回轉(zhuǎn)窯中心線動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法

張 云 劉必成

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

回轉(zhuǎn)窯被廣泛應(yīng)用于建材、冶金、化工、環(huán)保等許多生產(chǎn)行業(yè)，它是水泥工業(yè)中的核心熱工設(shè)備。回轉(zhuǎn)窯需要長(zhǎng)期在高溫、重載、多塵的復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下工作，且筒體內(nèi)部的工作溫度分布不均，溫差可達(dá)數(shù)百攝氏度，即使有耐熱材料阻隔，高溫也會(huì)造成筒體表面熱彎曲變形，從而對(duì)托輪產(chǎn)生不均勻的載荷沖擊，引起托輪軸瓦溫度升高，甚至可能導(dǎo)致托輪軸瓦燒壞，引發(fā)停窯事故。同時(shí)，筒體表面的形變會(huì)引起回轉(zhuǎn)窯筒體中心線的偏移，導(dǎo)致左右托輪長(zhǎng)時(shí)間受力不均，同樣會(huì)引起托輪軸瓦溫度升高，甚至托輪位置發(fā)生變化。停窯將給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯中心線的狀態(tài)檢測(cè)，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障具有重要的研究?jī)r(jià)值。

回轉(zhuǎn)窯中心線是長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化的，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)回轉(zhuǎn)窯中心線問(wèn)題仍以檢測(cè)為主。對(duì)回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測(cè)方法主要有靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)要求回轉(zhuǎn)窯停止運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)震動(dòng)和高溫影響，測(cè)量精度較高，但此時(shí)回轉(zhuǎn)窯的狀態(tài)與其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在較大差異，因此，靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)不適用于動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯，不能作為回轉(zhuǎn)窯的調(diào)整依據(jù)，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

國(guó)內(nèi)外具有代表性的回轉(zhuǎn)窯中心線測(cè)量系統(tǒng)或方法有：（1）丹麥FLS公司研制的輪帶位置測(cè)量方法，主要是利用計(jì)算機(jī)的激光經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀聯(lián)合完成對(duì)筒體和輪帶外徑上六個(gè)空間位置的坐標(biāo)測(cè)定，并計(jì)算出輪帶的中心位置。（2）德國(guó)Polysius公司開(kāi)發(fā)的托輪位置測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量托輪、輪帶的動(dòng)態(tài)直徑和輪帶與筒體之間的間隙，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出筒體軸線位置。（3）武漢理工大學(xué)的回轉(zhuǎn)窯三點(diǎn)十字對(duì)徑直接遠(yuǎn)距離測(cè)量法，該方法采用直角坐標(biāo)系，在窯體兩側(cè)建立與筒體平行的基準(zhǔn)鉛垂面，并據(jù)此建立空間坐標(biāo)系，根據(jù)幾何關(guān)系可直接計(jì)算出各檔窯的中心點(diǎn)坐標(biāo)，檢測(cè)回轉(zhuǎn)窯的中心線狀態(tài)。

現(xiàn)階段回轉(zhuǎn)窯的故障檢測(cè)技術(shù)是一種事后檢測(cè)手段，當(dāng)故障已經(jīng)比較嚴(yán)重時(shí)才去作相應(yīng)的處理。此外，對(duì)回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測(cè)也存在著測(cè)量設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、測(cè)量成本較高等缺點(diǎn)。為解決上述不足，本文提出了一種新型的回轉(zhuǎn)窯中心線動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，與以往相比，具有操作簡(jiǎn)便、安全、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 中心線檢測(cè)方法及原理

1.1 檢測(cè)方法

隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)量精度的提高，回轉(zhuǎn)窯動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)日趨成熟。對(duì)回轉(zhuǎn)窯中心線的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法可分為兩類：一是直接測(cè)量法。即三點(diǎn)法或基于三點(diǎn)法的改進(jìn)方法，其基本原理是將輪帶和筒體看成一個(gè)近似圓，通過(guò)對(duì)輪帶表面不同的三個(gè)位置進(jìn)行空間坐標(biāo)測(cè)量，可得到輪帶的擬合圓，求出其中心坐標(biāo)；根據(jù)筒體與輪帶之間的間隙，可以求出回轉(zhuǎn)窯每一檔筒體的中心坐標(biāo)，從而得到回轉(zhuǎn)窯的中心線。二是間接測(cè)量法。就是測(cè)量托輪和輪帶的直徑、托輪軸心的空間坐標(biāo)，根據(jù)輪帶與托輪的幾何位置關(guān)系計(jì)算得到輪帶中心的坐標(biāo)；根據(jù)筒體與輪帶之間的間隙，可求出回轉(zhuǎn)窯各檔位筒體的中心坐標(biāo)，從而得到回轉(zhuǎn)窯的中心線。

直接測(cè)量法需要測(cè)量輪帶三個(gè)不同的表面位置，這些位置通常位于輪帶下表面三分之一處，擬合成的圓與輪帶的實(shí)際表現(xiàn)存在一定的差距，且計(jì)算較為復(fù)雜，操作難度較大，回轉(zhuǎn)窯的振動(dòng)對(duì)傳感器測(cè)量有一定的影響，測(cè)量成本偏高；采用間接測(cè)量法測(cè)量輪帶和托輪的直徑及托輪的位置，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)筒體的中心坐標(biāo)，計(jì)算簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量成本低，所測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均可間接反映回轉(zhuǎn)窯中心線的變化情況，并可為回轉(zhuǎn)窯調(diào)整提供參考價(jià)值。為此，研究人員決定采用間接法對(duì)回轉(zhuǎn)窯中心線在線檢測(cè)。

1.2 檢測(cè)原理

采用間接法在線檢測(cè)回轉(zhuǎn)窯中心線，需要測(cè)量回轉(zhuǎn)窯各檔位的輪帶、托輪數(shù)據(jù)，計(jì)算出各檔位筒體中心點(diǎn)的空間坐標(biāo)，以整個(gè)回轉(zhuǎn)窯為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，在回轉(zhuǎn)窯兩側(cè)建立平行于筒體的水平基準(zhǔn)線，分別測(cè)量每個(gè)檔位，計(jì)算出輪帶中心的坐標(biāo)（見(jiàn)圖1）。

圖1 輪帶中心檢測(cè)原理圖

由圖1可知，回轉(zhuǎn)窯的輪帶與筒體位置有明顯的幾何關(guān)系，間接測(cè)量法通過(guò)輪帶與托輪的幾何位置關(guān)系，經(jīng)測(cè)量托輪和輪帶的直徑及托輪中心位置計(jì)算輪帶中心坐標(biāo)。從原理圖可以看出，測(cè)量輪帶直徑D和左托輪直徑D1及左托輪1的軸心坐標(biāo)（y1，z1），經(jīng)過(guò)三角定理的公式，即可計(jì)算出該檔輪帶的中心坐標(biāo)C（y，z）。

假設(shè)輪帶中心坐標(biāo)為（y，z），計(jì)算步驟如下：

根據(jù)坐標(biāo)系中兩點(diǎn)的距離公式，可計(jì)算左托輪1和輪帶中心的距離L：

由式（1）和式（2）聯(lián)立，解得：

式（3）中：

b——左托輪的橫坐標(biāo)；

c——左托輪的縱坐標(biāo)；

r、R——左托輪、輪帶的半徑；

a——輪帶最低點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，輪帶內(nèi)徑總是大于筒體外徑，所以，輪帶與筒體之間總存在間隙。間隙大小為：Q=Rn?r，Rn為輪帶內(nèi)徑。輪帶間隙可根據(jù)筒體和輪帶的回轉(zhuǎn)周期進(jìn)行計(jì)算。筒體中心的坐標(biāo)可表示為：

2 中心線的檢測(cè)

2.1 輪帶和托輪直徑測(cè)量

依據(jù)中心線檢測(cè)原理，需要測(cè)量輪帶和托輪的直徑參數(shù)，本文采用滾輪法測(cè)量托輪和輪帶的直徑，測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 滾輪法測(cè)量原理圖

將直徑為100mm的滾輪安裝到光電編碼器上，該編碼器軸旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生1 000個(gè)脈沖信號(hào)。在理想狀態(tài)下，測(cè)量滾輪與被測(cè)件之間的純滾動(dòng)，其表面的線速度大小相等，則滾輪與被測(cè)件的直徑關(guān)系為：

在直徑測(cè)量系統(tǒng)中采用霍爾開(kāi)關(guān)控制采集的開(kāi)始和停止。將磁鐵吸附在被測(cè)件表面，霍爾傳感器固定在能穩(wěn)定觸發(fā)信號(hào)的位置。當(dāng)觸發(fā)霍爾開(kāi)關(guān)上的信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)只采集被測(cè)件旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，按公式（5）計(jì)算出被測(cè)件的直徑。

2.2 托輪中心位置測(cè)量

武漢理工大學(xué)回轉(zhuǎn)窯檢測(cè)中心采用中國(guó)發(fā)明專利的測(cè)量方法測(cè)量托輪的空間位置，其原理如圖3-A所示。在回轉(zhuǎn)窯兩側(cè)建立平行于窯軸線的基準(zhǔn)鉛錘面MM`、NN`，在托輪兩側(cè)分別設(shè)置全站儀，將靶點(diǎn)M、M`安裝在基準(zhǔn)線上，從O點(diǎn)開(kāi)始分別測(cè)量 M、M`點(diǎn)（第一個(gè)測(cè)量M點(diǎn)），然后，測(cè)量托輪端面的回轉(zhuǎn)中心A、B（用軸孔定心器定位），得到平距LM、LOM`、LA、LB，高差 HM、HM`、HA、HB和水平角αM`、αA、αB（測(cè)量M點(diǎn)時(shí)，水平角置零）；同理，由O`點(diǎn)測(cè)量M`、M、A`、B`點(diǎn)，得到相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖3-B所示的空間原理，可求得A點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，具體計(jì)算公式如式（6）～（10）。以點(diǎn)O為基準(zhǔn)建立水平面，點(diǎn)M、M`、A在水平面的投影分別為點(diǎn) Mt、M`t、At。

圖3 動(dòng)態(tài)托輪中心位置測(cè)量原理

A點(diǎn)到基準(zhǔn)面MM`的深度s可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系求得：

則A點(diǎn)的空間坐標(biāo)為：

XA=XM+LMtD;

YA=s ;

ZA=ZM+(HA-HM)。

3 誤差分析

在回轉(zhuǎn)窯中心線的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，中心線的計(jì)算結(jié)果必然存在一定的誤差。對(duì)于回轉(zhuǎn)窯的每一個(gè)檔位都要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

以下對(duì)計(jì)算出的橫縱坐標(biāo)分別進(jìn)行誤差分析：

（1）Y值誤差分析

由式（1）和式（2）知，輪帶中心的橫坐標(biāo)可表示為：

由式（12）和式（13）聯(lián)立可得：

分析結(jié)果表明，該檢測(cè)方法誤差較小，適合回轉(zhuǎn)窯中心線的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的回轉(zhuǎn)窯中心線檢測(cè)方法安全可靠，檢測(cè)方便、快捷，測(cè)量精度高。通過(guò)測(cè)量輪帶與托輪直徑、托輪中心位置和輪帶與筒體間的間隙間接得到回轉(zhuǎn)窯中心線，各檔筒體中心的三維坐標(biāo)可以更加直觀地顯示出回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中中心線的狀態(tài)，為回轉(zhuǎn)窯的各類故障分析提供有力的依據(jù)。使用本方法定期對(duì)回轉(zhuǎn)窯中心線進(jìn)行在線檢測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的早期問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整回轉(zhuǎn)窯狀態(tài)，避免了大故障的發(fā)生，提高了回轉(zhuǎn)窯的工作效率。