梅 佳，廖義德，郭家欣

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢430205

回轉(zhuǎn)窯是建材、冶金等行業(yè)的核心設備［1］，其主要由筒體和多組輪帶、托輪支承組構(gòu)成［2］。因長期處于重載運轉(zhuǎn)、高溫多塵等惡劣環(huán)境下，窯體不同程度磨損，回轉(zhuǎn)窯中心線的直線度是衡量窯體狀態(tài)的重要指標［3］。在長期生產(chǎn)中，由于各檔軸承座的不均勻下沉、托輪調(diào)整不當、支承件的磨損等因素，回轉(zhuǎn)窯的運行軸線會偏離理論軸線，使筒體出現(xiàn)產(chǎn)生周期性彎曲和徑向變形［4］。導致托輪嚴重超載或輪軸斷裂、托輪座甚至窯墩強烈振動、筒體彎曲變形大或出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生窯體斷裂等重大事故，使企業(yè)蒙受經(jīng)濟損失。窯運轉(zhuǎn)率決定企業(yè)產(chǎn)量和效益［5］，為此需要定期檢測筒體軸線的水平、豎直偏差，及時校準，減少停窯損失［6］。

目前國外代表性的測量方法有如下幾種：德國Polysius公司的托輪位置測量法［7］，該方法采用測地學原理來觀測各檔托輪的軸心坐標、托輪和輪帶的直徑以及輪帶與筒體間隙，最后計算出筒體中心線位置。雖然能夠準確測量出托輪軸心的空間坐標，但測量儀器昂貴，費用高，且對操作人員技術(shù)要求較高，存在較大的觀測誤差。美國Phillips公司的直接測量法［8］，在一根橫梁上安裝3個激光傳感器，根據(jù)傳感器得出的數(shù)據(jù)，利用三角定理計算出筒體中心點位置。該方法簡單便捷，但設備昂貴，操作復雜，測量點的位置是不確定的。國內(nèi)代表性的測量方法有：武漢理工大學研究的KAS-3型中心線測量系統(tǒng)［10］，測量傳感器探頭與基準面的距離，2個位移傳感器分別安裝在筒體水平直徑線和垂直直徑線上，測得輪帶表面變化。水平位移傳感器測量水平坐標，垂直位移傳感器測量垂直坐標，從而得到輪帶的中心位置。雖然精度較高，但是體積大，線纜多，不便移動，安裝時需要高空作業(yè)也不夠安全［11］。中南大學研究的零位移方向鍵相法，依據(jù)在各檔兩托輪內(nèi)側(cè)15°方向筒體應變?yōu)?，但在對回轉(zhuǎn)窯進行動態(tài)分析的結(jié)論中，并沒有明確指出筒體應變?yōu)?的區(qū)域是在15°方向，而且實際生產(chǎn)中，筒體上應變?yōu)榱愕膮^(qū)域也會隨著筒體的偏移而發(fā)生改變。

通過分析國內(nèi)外回轉(zhuǎn)窯中心軸線測量的方法，筆者提出一種既能滿足精度要求，又簡單方便的回轉(zhuǎn)窯中心線偏差動態(tài)測量方法。通過各檔位左右托輪中心架設水平基準橫梁，建立實基準。以輪帶中心、左右托輪中心連線組成三角形模型，通過解三角形求出筒體的動態(tài)回轉(zhuǎn)中心點。連接首尾檔中心點，然后求得中間各檔筒體中心到該連線的水平偏差和豎直偏差值。與傳統(tǒng)方法相比，建立實基準后測得的結(jié)果更能準確反映回轉(zhuǎn)窯的實際情況，激光定位測量也能達到一定的測量精度要求。測量數(shù)據(jù)為調(diào)整回轉(zhuǎn)窯工藝規(guī)程及托輪擺放位置、改善筒體受力狀況、預防托輪軸瓦發(fā)熱提供依據(jù)［12］。目前在多家水泥回轉(zhuǎn)窯上得到應用，并取得了較好的效果。

1 回轉(zhuǎn)窯中心線動態(tài)測量的原理和方法

回轉(zhuǎn)窯通常為多點支承，假設有N個支撐檔位（N為3～9）。在每一檔位處有2個托輪通過輪帶將窯體支撐起來，筒體軸線與水平面存在一定的斜度。每個支承檔位均由1個箱型底座、2個托輪、4個軸承座以及套在筒體上的輪帶等部件構(gòu)成［13］。對回轉(zhuǎn)窯運行軸線的評價包括水平直線度和垂直直線度，即軸線在水平面和垂直面內(nèi)的投影的直線度。為此，需測量的參量包括托輪與輪帶直徑，輪帶與筒體間隙、左右托輪基礎沉降量、各檔位輪帶、筒體和托輪中心位置坐標等。

1.1 輪帶與托輪直徑的測量

輪帶及托輪的直徑可以通過測量其周長來確定，測量原理如圖1（a）所示，為滿足其測量精度，要求壓輪與被測件表面之間作無滑動的滾動，而且被測件兩者工作面平行，以保證測速壓輪表面的線速度與托輪和輪帶表面的線速度一致，而單滾輪很難保證與被測件表面的線速度一致，為此采用雙滾輪同軸結(jié)構(gòu)的設計［14］。采用兩個精確等直徑的滾輪同軸連接，且滾輪外徑工作面進行微小的防滑紋處理，具體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

測速壓輪轉(zhuǎn)動一周，編碼器輸出360個脈沖，單個脈沖代表的周長為1 mm。當托輪和輪帶轉(zhuǎn)動N圈時，測速壓輪轉(zhuǎn)動n圈，轉(zhuǎn)動時間為T，則可求得托輪直徑di和輪帶直徑Di（i為1～n，n≥3）：

1.2 窯體中心線的測量

通過建立水平橫梁標尺，間接測得窯體各檔輪帶的中心點坐標，得到窯體中心線。測得輪帶和筒體間隙后，通過計算可以得到各檔位筒體的中心，其測量原理如圖2所示。

筒體中心的計算：

1）先求出3個中心點所構(gòu)三角形的α角

3）輪帶中心投影點Ai相對于左托輪中心的距離OizAi為：

4）輪帶中心到水平橫梁投影點的豎直距離Yia為：

5）將每檔輪帶在水平橫梁上的投影點向左或向右平移至視野開闊地帶，距離為X。

圖2 回轉(zhuǎn)窯中心軸線測量原理Fig.2 Measurement principle of rotary kiln central axis

1.3 各檔輪帶中心線偏差的測量

用全站儀觀測各檔輪帶中心點平移后數(shù)據(jù)［15］，輪帶中心點測量如圖3所示。

圖3 輪帶中心點測量：（a）現(xiàn)場實物圖，（b）測量原理圖Fig.3 Measurement of tire center point：（a）on-site physical map，（b）schematic diagram of measurement

記錄各檔輪帶觀測點的坐標Ⅰ（N1，E1，Z1），Ⅱ（N2，E2，Z2），Ⅲ（N3，E3，Z3）。

1）筒體水平偏差ΔXi的測量，其測量原理如圖4（a）所示。

將各檔輪帶中心點投影到水平面內(nèi)，連接首尾兩檔投影點成一直線，求出中間各檔投影點偏離直線的距離即為水平偏差ΔXi。由于筒體和輪帶中心在同一豎直平面內(nèi)，所以在水平面內(nèi)的投影相同，即筒體和輪帶中心線水平偏差相同。計算過程如下：

圖4 中心線偏差測量原理：（a）水平方向，（b）豎直方向Fig.4 Principle of centerline deviation measurement：（a）horizontal deviation，（b）vertical deviation

當ΔXi值為正時，中間各檔輪帶中心點往直線右邊（從窯尾往窯頭看分左右）偏離，為負時往左偏離。

2）筒體豎直偏差的測量，測量前需求出輪帶中心線的豎直偏差ΔHi，原理如圖4（b）。輪帶中心線豎直偏差計算過程如下：

式中：H為在坐標系中2檔處對應在輪帶中心線上的縱坐標；ΔH i為輪帶中心線豎直偏差，i為檔位。筒體中心線豎直偏差ΔHit計算：

ΔHit的值為正數(shù)時，中間各檔中心點向首尾檔中心連線下方偏離；為負數(shù)時，中間各檔輪帶中心點向上偏離。

2 回轉(zhuǎn)窯中心線偏差動態(tài)測量新方法的應用

使用此新方法對安徽中材水泥其中一條日產(chǎn)5 000 t水泥回轉(zhuǎn)窯進行了在線測量，該回轉(zhuǎn)窯有3檔輪帶，用雙滾輪結(jié)構(gòu)對托輪和輪帶直徑進行了測量，測量精度在±0.1 mm，水平橫梁定位精度在±0.3 mm。主要測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 安徽中材水泥回轉(zhuǎn)窯測量數(shù)據(jù)表Tab.1 Measurement data sheet of Anhui Sinoma Cement Rotary Kiln mm

計算后得到水平偏差ΔX=-17.63 mm，即向中心線左方偏離17.63 mm。豎直偏差ΔH=7.58 mm，即向中心線下方偏離7.58 mm。同時根據(jù)現(xiàn)場窯體實際情況發(fā)現(xiàn)，在第二檔左側(cè)托輪溫度較高，表面磨損嚴重。正好印證測量結(jié)果中心線向左側(cè)偏離。廠方根據(jù)測量結(jié)果將Ⅱ檔分3次向右向上進行了調(diào)整，Ⅱ檔處的振動顯著減小，窯體運轉(zhuǎn)狀態(tài)也有明顯改善，整個測量和調(diào)整過程取得了較好的效果。

3 結(jié) 論

以上論述了動態(tài)測量大型回轉(zhuǎn)窯軸線的原理和方法。通過測量托輪和輪帶直徑，建立三角模型，架設水平橫梁，將中心點平移至開闊地帶，用全站儀測量平移后的各檔位中心點，進一步求出中心線偏差的方法。測量精度可達到0.5 mm。此方法既避免了停窯造成的生產(chǎn)損失，其測量結(jié)果又為定期觀測回轉(zhuǎn)窯的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和維修調(diào)整提供依據(jù)，為水泥生產(chǎn)廠方穩(wěn)定生產(chǎn)提供有效保障。