通過數(shù)據(jù)采集設備傳送至上位機的測量軟件進行處理，通過快速傅里葉變換（FFT）得到其頻譜圖，整個測量示意圖和實物圖，如圖4所示。

圖4 托輪撓度測量Fig.4 The Deflection Measurement of Roller

3.2 撓度信號分析結果

以廣東省某水泥公司一條5000t/d回轉窯為對象，通過電渦流傳感器對其6個支承托輪的撓度變化信號進行了采集并進行快速傅里葉變換（FFT）處理，采集頻率為100Hz，回轉窯旋轉周期為15.8s，則筒體諧波（kH）的頻率為0.063Hz，一檔和三檔的托輪諧波（RH）的頻率為0.187Hz，二檔托輪直徑較大，其諧波頻率為0.165Hz，使用功率譜密度（PSD）作為衡量諧波幅值大小的參數(shù)，以下為各個托輪撓度的原始信號和對應頻譜圖。

圖5 1檔左、右托輪撓度原始信號與頻譜圖Fig.5 The Original Signal and Spectrum Diagram of Rollers Deflection in the 1st Station

圖6 2檔左、右托輪撓度原始信號與頻譜圖Fig.6 The Original Signal and Spectrum Diagram of Roller Deflection in the 2nd Station

圖7 3檔左、右托輪撓度原始信號與頻譜圖Fig.7 The Original Signal and Spectrum Diagram of Roller Deflection in the 3th Station

圖8 各檔KH和RH的PSD值對比圖Fig.8 The Contrast Diagram of the PSD Value of the KH and RH

將各托輪諧波的PSD值整理柱狀圖，如圖8所示。從圖可知：

（1）通過KH諧波可得出，該回轉窯每檔處筒體截面都存在一定的偏心，一檔和二檔的PSD值較高于三檔，說明前兩檔筒體截面存在較大彎曲變形。

（2）通過RH諧波可得出，一檔左側托輪受力較大，二檔右側托輪受力較大，三檔左側托輪受力較大。

4 方法有效性驗證

4.1 彎曲偏心驗證

國內回轉窯筒體的彎曲測量主要為激光測量法[3]，測量原理與方法，如圖9所示。將激光測距儀對準筒體截面的中心，由霍爾開關控制儀器對筒體外輪廓作窯完整一周的掃描，測量信號通過采集卡傳至上位機，最后由軟件系統(tǒng)進行最小二乘圓法擬合，從而得出筒體的偏心值，掃描測量曲線和極坐標，如圖10所示。

圖9 激光測距方法與設備Fig.9 The Method and Equipment Laser Measurement

圖10 筒體截面偏心情況Fig.10 Eccentricity of Cylinder Sections

從表1顯示各檔的偏心值計算結果可知，一檔和二檔的筒體截面偏心較大，三檔偏心較小。

表1 各檔支承處筒體截面偏心值Tab.1 Eccentric Value of Cylinder Sections

4.2 中心點偏移驗證

目前國內對筒體支承處截面中心點測量方法主要是武漢理工大學的發(fā)明專利空間坐標測量方法[6]，其測量精度為1.0mm[7]。但是，該專利方法需要建立基準線，需用高級全站儀和專業(yè)測量設備作復雜的測量，測量者需要足夠的經(jīng)驗和技巧。當然，對回轉窯筒體中心在水平面偏差的測量，可使用橢圓儀測得，其測量處理原理和儀器，如圖11[8]所示。將橢圓儀吸附在靠近輪帶附近的筒體上隨筒體旋轉，儀器轉至窯頂部，筒體由于自身重力會出現(xiàn)下凹，由于托輪支承力，儀器經(jīng)過左右托輪處會測出兩個波谷曲線，波谷值的大小可以線性反映托輪徑向受力的大小。

各檔橢圓度曲線測量處理結果，如圖12所示。一檔左托輪受力明顯大于右托輪，說明一檔處筒體中心相對于托輪支承處偏左。二檔左托輪受力明顯小于右托輪，說明二檔處筒體中心相對于托輪支承處偏右。三檔左右托輪受力基本相同，說明該處筒體中心相對托輪支承基本對中。

圖11 橢圓度檢測原理與方法Fig.11 The Theory and Method of Ovality Measurement

圖12 各檔筒體橢圓度測量結果Fig.12 Measurement Results of Cylinder Ovality

5 結論

在對某回轉窯實際測量中，武漢理工大學窯檢測中心使用激光測距法和筒體橢圓度測量曲線數(shù)據(jù)結果，驗證了托輪撓度變化測量方法的有效和可靠性。其結論有：

（1）通過檢測各托輪撓度變化信號，對其作頻譜處理分析，通過對比信號所含有的KH諧波和RH諧波，可以反映回轉窯支承處筒體截面彎曲和中心點偏移狀況。

（2）當筒體橫截面僅發(fā)生偏心時，同檔左、右托輪撓度變化信號中的KH和RH幅值相等，相位差為60°。其KH的幅值大小可以反映筒體偏心值的大小，即筒體彎曲程度。

（3）RH幅值的大小可以反映托輪偏心值的大小，即托輪的徑向受力大小，它反映筒體中心點在水平面的偏差程度。

該方法測量過程簡單，便于操作，它可以為回轉窯故障早期預測及托輪調整提供參考依據(jù)。在回轉窯測量工程上有推廣應用的價值。