激光跟蹤儀在分段筒體安裝中的應(yīng)用

李書磊，朱旭甫，劉志廣，馬 斌

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

隨 著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，設(shè)備的大型化、節(jié)能化逐漸成為發(fā)展方向。燒結(jié)機(jī)規(guī)格已經(jīng)從 260 m2逐漸發(fā)展到 660 m2。圓筒混合機(jī)是燒結(jié)原料混合的主要設(shè)備，因具有生產(chǎn)能力大、結(jié)構(gòu)簡單、日常維護(hù)量小等優(yōu)點而得到廣泛采用。國內(nèi)圓筒混合機(jī)的規(guī)格已經(jīng)由?3.2 m×12 m 擴(kuò)大到?5.1 m×28 m，根據(jù)國外資料介紹，最大規(guī)格的筒圓混合機(jī)已達(dá)到?6.0 m×36 m[1]。

現(xiàn)有小規(guī)格圓筒混合機(jī)筒體采用先將筒體分段組焊、整體消除內(nèi)應(yīng)力，然后整體加工的工藝方法，這種筒體結(jié)構(gòu)有利于保證各加工尺寸公差要求。但隨著圓筒混合機(jī)的大型化，圓筒混合機(jī)筒體的尺寸和質(zhì)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出加工設(shè)備所能達(dá)到的極限。另外，大型圓筒混合機(jī)筒體的運輸也是一個很大的難題。為適應(yīng)燒結(jié)工程大型化發(fā)展需要，有必要對大型圓筒混合機(jī)筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在大型圓筒混合機(jī)筒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中研發(fā)出一種全新的分段筒體結(jié)構(gòu)及組裝方法，即采用了分段加工、運輸，現(xiàn)場進(jìn)行焊接成整體的方案。

通過近幾年來大型圓筒混合機(jī)分段筒體結(jié)構(gòu)加工及裝配實踐發(fā)現(xiàn)，筒體中 2 個滾圈的同軸度和大齒圈的端面圓跳動直接影響到現(xiàn)場筒體運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。2 個滾圈同軸度及大齒圈端面圓跳動公差精度要求高、外形檢測難度大。為方便大型圓筒混合機(jī)尺寸檢測，引入了激光跟蹤儀。激光跟蹤儀集合了激光干涉測量技術(shù)、光電探測技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計算理論等各種先進(jìn)技術(shù)[2]，可以對空間運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實時測量目標(biāo)的三維坐標(biāo)[3]，具有高精度、高效率測量，便于安裝，操作簡便等特點，是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。

1 圓筒混合機(jī)筒體結(jié)構(gòu)

圓筒混合機(jī)如圖 1 所示。筒體是圓筒混合機(jī)的主體，起到承接物料和混勻的作用，是制造難度最大的部件，其加工質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的順利運行和使用壽命。傳動裝置由滾圈、筒體內(nèi)附件等組成。

圖1 圓筒混合機(jī)Fig.1 Drum mixer

圓筒混合機(jī)筒體是用厚度不等的幾段等內(nèi)徑筒節(jié)對焊而成，中小型圓筒混合機(jī)筒體設(shè)計為 3 段式，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。中間筒體上包含 2 個滾圈，兩滾圈的同軸度為關(guān)鍵位置公差，合格與否直接影響圓筒混合機(jī)的運行。通常在重型臥式車床上完成中間筒體的加工，靠機(jī)床加工精度保證 2 個滾圈的同軸度，在制造廠內(nèi)完成 3 段筒體的焊接后，再整體發(fā)往用戶現(xiàn)場。

圖2 三段式筒體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of three-segment drum

隨著圓筒混合機(jī)規(guī)格越來越大，受加工機(jī)床規(guī)格和運輸尺寸的限制，圓筒混合機(jī)筒體分段加工、運輸、現(xiàn)場組焊成整體的工藝方法已成為其大型化發(fā)展的必然選擇。直徑大于 4.6 m 的圓筒混合機(jī)筒體多采用分段設(shè)計 (一般為 8 段)，如圖 3 所示。相鄰的筒節(jié)間在連接處分別設(shè)有凸、凹法蘭，止口定位 (如圖 4所示)[4]，每段筒體兩端凸、凹法蘭及 2 個滾圈均在制造廠完成加工。以?5.1 m×24.5 m 圓筒混合機(jī)為例，安裝規(guī)范要求現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試完成后，筒體兩滾圈同軸度 ≤?1.5 mm，大齒圈端面圓跳動≤1.5 mm，徑向圓跳動≤ 1.5 mm。在制造廠內(nèi)需將筒體及大齒圈預(yù)組裝檢驗合格后再分段發(fā)往用戶現(xiàn)場，這樣可以有效保證現(xiàn)場筒體的安裝精度。2 個滾圈同軸度及大齒圈圓跳動最終需要由現(xiàn)場安裝調(diào)節(jié)來保證，這就對現(xiàn)場筒體尺寸測量的可操作性和測量精度提出了更高的要求。

圖3 分段筒體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of segmented drum

圖4 筒節(jié)間止口連接結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of stop connection between drum segments

2 激光跟蹤儀的工作原理

激光跟蹤儀適用于對大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行測量。激光跟蹤儀測量系統(tǒng)如圖 5 所示，主要由跟蹤頭、控制系統(tǒng)、計算機(jī)、反射球及測量附件組成。

圖5 激光跟蹤儀測量系統(tǒng)Fig.5 Measurement system of laser tracker

激光跟蹤儀通過內(nèi)置激光干涉器、紅外線激光發(fā)射器、光靶反射球來測量空間位置，通過光柵編碼器測量水平和俯仰角度，實現(xiàn)三維大體積現(xiàn)場測量。其測量原理如圖 6 所示，在球坐標(biāo)系統(tǒng)中，設(shè)跟蹤器的旋轉(zhuǎn)中心為 O 點，被測靶鏡的中心為 P 點。用 2 個角度編碼器分別測量出 P 點的垂直角β和水平角α，用激光跟蹤儀測量得到 O 點到 P 點的距離 d，則 P 點的坐標(biāo) (x，y，z) 很容易用α、β和 d 計算得出[2]

圖6 激光跟蹤儀坐標(biāo)測量原理Fig.6 Principle of laser tracker coordinate measurement

3 激光跟蹤儀在大型圓筒混合機(jī)筒體施工中的應(yīng)用

為某鋼廠設(shè)計制造的 2 臺?5.1 m×24.5 m 圓筒混合機(jī)，筒體凈重達(dá) 210 t，為解決筒體制造及運輸難題，在設(shè)計時筒體分 8 段加工、運輸，現(xiàn)場拼裝調(diào)正后再焊接。

3.1 激光跟蹤儀在廠內(nèi)預(yù)組裝中的應(yīng)用

為保證現(xiàn)場設(shè)備順利安裝調(diào)試，凸、凹法蘭及各筒節(jié)的外圓焊接坡口均在立式車床上一次加工完成，確保每段筒節(jié)凸、凹法蘭的加工精度。筒體和大齒圈發(fā)貨前需進(jìn)行廠內(nèi)預(yù)組裝，并采用激光跟蹤儀檢測兩滾圈和大齒圈的尺寸。使用的激光跟蹤儀精度為5 μm/m，經(jīng)過目標(biāo)跟蹤形成的空間三維模型如圖 7所示。

圖7 激光跟蹤儀建立三維模型進(jìn)行預(yù)組裝Fig.7 Establishment of 3D model with laser tracker for pre-assembly

激光跟蹤儀檢測過程如下：選用合格的激光跟蹤儀和反射球，在 2 個滾圈外圓及大齒圈外圓標(biāo)記若干點位，手動移動反射球，測量所標(biāo)記點位的空間坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)筒體多次投影，電腦軟件通過最小二乘法計算出 3 處圓柱體的當(dāng)量軸線。反射球放置在所測圓柱的外表面，計算機(jī)通過所測點的空間坐標(biāo)值和模擬運算即可得到所測點的同軸度誤差。

同樣方法，將激光跟蹤儀和反射球放置在兩滾圈外圓及大齒圈一側(cè)端面記若干點位，手動移動反射球，測量所標(biāo)記點位的空間坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)筒體，多次投影，電腦軟件通過最小二乘法計算出兩滾圈的當(dāng)量軸線。反射球放置在大齒圈端面，通過計算機(jī)通過所測點的空間坐標(biāo)值和模擬運算即可得到所測點的端面圓跳動誤差值。經(jīng)過調(diào)整所測兩滾圈與大齒圈尺寸均滿足圖紙要求后，再拆裝發(fā)貨。

3.2 激光跟蹤儀在現(xiàn)場檢測中的應(yīng)用

現(xiàn)場 8 段筒體通過凸、凹法蘭和各段之間的緊固件在現(xiàn)場進(jìn)行組裝后，使用激光跟蹤儀對筒體尺寸(包括兩滾圈同軸度) 進(jìn)行檢測。所檢尺寸不滿足圖紙要求時，調(diào)整凸、凹法蘭連接的緊固件進(jìn)行微調(diào)，待所檢尺寸全部滿足圖紙要求后再對各筒節(jié)之間的熔透性焊縫進(jìn)行施焊，焊接完成后，再對筒體尺寸進(jìn)行復(fù)檢，完全合格后再進(jìn)行大齒圈的吊裝。大齒圈安裝到位后再次利用激光跟蹤儀對大齒圈端面圓跳動及徑向圓跳動進(jìn)行檢測，尺寸合格后才能進(jìn)行其他部件的安裝[6-8]。

按照以上施工工藝方法，圓筒混合機(jī)筒體安裝完成后，2 個滾圈與大齒圈同軸度、大齒圈端面圓跳值及徑向圓跳動值等均滿足圖紙要求。激光跟蹤儀檢測數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 激光跟蹤儀檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Detection data of laser tracker mm

4 結(jié)語

隨著燒結(jié)設(shè)備大型化發(fā)展，圓筒混合機(jī)規(guī)格也越來越大。筒體分段成為必然趨勢。筒節(jié)之間的凸、凹法蘭結(jié)構(gòu)，安裝方法簡單可靠，對接精度高，能顯著縮短現(xiàn)場筒節(jié)對接時間。激光跟蹤儀在大體積檢測中的實用性、精準(zhǔn)性和高效性，為大型圓筒混合機(jī)的精準(zhǔn)檢測及安裝提供了便利。分段筒體結(jié)構(gòu)配合激光跟蹤儀的使用，有效保證了圓筒混合機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)的實現(xiàn)，為大型燒結(jié)機(jī)的達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。