摘 "要： 回轉(zhuǎn)窯是水泥等工業(yè)生產(chǎn)中的核心設(shè)備，托輪支承力是否均衡合理對設(shè)備的安全運行與壽命至關(guān)重要。由于窯體結(jié)構(gòu)和工作條件的復(fù)雜性，使得通過測量獲取每個托輪的實際載荷具有較大難度。以三檔支撐的干法水泥生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯為例，在分析托輪瓦座結(jié)構(gòu)和受力特點的基礎(chǔ)上設(shè)計了托輪載荷測試方案并進(jìn)行了驗證性測量。試驗結(jié)果表明測試靈敏度偏低，但是方法可行。

關(guān)鍵詞： 托輪; 支承系統(tǒng); 支承力; 應(yīng)變電測法

中圖分類號： TN964?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0139?03

Support force measurement method for riding wheel of rotary kiln

ZHAI Min?chen1， DABU Xi?la?tu2， LIU Zhen1， BAO Xiao?yan1

（1. Collage of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Huhhot 010051， China;

2. Inner Mongolia Mengxi Cement Group， Huhhot 010020， China）

Abstract： The rotary kiln is a core equipment in cement and some industrial production. It is important whether the roller support force is balanced and reasonable or not for service lifetime and safe operation of the equipment. As the complexity of the kiln structure and working conditions， it is very difficult to measure the actual load of each riding wheel. Taking a dry cement rotary kiln with three?support as an example， based on the analysis of riding wheel bearing seat structure and stress characteristics， the testing scheme of riding wheel load was designed， the validation measurement was carried out. The test results show that the method is feasible though the measurement sensitivity is insufficient.

Keyword： riding wheel; support system; support force; strain electrometric method

0 "引 "言

回轉(zhuǎn)窯是水泥、建材、冶金、化工等工業(yè)生產(chǎn)中的核心設(shè)備，其正常運轉(zhuǎn)是確保企業(yè)安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。回轉(zhuǎn)窯由多檔支承系統(tǒng)支撐，支承系統(tǒng)的破壞不僅使生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)品質(zhì)量受到影響，而且維護(hù)成本增加，嚴(yán)重時會引發(fā)機械故障及安全事故。如中國鋁廠河南分公司的回轉(zhuǎn)窯，其運轉(zhuǎn)率高達(dá)82%， 而每年用于檢修的費用近3 000萬元。通常情況下，回轉(zhuǎn)窯停產(chǎn)一天造成的生產(chǎn)損失達(dá)到數(shù)十萬元，事故損失是正常停窯檢修的數(shù)十倍[1]。因此，支承系統(tǒng)的穩(wěn)定對于回轉(zhuǎn)窯的安全運行起決定作用。

從回轉(zhuǎn)窯的整體結(jié)構(gòu)來看，托輪裝置的正常運行是支承系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。實際運轉(zhuǎn)中，托輪承受著來自窯體徑向上的壓力，長期處在高溫、沖擊、振動、露天等復(fù)雜環(huán)境中，對窯體的材料性能及各構(gòu)件的運行狀態(tài)產(chǎn)生影響。具體表現(xiàn)為：

（1） 窯體的軸向中心線的直線度受損，偏差過大，致使輪帶與局部托輪接觸區(qū)域壓力過大，受力不均;

（2） 窯體不能沿軸向正常地往復(fù)竄動，使大齒圈、托輪和輪帶的工作表面磨損不均勻，產(chǎn)生變形。各因素之間的相互耦合，致使各擋支承系統(tǒng)的受力狀態(tài)變得復(fù)雜，而長期不均勻的接觸和磨損容易引起軸瓦發(fā)熱，嚴(yán)重時造成燒瓦或翻瓦，或發(fā)生托輪斷軸、止推環(huán)被推斷等故障現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，某公司因回轉(zhuǎn)窯托輪軸瓦發(fā)熱故障一年內(nèi)停窯638.04 h，占停窯故障總時間的49.4%，其年經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)400萬元以上，嚴(yán)重制約著公司生產(chǎn)的正常進(jìn)行[2]。為減少安全事故，避免生產(chǎn)中的安全隱患，對測量托輪受力的方法進(jìn)行有效分析是十分有現(xiàn)實意義的，而支承力的測量作為分析托輪受力的重要參數(shù)，是衡量支承系統(tǒng)安全性能的重要指標(biāo)。

從國內(nèi)外的文獻(xiàn)來看，研究測量托輪受力的方法有以下幾種。傳統(tǒng)的方法大多采用經(jīng)驗法來判斷，即根據(jù)窯體的新舊程度，選擇壓鉛絲法、觀察托輪表面的亮暗程度或油膜厚度來判斷[3]，這些方法操作步驟簡單，只能定性的判斷，不能定量說明。隨著理論技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們在理論方面研究支承力的計算方法，最先采用的是平均法，緊接著提出三彎矩方程法、力矩分配法等初等材料力學(xué)原理計算方法[4]，這些方法求解過程復(fù)雜繁瑣，計算誤差較大。隨后，楊建剛等應(yīng)用傳遞矩陣計算多支點超靜定軸的支承力[5];寧英吉運用廣義階梯函數(shù)推導(dǎo)變剛度梁變形的函數(shù)方程[6]，這些方法在一定程度上簡化理論推導(dǎo)，但結(jié)構(gòu)和載荷等約束條件進(jìn)行簡化，增大求解誤差，測量值得精度低，遠(yuǎn)離實際值。在此基礎(chǔ)上，李學(xué)軍研究出復(fù)雜載荷下超靜定梁的程序化求解方法[7]，該方法通用性好，適于任意復(fù)雜超靜定問題，但計算過程中仍需要簡化筒體結(jié)構(gòu)，使得結(jié)果不準(zhǔn)確。到目前為止，從理論和實際分析角度來看，仍然沒有一種方法能夠?qū)⒅С辛Φ臏y量方法廣泛運用于實際中。本文提出一種測量支承力的方法，嘗試了對托輪支承力的測量。

1 "測試方案的設(shè)計

回轉(zhuǎn)窯一般以3%～5%的斜度放置在多檔支承系統(tǒng)上慢速回轉(zhuǎn)，如圖1所示。窯筒體活套在輪帶里，輪帶由左右對稱的托輪支承，且兩托輪分別與豎直方向成30°角安裝，支承系統(tǒng)的截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)圖示可以判斷，支承力沿輪帶與托輪的接觸方向上，與徑向支反力互為相互作用力。

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圖1 回轉(zhuǎn)窯的整體結(jié)構(gòu)圖

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圖2 筒體及支承裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在測量托輪受力之前，應(yīng)充分了解回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備的使用條件及工作環(huán)境，分析并判斷構(gòu)件的主要受力位置，從而選擇合適的方法進(jìn)行測量。高溫、多噪聲及較強磁場干擾的環(huán)境，使得測試方法的選擇受到限制。實際工程結(jié)構(gòu)檢測中，應(yīng)變電測法作為一種成熟的測量方法，已被廣泛地運用于機械工程領(lǐng)域，即把應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件的受力部位，構(gòu)件受到力的作用發(fā)生形變，應(yīng)變片輸出的變化則通過電阻應(yīng)變儀的分析轉(zhuǎn)換得到所測的應(yīng)變值。電測法不僅適應(yīng)環(huán)境能力較強，而且傳感元件小、測量結(jié)果可靠、有很高的靈敏度和測量精度等特點，對測試分析實際構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變具有良好的適應(yīng)性。本文將實現(xiàn)對被測構(gòu)件受力大小的實際測量，得到相應(yīng)的應(yīng)變值，利用應(yīng)變與力之間的關(guān)系計算支承力的大小。測試方案的實現(xiàn)過程如圖3所示。

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圖3 測試方案流程

（1） 測量位置的選取。從窯體的整體受力角度可知，窯體作用在托輪方向上的力即支反力，通過托輪軸將力傳遞到大底座上。為了準(zhǔn)確測量力的大小，測量位置的選取應(yīng)沿力的方向，且該區(qū)域受力穩(wěn)定均勻。實際分析中發(fā)現(xiàn)，作用在底座的受力區(qū)域，受現(xiàn)場環(huán)境的沖擊、振動等因素的影響，力分布復(fù)雜，很難選取合適的位置進(jìn)行貼片，如圖4所示。

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圖4 支承結(jié)構(gòu)整體示意圖

通過分析支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，發(fā)現(xiàn)軸承底座的側(cè)位面板上存在力作用的區(qū)域，如圖5所示，而軸承座上的其他部位，力的方向不能確定，不容易判斷其受力是否均勻，實際操作中必然會加大測量難度，增大輸出誤差。故選取圖5中所示區(qū)域作為貼片位置以實現(xiàn)支承力的測量。

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圖5 支承力作用區(qū)域

（2） 橋路方式的選擇。本文利用應(yīng)變片薄、小、靈敏度高的特性，實現(xiàn)窯體對托輪的壓力作用下產(chǎn)生的微小形變的測量，為計算支承力的大小提供重要依據(jù)。在測試過程中，應(yīng)變片組成的任何橋路的輸出均會受到貼片環(huán)境、電阻應(yīng)變儀等因素的影響。

儀器在工作環(huán)境中產(chǎn)生的零漂和溫漂會隨著時間的改變而不斷增大，其數(shù)值上與輸出的應(yīng)變值相差甚小，致使測量結(jié)果粗糙，相對誤差增大。在一定程度上降低分辨率，嚴(yán)重影響測量結(jié)果。根據(jù)電橋理論分析可知，全橋的連接方式不僅能夠有效地提高靈敏度、精度及分辨率，而且可以利用自身橋路特性實現(xiàn)溫度補償，避免外界干擾，確保測量結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性，為實際測量提供更為準(zhǔn)確的分析效果。

（3） 儀器的選擇。實驗測試中，為避免長導(dǎo)線增大電橋橋臂初始電阻，采用必創(chuàng)科技公司的SG403/404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)換。無線數(shù)字信號傳輸方式不僅消除了長導(dǎo)線傳輸帶來噪聲干擾，減少外界對測量電路損失，而且整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力，體積小巧，操作方便，工作效率高。

2 "測試驗證及總結(jié)

以某水泥廠的實際情況為例，[Φ4.8 "m×74 "m]的回轉(zhuǎn)窯由3檔支承系統(tǒng)支撐，選取中間2檔裝置作為測試對象進(jìn)行實驗驗證。按照設(shè)計的粘貼方式在軸承底座的一側(cè)進(jìn)行貼片，如圖6所示，工作片與受力方向保持一致，補償片則與之垂直，即R1，R3與支承力的方向一致，R2，R4與支承力的方向垂直，將2個應(yīng)變相同的應(yīng)變片接入相對橋臂上，組成全橋差動電路，不僅能夠有效的提高電橋靈敏度，而且能夠消除溫度誤差。橋路連接的示意圖如圖7所示。

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圖6 實際粘貼示意圖

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圖7 電橋接線方式示意圖

當(dāng)窯體不工作時，將窯體與托輪分離，在軸承底座進(jìn)行貼片。此時，測試電橋不受任何外力，電橋本身輸出電壓為：

[Uo=R2R4-R1R3R1+R4R2+R3U]

式中：[U]為供橋電壓;[Uo]為電橋輸出電壓， [R1～R4]為阻值相等的電阻應(yīng)變片。對應(yīng)的儀器顯示的輸出結(jié)果[ε1=12.8 "με]。

當(dāng)窯體作用在托輪上時，此時，[R2，R4]受拉，[R1，R3]受壓，根據(jù)電阻應(yīng)變片的工作原理可知，[R2，R4]阻值增大，[R1，R3]阻值減小，電橋的輸出電壓變?yōu)椋?/p>

[Uo′=R2+ΔR2R4+ΔR4-R1+ΔR1R3+ΔR3R1+R4R2+R3U]

對應(yīng)的儀器顯示的輸出結(jié)果為[ε1′=12.8 "με]。

因此，窯體作用后輸出結(jié)果產(chǎn)生的電壓變化量為

[ΔU=Uo′-Uo=R2ΔR4+R4ΔR2+ΔR2ΔR4-R1ΔR3-R3ΔR1-ΔR1ΔR3R1+R4R2+R3U]

根據(jù)上述分析可知，[ΔR2gt;0，ΔR4gt;0，ΔR1lt;0，][ΔR3lt;0]推斷出[ΔUgt;0]。電橋的輸出的經(jīng)過儀器的分析轉(zhuǎn)換進(jìn)行放大，可以判斷輸出變化量為正值，即可得：

[Δε=ε1′-ε1 " " "=27.3-12.8 " " "=14.5 "με]

由上可知[Δεgt;0]符合理論推導(dǎo)。通過查閱相關(guān)資料，可以確定支承系統(tǒng)的各項參數(shù)，根據(jù)力在結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換關(guān)系實現(xiàn)力的標(biāo)定，求出支承力的大小。通過實驗發(fā)現(xiàn)，實際的操作過程中仍然存在不足之處，需要進(jìn)一步完善，以使該方法廣泛的用于測量大型構(gòu)件受力的大小。具體總結(jié)如下：

（1） 實際的測試系統(tǒng)中，各裝置重量均在噸級以上，改變各裝置的狀態(tài)如加載、卸載等方式均存在一定難度，且在操作上耗費時間、人力。在長期的生產(chǎn)工作中，裝置的狀態(tài)會隨之發(fā)生變化，很難還原初始狀態(tài)。因此，對于大型重物的測量需要把握測試的初始狀態(tài)，即找到可參考的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，避免裝置上的重復(fù)操作，從而有效分析測試系統(tǒng)的變化特點。

（2） 為了實現(xiàn)現(xiàn)場的長期監(jiān)測，要確保應(yīng)變片工作的穩(wěn)定性及可靠性。首先，應(yīng)變片的粘貼需要嚴(yán)格按照貼片流程進(jìn)行操作，如打磨、除污、焊接等步驟，確保膠層均勻，避免粘貼不良或固化不充分出現(xiàn)零漂或蠕變，機械滯后變大，數(shù)據(jù)分析重復(fù)性和線性不好。再者，做好有效防護(hù)措施應(yīng)對天氣變化及工作環(huán)境的影響，防止應(yīng)變片受潮和腐蝕物質(zhì)的侵蝕及機械損傷。

（3） 測試過程中，提高靈敏度對于分析受力變化起著重要的作用，選擇改變供橋電壓等方式提高靈敏度能夠更加準(zhǔn)確的反映工作狀態(tài)。

3 "結(jié) "語

應(yīng)變測試方法在一定程度上能夠有效地測量托輪受力的大小，運用過程中需要根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及工作環(huán)境的不同而設(shè)計合適的方案，通過對其不足不斷地改進(jìn)和完善，使其能夠在更多領(lǐng)域得到充分發(fā)展。

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