大型回轉窯力學性能分析及軸線檢測系統研究

馬家威等

摘要：本文對回轉窯的力學性能進行分析，并介紹一種基于攝像頭采集數據的軸線檢測系統。利用連續梁理論和筒體理論，結合位移函數和邊界條件理論分析了筒體和支承系統的受力，并進行有限元分析各部分受力，得到了各部分應力分布。同時介紹了攝像頭采集軸線水平和垂直偏差的原理，通過數據處理與傳輸模塊發送到上位機動態顯示，整套系統在實驗室模擬效果較好。本系統安裝便捷、成本低，可在大型檢測中得到推廣。

關鍵詞：回轉窯 有限元分析 應力分布 攝像頭 檢測系統

引言

回轉窯屬于大型加工工業設備，由筒體、支承系統組成。回轉窯的運動條件有限制，長期運轉需要較大的強度 和剛度，筒體表面的應力高達幾十兆帕[1]，在支承部位，接觸面積小，載荷集中，壓強極高，很容易變形。回轉窯的應力強度可按照材料力學連續梁的理論[2]，抽象出較簡單的模型，還需要考慮許多的復雜的受力負載過程。回轉窯力學分析很重要，各檔位受力優化限制很有意義。

大型回轉窯軸線檢測有很多方法，回轉窯的動態檢測對分析軸線變化、筒體位置變化尤為重要。較為成熟的檢測方法有非接觸測量法、李學軍等人提出的時域分析法[3]、 方向鍵法[4]，武漢工業大學張云發明了了一種 “ ”測量系統[5]，提高了軸線檢測的精度，并在企業得到了推廣。這些檢測方法受到制造安裝等方面的限制，存在一定的缺點。文獻[6]分析了軸線的優化指標，文獻[7]設計了一種回轉窯橢圓度的測量裝置，文獻[8]研究了筒體軸向的彎曲變形和筒體的表面圓柱變形等問題，分別從不同的角度對回轉窯的安全指標進行檢測。本文基于回轉窯力學性能分析，采用攝像頭作為檢測傳感器，并在實驗室模擬檢測，收到一定的效果，檢測方法可以推廣。

1.回轉窯力學性能分析

回轉窯包括筒體和支承系統，筒體長徑比較大，可抽象為連續梁模型。在考慮變形的情況下，筒體可視為環形變截面的超靜定梁來計算載荷。回轉窯的支承系統主要通過多個檔位的托輪及輪帶，支承系統的受力壓強等量受到接觸面積的影響，在與筒體接觸的地方載荷較大，筒體損壞較為嚴重。

1.3.2有限元模型建立

利用有限元分析，求解各部分受力情況。

首先對模型進行有限元網格劃分，利用不同的劃分方法來劃分筒體軸向和輪帶軸向，劃分為若干區域。在支承部位存在較高的集中力，網格加密處理，主要包括兩托輪與筒體接觸部分和物料與筒體接觸部分。

其次需要施加邊界約束。回轉窯的窯頭和窯尾可看做自由邊界，根據接觸區半寬計算公式，在輪帶與托輪的接觸區施加徑向約束；輪帶與擋輪接觸區施加垂直于接觸面方向的約束；約束環向剛性轉動，在筒體部分表面施加環向約束，遠離出料口端部表面。

最后施加載荷。根據1.1-1.3節的分析知，回轉窯的載荷可分為三類。第一，回轉窯筒體、物料、耐火磚等重力；第二，大齒圈作為動力來源，提供一定的轉矩載荷；第三，摩擦阻力載荷，主要包括各檔位的摩擦阻力，施加到模型，并保證模型處于平衡狀態。

2.回轉窯軸線檢測系統

這里開發一種基于攝像頭循跡的軸線檢測系統，能夠克服安裝難，成本高等問題，在一定的精度范圍內實現檢測，在實驗室試驗效果較好。

2.1攝像頭檢測優點

2.1.1實現無損檢測

無損檢測是在不損壞或不影響被測對象使用性能的前提下，利用物理性質，如光照、電磁等對零件、設備等進行檢測的技術。隨著工業和檢測技術的發展，無損檢測將成為檢測系統的主要檢測方式。攝像頭作傳感器的檢測可看做是利用光線采集數據，目前發展較快的利用光線的技術是射線檢測。

2.1.2檢測范圍廣、效率高

攝像頭作為采集數據裝置，憑借其較大的視野可以檢測到更多的數據，雖然存在死角，但對于需要檢測的水平和垂直直線度來說已經足夠了。另外相對于傳統檢測系統，無需安裝其余形式的傳感器，這大大提高了數據處理的效率。

在窯的一周上粘貼感應條，材料具有一定的塑性，顏色為黑色和白色，黑色為小塊。攝像頭檢測的影響為圖4下部的影像，根據檢測邊界可確定y方向的中心線，即L/2的位置。若筒體轉動角速度為 ，攝像頭固定部分距理想筒體最高點為 ，則轉動過程中，黑點從3位置轉到2位置的時間通過計數可以得到聯立上式可求得 偏移量 和邊緣點的曲率半徑 ，由此便確定了該檔位處的回轉中心。

整個筒體的檢測原理主要是尋找感應條的位置，則感應條所在截面的回轉中心可根據上面求單個截面的原理計算。筒體感應條的位置可排布在各個檔位或等距排布，攝像頭可視范圍可視作正態分布，如圖2（b）右下角圖所示，所以感應條位置確定，便確定了各個感應條的回轉中心，而各回轉中心的連線即是筒體的回轉軸。

2.3系統構成及結果

實驗室模擬回轉窯的軸線檢測，硬件系統主要包括信號采集部分的攝像頭，數據處理模塊、數據傳輸模塊等，具體包括 芯片一塊、串口通訊設備、 發送與接收節點、上位機顯示模塊等。筒體有兩種，圓柱和橢圓筒。直圓柱半徑50cm，長1000cm，橢圓柱長軸長60cm，半長軸40cm，長1000cm。實驗室模擬的目的是保證在相同的情況下，正圓柱與橢圓柱軸線重合情況，取樣時間為4小時，一小時為一間隔，取平均值。根據檢測原理，系統需要對采集的數據處理，并通過上位機動態顯示。由原理知檢測感應條移動時間、間距等，計算偏移位置和偏移量，發送到上位機顯示。多次連續采樣后即實現動態處理與動態顯示。3.總結

大型回轉窯是水泥、冶金等加工工藝的重要裝備，回轉窯的受力和軸線變化受到廣泛關注。本文對回轉窯受力進行理論分析，利用筒體理論等知識，并作合理假設，利用Pro/E進行有限元分析。對于軸線檢測，本文采用攝像頭采集數據，對數據處理并發送到上位機動態顯示，設計了一整套收集-處理-顯示的系統，在實驗室搭建的模擬筒體上進行試驗，采集了一些數據。這個系統運行良好，實現了軸線的動態檢測。

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5. 作者簡介

馬家威，男，本科，主要從事機械設計制造及其自動化等方面的研究。