《武汉工程大学学报》 2021年03期
334-337
出版日期：2021-06-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
回转窑中心线偏差动态测量新法
回转窑是建材、冶金等行业的核心设备［1］，其主要由筒体和多组轮带、托轮支承组构成［2］。因长期处于重载运转、高温多尘等恶劣环境下，窑体不同程度磨损，回转窑中心线的直线度是衡量窑体状态的重要指标［3］。在长期生产中，由于各档轴承座的不均匀下沉、托轮调整不当、支承件的磨损等因素，回转窑的运行轴线会偏离理论轴线，使筒体出现产生周期性弯曲和径向变形［4］。导致托轮严重超载或轮轴断裂、托轮座甚至窑墩强烈振动、筒体弯曲变形大或出现裂纹，甚至发生窑体断裂等重大事故，使企业蒙受经济损失。窑运转率决定企业产量和效益［5］，为此需要定期检测筒体轴线的水平、竖直偏差，及时校准，减少停窑损失［6］。目前国外代表性的测量方法有如下几种：德国Polysius公司的托轮位置测量法［7］，该方法采用测地学原理来观测各档托轮的轴心坐标、托轮和轮带的直径以及轮带与筒体间隙，最后计算出筒体中心线位置。虽然能够准确测量出托轮轴心的空间坐标，但测量仪器昂贵，费用高，且对操作人员技术要求较高，存在较大的观测误差。美国Phillips公司的直接测量法［8］，在一根横梁上安装3个激光传感器，根据传感器得出的数据，利用三角定理计算出筒体中心点位置。该方法简单便捷，但设备昂贵，操作复杂，测量点的位置是不确定的。国内代表性的测量方法有：武汉理工大学研究的KAS-3型中心线测量系统［10］，测量传感器探头与基准面的距离，2个位移传感器分别安装在筒体水平直径线和垂直直径线上，测得轮带表面变化。水平位移传感器测量水平坐标，垂直位移传感器测量垂直坐标，从而得到轮带的中心位置。虽然精度较高，但是体积大，线缆多，不便移动，安装时需要高空作业也不够安全［11］。中南大学研究的零位移方向键相法，依据在各档两托轮内侧15°方向筒体应变为0，但在对回转窑进行动态分析的结论中，并没有明确指出筒体应变为0的区域是在15°方向，而且实际生产中，筒体上应变为零的区域也会随着筒体的偏移而发生改变。通过分析国内外回转窑中心轴线测量的方法，笔者提出一种既能满足精度要求，又简单方便的回转窑中心线偏差动态测量方法。通过各档位左右托轮中心架设水平基准横梁，建立实基准。以轮带中心、左右托轮中心连线组成三角形模型，通过解三角形求出筒体的动态回转中心点。连接首尾档中心点，然后求得中间各档筒体中心到该连线的水平偏差和竖直偏差值。与传统方法相比，建立实基准后测得的结果更能准确反映回转窑的实际情况，激光定位测量也能达到一定的测量精度要求。测量数据为调整回转窑工艺规程及托轮摆放位置、改善筒体受力状况、预防托轮轴瓦发热提供依据［12］。目前在多家水泥回转窑上得到应用，并取得了较好的效果。1 回转窑中心线动态测量的原理和方法回转窑通常为多点支承，假设有N个支撑档位（N为3～9）。在每一档位处有2个托轮通过轮带将窑体支撑起来，筒体轴线与水平面存在一定的斜度。每个支承档位均由1个箱型底座、2个托轮、4个轴承座以及套在筒体上的轮带等部件构成［13］。对回转窑运行轴线的评价包括水平直线度和垂直直线度，即轴线在水平面和垂直面内的投影的直线度。为此，需测量的参量包括托轮与轮带直径，轮带与筒体间隙、左右托轮基础沉降量、各档位轮带、筒体和托轮中心位置坐标等。1.1 轮带与托轮直径的测量轮带及托轮的直径可以通过测量其周长来确定，测量原理如图1（a）所示，为满足其测量精度，要求压轮与被测件表面之间作无滑动的滚动，而且被测件两者工作面平行，以保证测速压轮表面的线速度与托轮和轮带表面的线速度一致，而单滚轮很难保证与被测件表面的线速度一致，为此采用双滚轮同轴结构的设计［14］。采用两个精确等直径的滚轮同轴连接，且滚轮外径工作面进行微小的防滑纹处理，具体结构如图1（b）所示。图1 轮带和托轮直径测量：（a）测量原理图，（b）压轮结构图Fig. 1 Diameter measurement of tyre and supporting roller： （a） schematic diagram of measuring， （b） structure of pressure roller测速压轮转动一周，编码器输出360个脉冲，单个脉冲代表的周长为1 mm。当托轮和轮带转动N圈时，测速压轮转动n圈，转动时间为T，则可求得托轮直径di和轮带直径Di（i为1~n，n≥3）：[Di=360nNπ] （1）1.2 窑体中心线的测量通过建立水平横梁标尺，间接测得窑体各档轮带的中心点坐标，得到窑体中心线。测得轮带和筒体间隙后，通过计算可以得到各档位筒体的中心，其测量原理如图2所示。 筒体中心的计算：1）先求出3个中心点所构三角形的α角[cosα=(OiOiz)2+(OiyOiz)2-(OiOiy)22(OiOiz)(OiyOiz)]（2）2）左右托轮中心连线倾角θ为：[θ=arctanhirOiyOiz] （3）3）轮带中心投影点Ai相对于左托轮中心的距离O[iz]Ai为：[OizAi=(riz+Ri)cos(α+θ)] （4）4）轮带中心到水平横梁投影点的竖直距离Yia为：[Yia=(riz+Ri)sin(α+θ)] （5）5）将每档轮带在水平横梁上的投影点向左或向右平移至视野开阔地带，距离为X。1.3 各档轮带中心线偏差的测量用全站仪观测各档轮带中心点平移后数据［15］，轮带中心点测量如图3所示。图3 轮带中心点测量：（a）现场实物图，（b）测量原理图Fig. 3 Measurement of tire center point：（a） on-site physical map， （b） schematic diagram of measurement记录各档轮带观测点的坐标Ⅰ（N1，E1，Z1），Ⅱ（N2，E2，Z2），Ⅲ（N3，E3，Z3）。1）筒体水平偏差ΔXi的测量，其测量原理如图4（a）所示。将各档轮带中心点投影到水平面内，连接首尾两档投影点成一直线，求出中间各档投影点偏离直线的距离即为水平偏差ΔXi。由于筒体和轮带中心在同一竖直平面内，所以在水平面内的投影相同，即筒体和轮带中心线水平偏差相同。计算过程如下： [ΔXi=N1-N3E1-E3E2-E1+N1-N2] （6）当ΔXi值为正时，中间各档轮带中心点往直线右边（从窑尾往窑头看分左右）偏离，为负时往左偏离。2）筒体竖直偏差的测量，测量前需求出轮带中心线的竖直偏差[ΔHi]，原理如图4（b）。轮带中心线竖直偏差计算过程如下：[Hi=Yi+Zi] （i=1~n）[H=(N1-N2)(H3-H1)N1-N3+H1] （7）[ΔHi=H-H2] （8）式中：H为在坐标系中2档处对应在轮带中心线上的纵坐标；[ΔHi]为轮带中心线竖直偏差，i为档位。筒体中心线竖直偏差ΔHit计算：[δi=Din-di=di(TiTd-1)] （9）[Hit=Yia-12δi+Zi] （10）[Ht=(N1-N2)(H3t-H1t)N1-N3+H1t] （11）[ΔHit=Ht-H2t] （12）ΔHit的值为正数时，中间各档中心点向首尾档中心连线下方偏离；为负数时，中间各档轮带中心点向上偏离。2 回转窑中心线偏差动态测量新方法的应用使用此新方法对安徽中材水泥其中一条日产5 000 t水泥回转窑进行了在线测量，该回转窑有3档轮带，用双滚轮结构对托轮和轮带直径进行了测量，测量精度在±0.1 mm，水平横梁定位精度在±0.3 mm。主要测量数据如表1所示。表1 安徽中材水泥回转窑测量数据表Tab. 1 Measurement data sheet of Anhui Sinoma Cement Rotary Kiln mm[档位 Ni Ei Zi Yia δ Ⅰ 62 885 5 828 -4 325 3 368.276 3.47 Ⅱ 37 678 3 908 -3 478 3 541.918 12.5 Ⅲ 8 872 1 676 -2 214 3 374.95 4.04 ]计算后得到水平偏差ΔX=－17.63 mm，即向中心线左方偏离17.63 mm。竖直偏差ΔH=7.58 mm，即向中心线下方偏离7.58 mm。同时根据现场窑体实际情况发现，在第二档左侧托轮温度较高，表面磨损严重。正好印证测量结果中心线向左侧偏离。厂方根据测量结果将Ⅱ档分3次向右向上进行了调整，Ⅱ档处的振动显著减小，窑体运转状态也有明显改善，整个测量和调整过程取得了较好的效果。3 结 论以上论述了动态测量大型回转窑轴线的原理和方法。通过测量托轮和轮带直径，建立三角模型，架设水平横梁，将中心点平移至开阔地带，用全站仪测量平移后的各档位中心点，进一步求出中心线偏差的方法。测量精度可达到0.5 mm。此方法既避免了停窑造成的生产损失，其测量结果又为定期观测回转窑的运转状态和维修调整提供依据，为水泥生产厂方稳定生产提供有效保障。