回轉(zhuǎn)窯中心線偏差動(dòng)態(tài)測(cè)量新法

梅 佳，廖義德，郭家欣

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430205

回轉(zhuǎn)窯是建材、冶金等行業(yè)的核心設(shè)備［1］，其主要由筒體和多組輪帶、托輪支承組構(gòu)成［2］。因長(zhǎng)期處于重載運(yùn)轉(zhuǎn)、高溫多塵等惡劣環(huán)境下，窯體不同程度磨損，回轉(zhuǎn)窯中心線的直線度是衡量窯體狀態(tài)的重要指標(biāo)［3］。在長(zhǎng)期生產(chǎn)中，由于各檔軸承座的不均勻下沉、托輪調(diào)整不當(dāng)、支承件的磨損等因素，回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行軸線會(huì)偏離理論軸線，使筒體出現(xiàn)產(chǎn)生周期性彎曲和徑向變形［4］。導(dǎo)致托輪嚴(yán)重超載或輪軸斷裂、托輪座甚至窯墩強(qiáng)烈振動(dòng)、筒體彎曲變形大或出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生窯體斷裂等重大事故，使企業(yè)蒙受經(jīng)濟(jì)損失。窯運(yùn)轉(zhuǎn)率決定企業(yè)產(chǎn)量和效益［5］，為此需要定期檢測(cè)筒體軸線的水平、豎直偏差，及時(shí)校準(zhǔn)，減少停窯損失［6］。

目前國(guó)外代表性的測(cè)量方法有如下幾種：德國(guó)Polysius公司的托輪位置測(cè)量法［7］，該方法采用測(cè)地學(xué)原理來觀測(cè)各檔托輪的軸心坐標(biāo)、托輪和輪帶的直徑以及輪帶與筒體間隙，最后計(jì)算出筒體中心線位置。雖然能夠準(zhǔn)確測(cè)量出托輪軸心的空間坐標(biāo)，但測(cè)量?jī)x器昂貴，費(fèi)用高，且對(duì)操作人員技術(shù)要求較高，存在較大的觀測(cè)誤差。美國(guó)Phillips公司的直接測(cè)量法［8］，在一根橫梁上安裝3個(gè)激光傳感器，根據(jù)傳感器得出的數(shù)據(jù)，利用三角定理計(jì)算出筒體中心點(diǎn)位置。該方法簡(jiǎn)單便捷，但設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，測(cè)量點(diǎn)的位置是不確定的。國(guó)內(nèi)代表性的測(cè)量方法有：武漢理工大學(xué)研究的KAS-3型中心線測(cè)量系統(tǒng)［10］，測(cè)量傳感器探頭與基準(zhǔn)面的距離，2個(gè)位移傳感器分別安裝在筒體水平直徑線和垂直直徑線上，測(cè)得輪帶表面變化。水平位移傳感器測(cè)量水平坐標(biāo)，垂直位移傳感器測(cè)量垂直坐標(biāo)，從而得到輪帶的中心位置。雖然精度較高，但是體積大，線纜多，不便移動(dòng)，安裝時(shí)需要高空作業(yè)也不夠安全［11］。中南大學(xué)研究的零位移方向鍵相法，依據(jù)在各檔兩托輪內(nèi)側(cè)15°方向筒體應(yīng)變?yōu)?，但在對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的結(jié)論中，并沒有明確指出筒體應(yīng)變?yōu)?的區(qū)域是在15°方向，而且實(shí)際生產(chǎn)中，筒體上應(yīng)變?yōu)榱愕膮^(qū)域也會(huì)隨著筒體的偏移而發(fā)生改變。

通過分析國(guó)內(nèi)外回轉(zhuǎn)窯中心軸線測(cè)量的方法，筆者提出一種既能滿足精度要求，又簡(jiǎn)單方便的回轉(zhuǎn)窯中心線偏差動(dòng)態(tài)測(cè)量方法。通過各檔位左右托輪中心架設(shè)水平基準(zhǔn)橫梁，建立實(shí)基準(zhǔn)。以輪帶中心、左右托輪中心連線組成三角形模型，通過解三角形求出筒體的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。連接首尾檔中心點(diǎn)，然后求得中間各檔筒體中心到該連線的水平偏差和豎直偏差值。與傳統(tǒng)方法相比，建立實(shí)基準(zhǔn)后測(cè)得的結(jié)果更能準(zhǔn)確反映回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際情況，激光定位測(cè)量也能達(dá)到一定的測(cè)量精度要求。測(cè)量數(shù)據(jù)為調(diào)整回轉(zhuǎn)窯工藝規(guī)程及托輪擺放位置、改善筒體受力狀況、預(yù)防托輪軸瓦發(fā)熱提供依據(jù)［12］。目前在多家水泥回轉(zhuǎn)窯上得到應(yīng)用，并取得了較好的效果。

1 回轉(zhuǎn)窯中心線動(dòng)態(tài)測(cè)量的原理和方法

回轉(zhuǎn)窯通常為多點(diǎn)支承，假設(shè)有N個(gè)支撐檔位（N為3～9）。在每一檔位處有2個(gè)托輪通過輪帶將窯體支撐起來，筒體軸線與水平面存在一定的斜度。每個(gè)支承檔位均由1個(gè)箱型底座、2個(gè)托輪、4個(gè)軸承座以及套在筒體上的輪帶等部件構(gòu)成［13］。對(duì)回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線的評(píng)價(jià)包括水平直線度和垂直直線度，即軸線在水平面和垂直面內(nèi)的投影的直線度。為此，需測(cè)量的參量包括托輪與輪帶直徑，輪帶與筒體間隙、左右托輪基礎(chǔ)沉降量、各檔位輪帶、筒體和托輪中心位置坐標(biāo)等。

1.1 輪帶與托輪直徑的測(cè)量

輪帶及托輪的直徑可以通過測(cè)量其周長(zhǎng)來確定，測(cè)量原理如圖1（a）所示，為滿足其測(cè)量精度，要求壓輪與被測(cè)件表面之間作無滑動(dòng)的滾動(dòng)，而且被測(cè)件兩者工作面平行，以保證測(cè)速壓輪表面的線速度與托輪和輪帶表面的線速度一致，而單滾輪很難保證與被測(cè)件表面的線速度一致，為此采用雙滾輪同軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［14］。采用兩個(gè)精確等直徑的滾輪同軸連接，且滾輪外徑工作面進(jìn)行微小的防滑紋處理，具體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

測(cè)速壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，編碼器輸出360個(gè)脈沖，單個(gè)脈沖代表的周長(zhǎng)為1 mm。當(dāng)托輪和輪帶轉(zhuǎn)動(dòng)N圈時(shí)，測(cè)速壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)n圈，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為T，則可求得托輪直徑di和輪帶直徑Di（i為1～n，n≥3）：

1.2 窯體中心線的測(cè)量

通過建立水平橫梁標(biāo)尺，間接測(cè)得窯體各檔輪帶的中心點(diǎn)坐標(biāo)，得到窯體中心線。測(cè)得輪帶和筒體間隙后，通過計(jì)算可以得到各檔位筒體的中心，其測(cè)量原理如圖2所示。

筒體中心的計(jì)算：

1）先求出3個(gè)中心點(diǎn)所構(gòu)三角形的α角

3）輪帶中心投影點(diǎn)Ai相對(duì)于左托輪中心的距離OizAi為：

4）輪帶中心到水平橫梁投影點(diǎn)的豎直距離Yia為：

5）將每檔輪帶在水平橫梁上的投影點(diǎn)向左或向右平移至視野開闊地帶，距離為X。

圖2 回轉(zhuǎn)窯中心軸線測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of rotary kiln central axis

1.3 各檔輪帶中心線偏差的測(cè)量

用全站儀觀測(cè)各檔輪帶中心點(diǎn)平移后數(shù)據(jù)［15］，輪帶中心點(diǎn)測(cè)量如圖3所示。

圖3 輪帶中心點(diǎn)測(cè)量：（a）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖，（b）測(cè)量原理圖Fig.3 Measurement of tire center point：（a）on-site physical map，（b）schematic diagram of measurement

記錄各檔輪帶觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)Ⅰ（N1，E1，Z1），Ⅱ（N2，E2，Z2），Ⅲ（N3，E3，Z3）。

1）筒體水平偏差ΔXi的測(cè)量，其測(cè)量原理如圖4（a）所示。

將各檔輪帶中心點(diǎn)投影到水平面內(nèi)，連接首尾兩檔投影點(diǎn)成一直線，求出中間各檔投影點(diǎn)偏離直線的距離即為水平偏差ΔXi。由于筒體和輪帶中心在同一豎直平面內(nèi)，所以在水平面內(nèi)的投影相同，即筒體和輪帶中心線水平偏差相同。計(jì)算過程如下：

圖4 中心線偏差測(cè)量原理：（a）水平方向，（b）豎直方向Fig.4 Principle of centerline deviation measurement：（a）horizontal deviation，（b）vertical deviation

當(dāng)ΔXi值為正時(shí)，中間各檔輪帶中心點(diǎn)往直線右邊（從窯尾往窯頭看分左右）偏離，為負(fù)時(shí)往左偏離。

2）筒體豎直偏差的測(cè)量，測(cè)量前需求出輪帶中心線的豎直偏差ΔHi，原理如圖4（b）。輪帶中心線豎直偏差計(jì)算過程如下：

式中：H為在坐標(biāo)系中2檔處對(duì)應(yīng)在輪帶中心線上的縱坐標(biāo)；ΔH i為輪帶中心線豎直偏差，i為檔位。筒體中心線豎直偏差ΔHit計(jì)算：

ΔHit的值為正數(shù)時(shí)，中間各檔中心點(diǎn)向首尾檔中心連線下方偏離；為負(fù)數(shù)時(shí)，中間各檔輪帶中心點(diǎn)向上偏離。

2 回轉(zhuǎn)窯中心線偏差動(dòng)態(tài)測(cè)量新方法的應(yīng)用

使用此新方法對(duì)安徽中材水泥其中一條日產(chǎn)5 000 t水泥回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行了在線測(cè)量，該回轉(zhuǎn)窯有3檔輪帶，用雙滾輪結(jié)構(gòu)對(duì)托輪和輪帶直徑進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量精度在±0.1 mm，水平橫梁定位精度在±0.3 mm。主要測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 安徽中材水泥回轉(zhuǎn)窯測(cè)量數(shù)據(jù)表Tab.1 Measurement data sheet of Anhui Sinoma Cement Rotary Kiln mm

計(jì)算后得到水平偏差ΔX=-17.63 mm，即向中心線左方偏離17.63 mm。豎直偏差ΔH=7.58 mm，即向中心線下方偏離7.58 mm。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)窯體實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，在第二檔左側(cè)托輪溫度較高，表面磨損嚴(yán)重。正好印證測(cè)量結(jié)果中心線向左側(cè)偏離。廠方根據(jù)測(cè)量結(jié)果將Ⅱ檔分3次向右向上進(jìn)行了調(diào)整，Ⅱ檔處的振動(dòng)顯著減小，窯體運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)也有明顯改善，整個(gè)測(cè)量和調(diào)整過程取得了較好的效果。

3 結(jié) 論

以上論述了動(dòng)態(tài)測(cè)量大型回轉(zhuǎn)窯軸線的原理和方法。通過測(cè)量托輪和輪帶直徑，建立三角模型，架設(shè)水平橫梁，將中心點(diǎn)平移至開闊地帶，用全站儀測(cè)量平移后的各檔位中心點(diǎn)，進(jìn)一步求出中心線偏差的方法。測(cè)量精度可達(dá)到0.5 mm。此方法既避免了停窯造成的生產(chǎn)損失，其測(cè)量結(jié)果又為定期觀測(cè)回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和維修調(diào)整提供依據(jù)，為水泥生產(chǎn)廠方穩(wěn)定生產(chǎn)提供有效保障。