張 云 劉必成

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

回轉(zhuǎn)窯被廣泛應(yīng)用于建材、冶金、化工、環(huán)保等許多生產(chǎn)行業(yè)，它是水泥工業(yè)中的核心熱工設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯需要長期在高溫、重載、多塵的復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下工作，且筒體內(nèi)部的工作溫度分布不均，溫差可達數(shù)百攝氏度，即使有耐熱材料阻隔，高溫也會造成筒體表面熱彎曲變形，從而對托輪產(chǎn)生不均勻的載荷沖擊，引起托輪軸瓦溫度升高，甚至可能導(dǎo)致托輪軸瓦燒壞，引發(fā)停窯事故。同時，筒體表面的形變會引起回轉(zhuǎn)窯筒體中心線的偏移，導(dǎo)致左右托輪長時間受力不均，同樣會引起托輪軸瓦溫度升高，甚至托輪位置發(fā)生變化。停窯將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯中心線的狀態(tài)檢測，對于及時發(fā)現(xiàn)早期故障具有重要的研究價值。

回轉(zhuǎn)窯中心線是長期動態(tài)變化的，目前國內(nèi)外對回轉(zhuǎn)窯中心線問題仍以檢測為主。對回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測方法主要有靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測。靜態(tài)檢測要求回轉(zhuǎn)窯停止運轉(zhuǎn)，現(xiàn)場無震動和高溫影響，測量精度較高，但此時回轉(zhuǎn)窯的狀態(tài)與其正常運轉(zhuǎn)時存在較大差異，因此，靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)不適用于動態(tài)運轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯，不能作為回轉(zhuǎn)窯的調(diào)整依據(jù)，必須進行動態(tài)檢測。

國內(nèi)外具有代表性的回轉(zhuǎn)窯中心線測量系統(tǒng)或方法有：（1）丹麥FLS公司研制的輪帶位置測量方法，主要是利用計算機的激光經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀聯(lián)合完成對筒體和輪帶外徑上六個空間位置的坐標(biāo)測定，并計算出輪帶的中心位置。（2）德國Polysius公司開發(fā)的托輪位置測量法，通過測量托輪、輪帶的動態(tài)直徑和輪帶與筒體之間的間隙，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出筒體軸線位置。（3）武漢理工大學(xué)的回轉(zhuǎn)窯三點十字對徑直接遠距離測量法，該方法采用直角坐標(biāo)系，在窯體兩側(cè)建立與筒體平行的基準(zhǔn)鉛垂面，并據(jù)此建立空間坐標(biāo)系，根據(jù)幾何關(guān)系可直接計算出各檔窯的中心點坐標(biāo)，檢測回轉(zhuǎn)窯的中心線狀態(tài)。

現(xiàn)階段回轉(zhuǎn)窯的故障檢測技術(shù)是一種事后檢測手段，當(dāng)故障已經(jīng)比較嚴(yán)重時才去作相應(yīng)的處理。此外，對回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測也存在著測量設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、測量成本較高等缺點。為解決上述不足，本文提出了一種新型的回轉(zhuǎn)窯中心線動態(tài)檢測方法，與以往相比，具有操作簡便、安全、精度高、成本低等優(yōu)點。

1 中心線檢測方法及原理

1.1 檢測方法

隨著檢測技術(shù)的進步和測量精度的提高，回轉(zhuǎn)窯動態(tài)檢測技術(shù)日趨成熟。對回轉(zhuǎn)窯中心線的動態(tài)檢測方法可分為兩類：一是直接測量法。即三點法或基于三點法的改進方法，其基本原理是將輪帶和筒體看成一個近似圓，通過對輪帶表面不同的三個位置進行空間坐標(biāo)測量，可得到輪帶的擬合圓，求出其中心坐標(biāo)；根據(jù)筒體與輪帶之間的間隙，可以求出回轉(zhuǎn)窯每一檔筒體的中心坐標(biāo)，從而得到回轉(zhuǎn)窯的中心線。二是間接測量法。就是測量托輪和輪帶的直徑、托輪軸心的空間坐標(biāo)，根據(jù)輪帶與托輪的幾何位置關(guān)系計算得到輪帶中心的坐標(biāo)；根據(jù)筒體與輪帶之間的間隙，可求出回轉(zhuǎn)窯各檔位筒體的中心坐標(biāo)，從而得到回轉(zhuǎn)窯的中心線。

直接測量法需要測量輪帶三個不同的表面位置，這些位置通常位于輪帶下表面三分之一處，擬合成的圓與輪帶的實際表現(xiàn)存在一定的差距，且計算較為復(fù)雜，操作難度較大，回轉(zhuǎn)窯的振動對傳感器測量有一定的影響，測量成本偏高；采用間接測量法測量輪帶和托輪的直徑及托輪的位置，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)筒體的中心坐標(biāo)，計算簡單、操作方便、測量成本低，所測得的各項數(shù)據(jù)均可間接反映回轉(zhuǎn)窯中心線的變化情況，并可為回轉(zhuǎn)窯調(diào)整提供參考價值。為此，研究人員決定采用間接法對回轉(zhuǎn)窯中心線在線檢測。

1.2 檢測原理

采用間接法在線檢測回轉(zhuǎn)窯中心線，需要測量回轉(zhuǎn)窯各檔位的輪帶、托輪數(shù)據(jù)，計算出各檔位筒體中心點的空間坐標(biāo)，以整個回轉(zhuǎn)窯為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，在回轉(zhuǎn)窯兩側(cè)建立平行于筒體的水平基準(zhǔn)線，分別測量每個檔位，計算出輪帶中心的坐標(biāo)（見圖1）。

圖1 輪帶中心檢測原理圖

由圖1可知，回轉(zhuǎn)窯的輪帶與筒體位置有明顯的幾何關(guān)系，間接測量法通過輪帶與托輪的幾何位置關(guān)系，經(jīng)測量托輪和輪帶的直徑及托輪中心位置計算輪帶中心坐標(biāo)。從原理圖可以看出，測量輪帶直徑D和左托輪直徑D1及左托輪1的軸心坐標(biāo)（y1，z1），經(jīng)過三角定理的公式，即可計算出該檔輪帶的中心坐標(biāo)C（y，z）。

假設(shè)輪帶中心坐標(biāo)為（y，z），計算步驟如下：

根據(jù)坐標(biāo)系中兩點的距離公式，可計算左托輪1和輪帶中心的距離L：

由式（1）和式（2）聯(lián)立，解得：

式（3）中：

b——左托輪的橫坐標(biāo)；

c——左托輪的縱坐標(biāo)；

r、R——左托輪、輪帶的半徑；

a——輪帶最低點的縱坐標(biāo)。

在回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)過程中，輪帶內(nèi)徑總是大于筒體外徑，所以，輪帶與筒體之間總存在間隙。間隙大小為：Q=Rn?r，Rn為輪帶內(nèi)徑。輪帶間隙可根據(jù)筒體和輪帶的回轉(zhuǎn)周期進行計算。筒體中心的坐標(biāo)可表示為：

2 中心線的檢測

2.1 輪帶和托輪直徑測量

依據(jù)中心線檢測原理，需要測量輪帶和托輪的直徑參數(shù)，本文采用滾輪法測量托輪和輪帶的直徑，測量原理如圖2所示。

圖2 滾輪法測量原理圖

將直徑為100mm的滾輪安裝到光電編碼器上，該編碼器軸旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生1 000個脈沖信號。在理想狀態(tài)下，測量滾輪與被測件之間的純滾動，其表面的線速度大小相等，則滾輪與被測件的直徑關(guān)系為：

在直徑測量系統(tǒng)中采用霍爾開關(guān)控制采集的開始和停止。將磁鐵吸附在被測件表面，霍爾傳感器固定在能穩(wěn)定觸發(fā)信號的位置。當(dāng)觸發(fā)霍爾開關(guān)上的信號時，系統(tǒng)只采集被測件旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖信號，按公式（5）計算出被測件的直徑。

2.2 托輪中心位置測量

武漢理工大學(xué)回轉(zhuǎn)窯檢測中心采用中國發(fā)明專利的測量方法測量托輪的空間位置，其原理如圖3-A所示。在回轉(zhuǎn)窯兩側(cè)建立平行于窯軸線的基準(zhǔn)鉛錘面MM`、NN`，在托輪兩側(cè)分別設(shè)置全站儀，將靶點M、M`安裝在基準(zhǔn)線上，從O點開始分別測量 M、M`點（第一個測量M點），然后，測量托輪端面的回轉(zhuǎn)中心A、B（用軸孔定心器定位），得到平距LM、LOM`、LA、LB，高差 HM、HM`、HA、HB和水平角αM`、αA、αB（測量M點時，水平角置零）；同理，由O`點測量M`、M、A`、B`點，得到相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖3-B所示的空間原理，可求得A點的空間位置坐標(biāo)，具體計算公式如式（6）～（10）。以點O為基準(zhǔn)建立水平面，點M、M`、A在水平面的投影分別為點 Mt、M`t、At。

圖3 動態(tài)托輪中心位置測量原理

A點到基準(zhǔn)面MM`的深度s可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系求得：

則A點的空間坐標(biāo)為：

XA=XM+LMtD;

YA=s ;

ZA=ZM+(HA-HM)。

3 誤差分析

在回轉(zhuǎn)窯中心線的整個測量系統(tǒng)中，中心線的計算結(jié)果必然存在一定的誤差。對于回轉(zhuǎn)窯的每一個檔位都要對測量結(jié)果進行誤差分析。

以下對計算出的橫縱坐標(biāo)分別進行誤差分析：

（1）Y值誤差分析

由式（1）和式（2）知，輪帶中心的橫坐標(biāo)可表示為：

由式（12）和式（13）聯(lián)立可得：

分析結(jié)果表明，該檢測方法誤差較小，適合回轉(zhuǎn)窯中心線的動態(tài)檢測。

4 結(jié)語

本文所介紹的回轉(zhuǎn)窯中心線檢測方法安全可靠，檢測方便、快捷，測量精度高。通過測量輪帶與托輪直徑、托輪中心位置和輪帶與筒體間的間隙間接得到回轉(zhuǎn)窯中心線，各檔筒體中心的三維坐標(biāo)可以更加直觀地顯示出回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)過程中中心線的狀態(tài)，為回轉(zhuǎn)窯的各類故障分析提供有力的依據(jù)。使用本方法定期對回轉(zhuǎn)窯中心線進行在線檢測，可及時發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的早期問題，及時調(diào)整回轉(zhuǎn)窯狀態(tài)，避免了大故障的發(fā)生，提高了回轉(zhuǎn)窯的工作效率。