三維掃描技術在回轉(zhuǎn)窯動態(tài)測量中的應用研究

尤邵尉 ，李榮軍 ，宋繼澤 ，袁國鋒

（1.安徽華塑股份有限公司，安徽 滁州 233290；2.武漢榮科多裝備技術有限公司 湖北武漢430000

0 引言

我公司2500t/d新型干法電石渣熟料生產(chǎn)線于2012年投產(chǎn)運行，回轉(zhuǎn)窯運行至今未進行過窯中心線的測量。我公司為Φ4.3m×64m回轉(zhuǎn)窯，三檔支撐，窯尾檔采用液壓擋輪控制回轉(zhuǎn)窯上下行。自2016年以來，我公司回轉(zhuǎn)窯相繼出現(xiàn)窯中檔（II檔）托輪瓦和推力盤的磨損、電耗增加、窯尾檔（III檔）和窯頭檔（I檔）密封片損壞失效以及紅窯等問題。根據(jù)以上情況，我公司分析認為回轉(zhuǎn)窯中心線可能出現(xiàn)偏離，而造成中心線偏離的原因多數(shù)是由于托輪混凝土基礎不均勻的沉陷。為了保證生產(chǎn)效率，提高熟料質(zhì)量，我公司擬采用三維掃描技術[1，2]對回轉(zhuǎn)窯進行動態(tài)測量和動靜態(tài)調(diào)整，采用的主要設備為目前最新科技精密儀器——奧地利RIEGL VZ-400三維激光掃描儀。

1 測量方案

1.1 方案布置

如圖1所示，在回轉(zhuǎn)窯窯體一側(cè)靠近中點的位置架設激光掃描儀，保證掃描儀可以無遮擋的對窯體進行掃描測量。在激光掃描儀和回轉(zhuǎn)窯窯體之間定向放置6個靶球，靶球的位置盡量呈現(xiàn)立體形態(tài)，即均勻的分布在不同高度和不同直線上。將掃描儀的輸出端與電腦進行連接，以獲取并存儲測量結(jié)果。

圖1 回轉(zhuǎn)窯激光掃測量方案圖

1.2 測量方法

首先對整個視場進行粗掃描，得到360°范圍的掃描數(shù)據(jù)。然后在粗掃描的基礎之上對6個靶球和3個輪帶進行精掃描，并將掃描結(jié)果輸出到電腦完成外業(yè)測量工作。

2 測量結(jié)果的提取

完成外業(yè)測量之后，為了保證測量結(jié)果的可靠性，需要利用Geomagic Studio軟件進行點云數(shù)據(jù)處理。首先將密集掃描點云數(shù)據(jù)進行抽稀，剔除掉誤差較大的測量點。然后框選3個輪帶精掃描的點云數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到和輪帶對應的圓柱。圓柱的屬性信息里包含了圓柱的直徑和中心點坐標，由此可以得出輪帶的直徑和筒體軸心直線度。作業(yè)具體流程如下：

（1）數(shù)據(jù)導入。將外業(yè)獲取的掃描數(shù)據(jù)全部導入到Geomagic Studio軟件中。

（2）數(shù)據(jù)剔除。由于掃描儀的粗掃描是水平360°，豎直-40°～+60°范圍內(nèi)進行密集數(shù)據(jù)采集，會將窯體周圍的地物信息掃描進去。另一方面由于反射、折射以及窯體運轉(zhuǎn)過程中的抖動等不可避免的外界因素可能造成對窯體掃描點出現(xiàn)誤差較大的情況。綜合以上因素，為了更精確的對掃描目標進行擬合，需要對掃描數(shù)據(jù)進行預處理剔除與目標無關的點額誤差較大的點。

（3）數(shù)據(jù)擬合。利用剔除誤差點之后保留的數(shù)據(jù)對目標進行擬合。考慮到對輪帶精掃描得到的是輪帶一部分長條狀數(shù)據(jù)，以及輪帶自身的形狀是圓柱狀，可以將數(shù)據(jù)擬合成圓柱狀。軟件處理操作的相關界面參見圖2和圖3。

圖2 數(shù)據(jù)擬合形狀選擇

圖3 數(shù)據(jù)擬合參數(shù)分析

經(jīng)過以上步驟可以得到擬合結(jié)果。窯體的3個輪帶進行擬合得到的整體掃描結(jié)果見圖4。

圖4 三個輪帶擬合總體示意圖

窯體中，輪帶1、2、3的擬合結(jié)果見圖5。采用輪帶間隙儀對回轉(zhuǎn)窯3個輪帶的間隙進行在線測量，得出結(jié)果；

采用水平儀，分別以3個檔固定位置的托輪底座的水平高為基準點，測得同檔其余3個托輪底座的水平高度。

3 結(jié)果與分析

3.1 回轉(zhuǎn)窯中心線

以圓柱1和圓柱3的中心為基準建立一條直線，根據(jù)圓柱2中心偏離直線的距離可以得到筒體軸心直線度。由擬合結(jié)果可以看出窯體輪帶2中心在水平和豎直方向偏離距離為（-13.45mm，0.55mm），參見圖6和圖7。即輪帶1往輪帶3看中心線水平方向偏左13.45mm，豎直方向偏下0.55mm。

圖6 水平方向偏移示意圖

圖7 豎直偏移示意圖

3.2 回轉(zhuǎn)窯斜率

利用三檔托輪與一檔托輪在Z軸上的差值除以三檔托輪與一檔托輪在Y軸上的差值可得到斜率。

3.3 檔底座標高

各檔底坐標高度見圖8。

圖8 各檔底坐標高度

3.4 其余參數(shù)尺寸

其余回轉(zhuǎn)窯參數(shù)尺寸見表1。

表1 回轉(zhuǎn)窯測量尺寸 mm

3.5 檢測結(jié)果分析

（1）回轉(zhuǎn)窯標準斜率為4°，目前斜率為4.01209°。同時回轉(zhuǎn)窯的水平中心線（從一檔往三檔看）二檔偏左13.45mm，導致回轉(zhuǎn)窯偏重運行，窯中心線需進行調(diào)整。回轉(zhuǎn)窯的垂直中心線二檔偏低0.55mm，屬于回轉(zhuǎn)窯正常運行范圍；

（2）二檔的滑移量偏小，只有3mm，標準滑移量為15～20mm。回轉(zhuǎn)窯二檔兩托輪位置發(fā)生偏離，影響了輪帶與筒體的相對運動，導致滑移量小；

（3）由數(shù)據(jù)可知，三檔標高比一檔實際高6mm，二檔走道側(cè)托輪窯尾方向軸瓦座低7mm，窯頭方向低3mm，可判斷回轉(zhuǎn)窯托輪基礎存在下沉情況。

（4）三個檔的托輪均成為八字，一檔是窯頭方向大，二、三檔是窯尾方向大，造成回轉(zhuǎn)窯上下行時間不規(guī)律，導致托輪表面磨損不均勻。

4 調(diào)整方案

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，回轉(zhuǎn)窯斜度存在偏差、托輪移位、托輪基礎下沉等問題，這些都是目前影響我公司回轉(zhuǎn)窯正常運行的關鍵因素。針對以上問題，分兩批次對回轉(zhuǎn)窯進行調(diào)整，具體方案如下：

（1）靜態(tài)調(diào)整。一檔兩個托輪的軸瓦座同時加6 mm厚墊；二檔走道側(cè)托輪窯尾方向軸瓦座加100mm的厚墊，窯頭方向軸瓦座加60mm的厚墊，非走道側(cè)托輪的兩個軸瓦座加30mm的厚墊；

以上操作保證了回轉(zhuǎn)窯靜止狀態(tài)時中心線的斜度，同時有效增大了托輪與輪帶接觸面積，使輪帶和托輪表面均勻磨損。解決了因基礎下沉造成的回轉(zhuǎn)窯斜度和輪帶與托輪接觸面的問題。

（2）動態(tài)調(diào)整。回轉(zhuǎn)窯正常運行時，對各檔托輪實施精細調(diào)整，消除八字現(xiàn)象；二檔右側(cè)（從一檔往三檔看）托輪向后退13.450mm，左側(cè)托輪向里進13.450mm，為保證回轉(zhuǎn)窯的正常運行，此次調(diào)整托輪應分為多次、少量的調(diào)整，每次調(diào)整不要超過30mm。最終保證不影響回轉(zhuǎn)窯正常生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)窯不出現(xiàn)異常高溫、異常磨損、異常響聲等。

5 結(jié)語

通過運用三維激光掃描儀對回轉(zhuǎn)窯進行動態(tài)的測量，并根據(jù)所得結(jié)果進行精細的動靜態(tài)調(diào)窯，取得了非常好的效果。調(diào)窯工作完成后，回轉(zhuǎn)窯電耗明顯降低，推力盤間隙適中，未出現(xiàn)磨損情況，三個輪帶相對位置回歸設計尺寸，不再磨損擋圈，滑移量在15～20 mm區(qū)間內(nèi)，大小齒輪的齒頂隙在設計范圍內(nèi)，消除了大小齒輪處間歇性震動的隱患。

運用三維激光掃描儀精準的測窯方法打破了傳統(tǒng)經(jīng)驗調(diào)窯法的束縛，把調(diào)窯的依據(jù)數(shù)據(jù)化、透明化，對合理調(diào)整工藝操作、改善筒體的受力狀況、保護筒體等具有重要實際意義。