魏　濤　張　鋒,2　解先利　王國(guó)奇

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西西安,710021；

2.陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021)

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揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)技術(shù)

魏濤1張鋒1,2解先利1王國(guó)奇1

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西西安,710021；

2.陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的不足,本文介紹了一種揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)技術(shù),并從工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、檢測(cè)故障類型等方面對(duì)構(gòu)成該技術(shù)的兩種檢測(cè)手段(精密紅外成像和表面形貌測(cè)量)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與分析,最后通過實(shí)例證明了該技術(shù)的優(yōu)越性和可行性。

關(guān)鍵詞：揚(yáng)克烘缸；在線檢測(cè)；紅外成像技術(shù)；表面形貌測(cè)量技術(shù)

揚(yáng)克烘缸是現(xiàn)代衛(wèi)生紙機(jī)中最關(guān)鍵的部件,但在使用過程中常會(huì)發(fā)生諸多故障,嚴(yán)重影響紙機(jī)的正常運(yùn)行。究其原因,主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①由于長(zhǎng)期處于高溫高濕的工作環(huán)境中,揚(yáng)克烘缸容易發(fā)生腐蝕磨損且受損情況復(fù)雜[1-2]；②人為操作不當(dāng)會(huì)引起蒸汽泄露,甚至發(fā)生烘缸爆炸等事故[3]。因此,對(duì)揚(yáng)克烘缸進(jìn)行檢測(cè),可以及時(shí)獲知其運(yùn)行狀況,這樣不但可以為烘缸修磨提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù),有效改善成紙質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,而且能夠保證紙機(jī)的安全運(yùn)行,預(yù)防蒸汽泄露、烘缸爆炸等嚴(yán)重事故的發(fā)生,避免給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

傳統(tǒng)的揚(yáng)克烘缸檢測(cè)技術(shù)主要有：磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)和超聲波無(wú)損檢測(cè)等。其中,磁粉檢測(cè)僅限于鐵磁性材料,定量測(cè)定缺陷深度困難；滲透檢測(cè)技術(shù)工藝程序復(fù)雜,試液易揮發(fā),檢測(cè)精準(zhǔn)度不高；渦流檢測(cè)雖然對(duì)零件幾何等形狀引起的邊緣效應(yīng)敏感,但檢測(cè)精度不高；超聲波檢測(cè)存在檢測(cè)速度慢,周期長(zhǎng)等不足[4- 6]。針對(duì)上述情況,本文提出了一種揚(yáng)克烘缸的新型在線檢測(cè)技術(shù),其原理是：在精密紅外成像技術(shù)和表面形貌測(cè)量技術(shù)的協(xié)同作用下,對(duì)揚(yáng)克烘缸內(nèi)部和外部缺陷進(jìn)行在線檢測(cè)。目前,該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未得到應(yīng)用,但國(guó)外已經(jīng)將其應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。該技術(shù)具有檢測(cè)速度快、精度高、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境清潔等優(yōu)點(diǎn),能夠精確并全面地檢測(cè)出揚(yáng)克烘缸的故障和缺陷,檢測(cè)精度可達(dá)±0.01 mm,可以在很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的諸多不足。

1精密紅外成像技術(shù)

精密紅外成像技術(shù)是利用紅外輻射原理,反復(fù)對(duì)旋轉(zhuǎn)的揚(yáng)克烘缸進(jìn)行實(shí)時(shí)全幀掃描,通過紅外熱像儀采集揚(yáng)克烘缸熱輻射的紅外線特定波段信號(hào),并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為人眼可分辨的圖像和圖形,利用熱圖像灰度與溫度之間的關(guān)系進(jìn)一步計(jì)算出溫度值,獲得揚(yáng)克烘缸的全幀熱譜圖[7],能夠清晰直觀并全視角地反應(yīng)出揚(yáng)克烘缸溫度分布情況,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部缺陷,為修復(fù)提供分析數(shù)據(jù)。

圖3　激光三角測(cè)量原理圖

圖4　揚(yáng)克烘缸表面缺陷相對(duì)形貌圖

紅外熱像儀主要由紅外探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)等組成,其工作原理[8]如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)接受揚(yáng)克烘缸的紅外輻射能量分布圖形,并放映到紅外探測(cè)器的光敏元上,在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間,光掃描機(jī)構(gòu)對(duì)揚(yáng)克烘缸的紅外熱圖進(jìn)行掃描,并聚集在分光探測(cè)器上,由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)放大處理和轉(zhuǎn)換,最終通過監(jiān)測(cè)器顯示出揚(yáng)克烘缸的全幀紅外熱圖像,如圖2所示。

圖1　紅外熱成像原理圖

圖2　全幀紅外成像熱譜圖

利用精密紅外成像技術(shù)對(duì)揚(yáng)克烘缸進(jìn)行在線檢測(cè),主要有點(diǎn)、面和區(qū)域3種測(cè)溫方式(點(diǎn)測(cè)溫方式是對(duì)揚(yáng)克烘缸上某一點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),面測(cè)溫方式是對(duì)揚(yáng)克烘缸進(jìn)行全幀檢測(cè),區(qū)域測(cè)溫方式是對(duì)某些特殊的區(qū)域進(jìn)行局部溫度測(cè)量與分析),通過不同測(cè)溫方式的配合使用,能夠準(zhǔn)確檢測(cè)揚(yáng)克烘缸溫度分布情況,從而通過分析判斷得出揚(yáng)克烘缸內(nèi)部的缺陷及故障,比如：缸壁內(nèi)部缺陷、冷凝水排出不暢、虹吸管破裂或堵塞、立管夾具泄漏、供汽不均勻、缸蓋和缸壁連接處蒸汽泄漏、烘缸中高曲線變形、缸壁同心度超標(biāo)等問題[9]。

2表面形貌測(cè)量技術(shù)

表面形貌測(cè)量技術(shù)是根據(jù)激光測(cè)距原理,通過激光測(cè)距探頭對(duì)揚(yáng)克烘缸表面進(jìn)行反復(fù)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)揚(yáng)克烘缸表面形貌測(cè)量。激光測(cè)距探頭主要由激光器、光學(xué)透鏡、反光鏡和位置敏感器件等組成。其原理是激光光源射源投射一束細(xì)光束到揚(yáng)克烘缸缸面形成一微小點(diǎn),位置敏感器件接受從揚(yáng)克烘缸缸面漫反射回來(lái)的一部分光,根據(jù)漫反射光在位置敏感器件上的成像位置,經(jīng)信息處理和計(jì)算機(jī)技術(shù),得到揚(yáng)克烘缸表面的形貌圖[10],反應(yīng)烘缸表面的具體情況。激光三角測(cè)量原理如圖3所示。

對(duì)揚(yáng)克烘缸表面進(jìn)行形貌測(cè)量是通過激光探頭的勻速往復(fù)作用,由探頭向低速旋轉(zhuǎn)的揚(yáng)克烘缸表面發(fā)射穩(wěn)定的激光束,并采集部分漫反射光束,然后將信號(hào)送給計(jì)算機(jī),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和圖像技術(shù),最終得到揚(yáng)克烘缸表面形貌的三維立體圖像[10],即缺陷的深度與烘缸橫向位置、烘缸周向位置(螺栓號(hào)數(shù))形貌位置關(guān)系圖,如圖4所示。

表面形貌測(cè)量技術(shù)能夠?qū)P(yáng)克烘缸表面進(jìn)行在線檢測(cè),其檢測(cè)過程通常是在停機(jī)情況下進(jìn)行的。利用表面形貌測(cè)量技術(shù)可以獲得揚(yáng)克烘缸表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差值(如圖5所示),可以非常直觀并精確地反映出揚(yáng)克烘缸表面的缺陷,比如：腐蝕帶來(lái)的凹坑、斑點(diǎn)、針孔,烘缸中高曲線變形,缸壁同心度超標(biāo)等問題[9]。為后續(xù)的缸面修磨工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),尤其適合于對(duì)帶有中高的大型揚(yáng)克烘缸表面的檢測(cè)。

圖5　揚(yáng)克烘缸表面形貌測(cè)量圖像

圖6　揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

技術(shù)性能傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)磁粉滲透渦流超聲波新型在線檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)靈敏度較高,操作簡(jiǎn)便,結(jié)果可靠直觀靈敏度較高,顯示直觀,可檢測(cè)大型不規(guī)則工件及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)化程度高,不必清理表面,省時(shí)對(duì)缺陷敏感,獲得結(jié)果迅速,缺陷定位方便工作效率高,檢測(cè)精度高,檢測(cè)速度快,在線檢測(cè)缺點(diǎn)只限于鐵磁性材料,不能定量測(cè)定缺陷深度工藝程序復(fù)雜,試液易揮發(fā),檢測(cè)精準(zhǔn)度不高對(duì)零件形狀引起的邊緣效應(yīng)敏感,精度不高速度慢,檢測(cè)周期長(zhǎng)設(shè)備投資大

3兩種技術(shù)協(xié)同作用

揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)技術(shù)通過精密紅外成像技術(shù)和表面形貌測(cè)量技術(shù)的組合,利用各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì),能夠?qū)P(yáng)克烘缸的內(nèi)部和外部缺陷或故障做出更加精準(zhǔn)地檢測(cè)。該技術(shù)是通過電機(jī)的傳動(dòng)作用,使架在導(dǎo)軌上的激光探頭和紅外熱像儀做勻速的往復(fù)作用,分別對(duì)旋轉(zhuǎn)的揚(yáng)克烘缸進(jìn)行掃描,采集信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和圖像技術(shù),分別得到揚(yáng)克烘缸表面形貌的三維立體圖像和揚(yáng)克烘缸的全幀熱譜圖,然后進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,最終判斷出揚(yáng)克烘缸的運(yùn)行狀況、故障原因、缺陷類型及坐標(biāo)等,為揚(yáng)克烘缸的檢修和維護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)(如磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè))的優(yōu)缺點(diǎn)比較[11]如表1所示。揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)技術(shù)在揚(yáng)克烘缸缺陷檢測(cè)方面的應(yīng)用,國(guó)外也已有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)。

4應(yīng)用實(shí)例

國(guó)外某廠停機(jī)檢修的揚(yáng)克烘缸(主要參數(shù)：車速1800 m/min、蒸汽壓力0.827 MPa),工作人員發(fā)現(xiàn)其存在刮刀磨損嚴(yán)重和紙機(jī)生產(chǎn)效率降低等故障,故采用新型在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)其問題進(jìn)行診斷[9]。

首先,對(duì)該紙機(jī)的揚(yáng)克烘缸進(jìn)行精密紅外成像檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看到幾處異常：在揚(yáng)克烘缸前邊緣出現(xiàn)連續(xù)的暗條紋,后邊緣出現(xiàn)不連續(xù)的暗條紋,并且沿烘缸軸向發(fā)現(xiàn)多個(gè)隨機(jī)出現(xiàn)的暗色斑點(diǎn),經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),這些暗條紋處于揚(yáng)克烘缸虹吸管處,暗色斑點(diǎn)似乎與揚(yáng)克烘缸缸面坐標(biāo)位置有關(guān)。因此,由圖7得出以下結(jié)論，①該揚(yáng)克烘缸的虹吸管堵塞,烘缸內(nèi)冷凝水排出不暢；②缸面受腐蝕磨損后存在凹坑、斑點(diǎn)和針孔等缺陷。

圖7　揚(yáng)克烘缸熱譜圖

圖8　揚(yáng)克烘缸表面形貌圖

圖9　指定位置的烘缸斷面輪廓圖

然后,為了評(píng)估揚(yáng)克烘缸表面問題,并確定揚(yáng)克烘缸出現(xiàn)暗色斑點(diǎn)的原因,對(duì)該紙機(jī)的揚(yáng)克烘缸進(jìn)行表面形貌測(cè)量,檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。圖9具體給出了揚(yáng)克烘缸上指定位置沿軸向的變形輪廓圖,其中所示數(shù)字為螺栓號(hào)數(shù),相鄰圓圈間距為0.13 mm。從圖8中得出，沿?fù)P克烘缸表面后邊緣存在明顯斑點(diǎn),通過數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)在60號(hào)螺栓位置附近烘缸表面存在深度大約0.89 mm的凹坑。從圖9中得出，①在85號(hào)螺栓位置附近存在深度大約0.3 mm的凹坑,通過更加精確的數(shù)據(jù)得出,這是兩個(gè)相連的凹坑；②在前邊緣110號(hào)和150號(hào)螺栓位置附近,均存在凸點(diǎn),為涂料在缸面粘黏所致；③在160號(hào)到10號(hào)螺栓之間的位置,烘缸直徑小于設(shè)計(jì)直徑約0.07 mm,為刮刀磨損所致。

5結(jié)語(yǔ)

揚(yáng)克烘缸是高速衛(wèi)生紙機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備,烘缸內(nèi)部和外部的故障和缺陷嚴(yán)重影響著紙機(jī)的生產(chǎn)效率和安全性,快速檢測(cè)及診斷揚(yáng)克烘缸的故障和缺陷對(duì)紙機(jī)操作具有非常重要的意義。揚(yáng)克烘缸新型在線檢測(cè)技術(shù)綜合了精密紅外成像和表面形貌測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì),與傳統(tǒng)技術(shù)相比,不但能夠同時(shí)檢測(cè)烘缸內(nèi)部和外部的故障和缺陷,而且能夠更加快速地給出故障和缺陷的精準(zhǔn)坐標(biāo),從而為揚(yáng)克烘缸的修磨和維護(hù)提供更加可靠的依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：常青)

New On-line Detection Technology of Yankee Dryer

WEI Tao1,*ZHANG Feng1,2XIE Xian-li1WANG Guo-qi1

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;

2.ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 269157172@qq.com)

Abstract：Considening the shortcomings of traditional detection techniques, this paper described an efficient on-line detection technology of Yankee dryer. From working principle, technical characteristics, the types of fault being detected and other aspects, the precise infrared imaging technique and surface topography measurements technique which constitute this technology were described and analyzed in detail. Finally, the superiority and feasibility of the technology were proved by a practical example.

Key words：Yankee dryer; on-line detecting; precision infrared thermography; operating surface topography

基金項(xiàng)目：陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(11JS017)。

收稿日期：2015- 07- 03(修改稿)

中圖分類號(hào)：TS734+.3；TH17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.009

作者簡(jiǎn)介：魏濤先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械設(shè)備與控制。