張 云,劉念強(qiáng)

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

回轉(zhuǎn)窯是水泥行業(yè)的核心設(shè)備，其能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有巨大影響?；剞D(zhuǎn)窯主要由筒體、輪帶、托輪、大齒圈等組成，輪帶對(duì)筒體起加固作用[1]。當(dāng)輪帶間隙過大時(shí)，其附近筒體橫向橢圓變形會(huì)變大，導(dǎo)致窯襯磚松動(dòng)脫落[2-3]，引發(fā)“紅窯”停產(chǎn)事故。因此，控制輪帶熱態(tài)間隙在合理范圍內(nèi)對(duì)保證窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常關(guān)鍵[4]?，F(xiàn)國內(nèi)2 000 t/d以上水泥回轉(zhuǎn)窯約1 500條，其中僅約50%的窯裝有輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)，且其間隙監(jiān)測精度±1～2 mm，不能滿足企業(yè)的要求。目前水泥企業(yè)對(duì)窯輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)仍有大量的需求。因此有必要開展研究高測量精度的回轉(zhuǎn)窯輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)。

1 輪帶間隙對(duì)回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

新型干法回轉(zhuǎn)窯全部采用松套輪帶。窯是大型熱工設(shè)備，隨著窯體溫度及輪帶與筒體之間墊板磨損的變化，輪帶熱態(tài)間隙會(huì)隨之變化，間隙過大會(huì)使其附近筒體橢圓度增大，同時(shí)也會(huì)加快墊板與輪帶之間的磨損。

1.1 輪帶間隙范圍的控制

輪帶間隙過大會(huì)減少對(duì)筒體及襯磚的加固作用，如圖1所示。輪帶間隙過小又會(huì)使筒體發(fā)生“縮頸”現(xiàn)象，如圖2所示。它們都會(huì)引起耐火磚的松動(dòng)、甚至脫落[5]。

圖1 輪帶間隙對(duì)窯橢圓度及襯磚影響

圖2 輪帶間隙過小使筒體"縮頸"影響襯磚

因此，監(jiān)測和控制輪帶間隙在合理范圍內(nèi)是窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要參數(shù)之一。

1.2 輪帶間隙對(duì)筒體橢圓度的影響

表1為某5 000 t/d水泥回轉(zhuǎn)窯一檔時(shí)測量輪帶間隙與筒體橢圓度的數(shù)據(jù)。從表1可看出，輪帶附近筒體橢圓度與輪帶間隙成正比關(guān)系。

從圖1可知，輪帶間隙增大導(dǎo)致其附近筒體橢圓度的增大，引起筒體內(nèi)襯磚所受拉伸和擠壓等方面機(jī)械應(yīng)力的增加。當(dāng)回轉(zhuǎn)窯筒體的橢圓度大于0.1D%(D為筒體直徑，單位為m)時(shí)，耐火磚將會(huì)發(fā)生松動(dòng)、扭曲及斷裂，甚至脫落而發(fā)生“紅窯”停產(chǎn)事故。

表1 水泥回轉(zhuǎn)窯輪帶間隙與橢圓度

2 回轉(zhuǎn)窯輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 輪帶間隙的測量原理

如圖3所示，假設(shè)輪帶和筒體都是理想圓，從圖3中的幾何關(guān)系可得出回轉(zhuǎn)窯輪帶和筒體之間的間隙δ為：

δ=Dt-Ds

(1)

式中：Dt為輪帶的內(nèi)直徑；Ds為帶墊片筒體的外直徑。

圖3 輪帶間隙示意圖

窯在運(yùn)轉(zhuǎn)中，輪帶與筒體之間相對(duì)滑動(dòng)量極小。假設(shè)輪帶與筒體沒有相對(duì)滑動(dòng)，則在A點(diǎn)處輪帶速度Vt與筒體速度Vs相等：

Vt=Vs

(2)

(3)

式中：Tt為輪帶回轉(zhuǎn)周期；Ts為筒體回轉(zhuǎn)周期。將式(3)帶入式(1)，則輪帶間隙[6-7]為：

δ=Ds(Tt/Ts-1)

(4)

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3檔回轉(zhuǎn)窯輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集硬件與數(shù)據(jù)處理分析軟件組成。在數(shù)據(jù)采集硬件中，采用4個(gè)接近開關(guān)傳感器采集3個(gè)輪帶與筒體的周期信號(hào)，由4個(gè)高精度采樣時(shí)間的計(jì)數(shù)器同時(shí)完成它們各自的周期采集。輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)圖

中控室人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺(tái)獲得的輪帶間隙值和變化趨勢情況來幫助判斷窯運(yùn)行情況，及早對(duì)輪帶間隙值可能為“0”做預(yù)測與判斷，及時(shí)控制啟動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻輪帶下面的筒體，避免筒體發(fā)生嚴(yán)重的“縮頸”事故。監(jiān)測軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的主要功能如圖5所示。

基于LabVIEW的監(jiān)測平臺(tái)軟件分為3個(gè)模塊：數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊和風(fēng)機(jī)啟停控制模塊。

(1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊。輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)前面板界面如圖6所示。在前面板上有實(shí)時(shí)數(shù)值，也有間隙變化趨勢圖。用戶可以根據(jù)不同窯況設(shè)置間隙的上限與下限值，當(dāng)間隙超限值范圍時(shí)，指示燈亮做報(bào)警提醒。

(2)歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。本軟件采用MySQL數(shù)據(jù)庫對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。使用LabSQL Vis進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中表查詢、顯示和數(shù)據(jù)段插入等功能[8]。

數(shù)據(jù)庫操作功能包括：數(shù)據(jù)全面查詢、某一時(shí)間段查詢、列查詢、行列交叉查詢以及數(shù)據(jù)段插入。輪帶間隙數(shù)據(jù)全面查詢界面如圖7所示。

(3)風(fēng)機(jī)啟停模塊。中控室技術(shù)人員根據(jù)窯型號(hào)設(shè)置間隙的最小值，當(dāng)間隙為最小值后，報(bào)警燈亮。同時(shí)自動(dòng)控制安裝在各輪帶旁冷卻風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，以降低輪帶下方筒體的溫度，使輪帶間隙值大于最小值。

3 系統(tǒng)精度與可靠性仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的精度分析

通過對(duì)式(4)求微分，則輪帶間隙的理論測量誤差dδ為：

(Tt/Ts-1)|d(Dt)|

(5)

式中：d(Tt)為輪帶周期的測量誤差；d(Ts)為筒體周期的測量誤差；d(Ds)為筒體直徑的測量誤差。

對(duì)式(5)進(jìn)行簡化，則

dδ=2Ds|d(Ts)|/Ts+(Tt/Ts-1)|d(Ds)|

(6)

以5 000 t/d回轉(zhuǎn)窯為例，已知筒體直徑為4 800 mm，雖然該監(jiān)測系統(tǒng)采用50 ns定時(shí)器采集卡，但是由于接近開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間誤差約為5 us，因此其采集時(shí)間的測量誤差應(yīng)該是：d(Tt)=d(Ts)=5 us，設(shè)筒體直徑測量精度d(Ds)=1 mm，筒體旋轉(zhuǎn)周期Ts=15.34 s，則其測量間隙的理論誤差為：

dδ=2×4 800×5×10-6/15.34=0.003 mm

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性實(shí)驗(yàn)室仿真

為了驗(yàn)證該監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在實(shí)驗(yàn)室條件下利用單片機(jī)編寫仿真信號(hào)對(duì)該監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真實(shí)驗(yàn)及仿真界面如圖8所示。該單片機(jī)系統(tǒng)精確發(fā)送4個(gè)10 s左右的定時(shí)周期，其時(shí)間精度約為1 us。該監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)兩周進(jìn)行監(jiān)測運(yùn)行，未出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)、中斷等錯(cuò)誤情況，證明其在實(shí)驗(yàn)室工作的可靠性良好。

圖8 仿真實(shí)物

仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，該監(jiān)測系統(tǒng)測量輪帶間隙的實(shí)際誤差約為：d(δ)=0.03 mm。

4 結(jié)論

在窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，控制輪帶熱動(dòng)態(tài)間隙在合理范圍內(nèi)是窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要參數(shù)之一。它對(duì)延長窯筒體內(nèi)襯磚使用壽命和減小筒體橢圓變形十分重要。該監(jiān)測系統(tǒng)通過使用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明其測量間隙的實(shí)際誤差約為0.03 mm，可滿足現(xiàn)代水泥企業(yè)對(duì)輪帶間隙監(jiān)測精度的要求，并且該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

該輪帶間隙監(jiān)測系統(tǒng)近期將正式安裝在水泥回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場實(shí)際使用。它將為保證回轉(zhuǎn)窯輪帶熱態(tài)間隙控制在合理范圍內(nèi)提供一種先進(jìn)的在線監(jiān)測設(shè)備。