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?；剞D(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]，抽象出較簡單的模型，還需要考慮許多的復(fù)雜的受力負(fù)載過程?；剞D(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)窯軸線檢測有很多方法，回轉(zhuǎn)窯的動(dòng)態(tài)檢測對(duì)分析軸線變化、筒體位置變化尤為重要。較為成熟的檢測方法有非接觸測量法、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 “ ”測量系統(tǒng)[5]，提高了軸線檢測的精度，并在企業(yè)得到了推廣。這些檢測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。本文基于回轉(zhuǎn)窯力學(xué)性能分析，采用攝像頭作為檢測傳感器，并在實(shí)驗(yàn)室模擬檢測，收到一定的效果，檢測方法可以推廣。

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)窯軸線檢測系統(tǒng)

這里開發(fā)一種基于攝像頭循跡的軸線檢測系統(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，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)效果較好。

2.1攝像頭檢測優(yōu)點(diǎn)

2.1.1實(shí)現(xiàn)無損檢測

無損檢測是在不損壞或不影響被測對(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)行檢測的技術(shù)。隨著工業(yè)和檢測技術(shù)的發(fā)展，無損檢測將成為檢測系統(tǒng)的主要檢測方式。攝像頭作傳感器的檢測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。

2.1.2檢測范圍廣、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到更多的數(shù)據(jù)，雖然存在死角，但對(duì)于需要檢測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。攝像頭檢測的影響為圖4下部的影像，根據(jù)檢測邊界可確定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，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1000cm，橢圓柱長軸長60cm，半長軸40cm，長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，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。

4.參考文獻(xiàn)

[1]周賢，劉義倫，趙先瓊，等，回轉(zhuǎn)窯筒體應(yīng)力分布研究[J]，湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2002（4）： 42-45；

[2]劉鴻文，材料力學(xué)[M].4版，北京：高等教育出版社， 2004：74-79；

[3]李學(xué)軍，劉義倫，周國榮，等，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線動(dòng)態(tài)測量時(shí)域分析法[J].有色金屬，2001， 53 （2）： 45-48；

[4]李學(xué)軍 朱萍玉，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線檢測研究[J]，制造業(yè)自動(dòng)化，2001，23（8）：32-34；

[5]張?jiān)疲环N回轉(zhuǎn)窯軸線測量的方法和測量系統(tǒng)，中國發(fā)明專利號(hào)：90101485.0；

[6]李學(xué)軍，劉義倫，肖友剛，李小斌，大型多支承回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線的調(diào)整優(yōu)化[J]，中國有色金屬學(xué)報(bào)，2002，5：897-901；

[7]張?jiān)?，蔡長青，一種回轉(zhuǎn)窯橢圓度的測量裝置[J]，水泥工程，2006，5：60-65；

[8]張?jiān)?，鄭維云，回轉(zhuǎn)窯筒體軸向彎曲變形和表面圓柱變形動(dòng)態(tài)檢測方法[J]，水泥工程，2011，2：66-69；

[9]周瑞平，姚世衛(wèi)，張昇平，李冰融，三彎矩方程的理論研究及在軸系校中中的應(yīng)用[J]，武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，5（27）：76-79；

[10]馮錫蘭，等，工程力學(xué)[M]，北京航天航空大學(xué)出版社，2012，6：270-275；

[11]芝倫，彈性力學(xué)[M]，下冊，北京：高等教育出版社，2006，197-200；

[12]王和慧，謝可迪，陳一凡，等，大型回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析[J]，機(jī)械強(qiáng)度，2020，32（4）：606-616；

[13]王和慧，程靜，周金水，大型回轉(zhuǎn)窯支承系統(tǒng)的力學(xué)行為分析[J]，機(jī)械強(qiáng)度，2012，34（1）：077-085；

5. 作者簡介

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。