回轉窯中心線動態檢測方法

張 云 劉必成

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

回轉窯被廣泛應用于建材、冶金、化工、環保等許多生產行業，它是水泥工業中的核心熱工設備?；剞D窯需要長期在高溫、重載、多塵的復雜工業環境下工作，且筒體內部的工作溫度分布不均，溫差可達數百攝氏度，即使有耐熱材料阻隔，高溫也會造成筒體表面熱彎曲變形，從而對托輪產生不均勻的載荷沖擊，引起托輪軸瓦溫度升高，甚至可能導致托輪軸瓦燒壞，引發停窯事故。同時，筒體表面的形變會引起回轉窯筒體中心線的偏移，導致左右托輪長時間受力不均，同樣會引起托輪軸瓦溫度升高，甚至托輪位置發生變化。停窯將給企業帶來巨大的經濟損失。因此，實現回轉窯中心線的狀態檢測，對于及時發現早期故障具有重要的研究價值。

回轉窯中心線是長期動態變化的，目前國內外對回轉窯中心線問題仍以檢測為主。對回轉窯中心線的檢測方法主要有靜態檢測和動態檢測。靜態檢測要求回轉窯停止運轉，現場無震動和高溫影響，測量精度較高，但此時回轉窯的狀態與其正常運轉時存在較大差異，因此，靜態檢測數據不適用于動態運轉的回轉窯，不能作為回轉窯的調整依據，必須進行動態檢測。

國內外具有代表性的回轉窯中心線測量系統或方法有：（1）丹麥FLS公司研制的輪帶位置測量方法，主要是利用計算機的激光經緯儀和電子經緯儀聯合完成對筒體和輪帶外徑上六個空間位置的坐標測定，并計算出輪帶的中心位置。（2）德國Polysius公司開發的托輪位置測量法，通過測量托輪、輪帶的動態直徑和輪帶與筒體之間的間隙，根據幾何關系推導出筒體軸線位置。（3）武漢理工大學的回轉窯三點十字對徑直接遠距離測量法，該方法采用直角坐標系，在窯體兩側建立與筒體平行的基準鉛垂面，并據此建立空間坐標系，根據幾何關系可直接計算出各檔窯的中心點坐標，檢測回轉窯的中心線狀態。

現階段回轉窯的故障檢測技術是一種事后檢測手段，當故障已經比較嚴重時才去作相應的處理。此外，對回轉窯中心線的檢測也存在著測量設備昂貴、操作復雜、測量成本較高等缺點。為解決上述不足，本文提出了一種新型的回轉窯中心線動態檢測方法，與以往相比，具有操作簡便、安全、精度高、成本低等優點。

1 中心線檢測方法及原理

1.1 檢測方法

隨著檢測技術的進步和測量精度的提高，回轉窯動態檢測技術日趨成熟。對回轉窯中心線的動態檢測方法可分為兩類：一是直接測量法。即三點法或基于三點法的改進方法，其基本原理是將輪帶和筒體看成一個近似圓，通過對輪帶表面不同的三個位置進行空間坐標測量，可得到輪帶的擬合圓，求出其中心坐標；根據筒體與輪帶之間的間隙，可以求出回轉窯每一檔筒體的中心坐標，從而得到回轉窯的中心線。二是間接測量法。就是測量托輪和輪帶的直徑、托輪軸心的空間坐標，根據輪帶與托輪的幾何位置關系計算得到輪帶中心的坐標；根據筒體與輪帶之間的間隙，可求出回轉窯各檔位筒體的中心坐標，從而得到回轉窯的中心線。

直接測量法需要測量輪帶三個不同的表面位置，這些位置通常位于輪帶下表面三分之一處，擬合成的圓與輪帶的實際表現存在一定的差距，且計算較為復雜，操作難度較大，回轉窯的振動對傳感器測量有一定的影響，測量成本偏高；采用間接測量法測量輪帶和托輪的直徑及托輪的位置，根據幾何關系推導筒體的中心坐標，計算簡單、操作方便、測量成本低，所測得的各項數據均可間接反映回轉窯中心線的變化情況，并可為回轉窯調整提供參考價值。為此，研究人員決定采用間接法對回轉窯中心線在線檢測。

1.2 檢測原理

采用間接法在線檢測回轉窯中心線，需要測量回轉窯各檔位的輪帶、托輪數據，計算出各檔位筒體中心點的空間坐標，以整個回轉窯為坐標原點建立坐標系，在回轉窯兩側建立平行于筒體的水平基準線，分別測量每個檔位，計算出輪帶中心的坐標（見圖1）。

圖1 輪帶中心檢測原理圖

由圖1可知，回轉窯的輪帶與筒體位置有明顯的幾何關系，間接測量法通過輪帶與托輪的幾何位置關系，經測量托輪和輪帶的直徑及托輪中心位置計算輪帶中心坐標。從原理圖可以看出，測量輪帶直徑D和左托輪直徑D1及左托輪1的軸心坐標（y1，z1），經過三角定理的公式，即可計算出該檔輪帶的中心坐標C（y，z）。

假設輪帶中心坐標為（y，z），計算步驟如下：

根據坐標系中兩點的距離公式，可計算左托輪1和輪帶中心的距離L：

由式（1）和式（2）聯立，解得：

式（3）中：

b——左托輪的橫坐標；

c——左托輪的縱坐標；

r、R——左托輪、輪帶的半徑；

a——輪帶最低點的縱坐標。

在回轉窯運轉過程中，輪帶內徑總是大于筒體外徑，所以，輪帶與筒體之間總存在間隙。間隙大小為：Q=Rn?r，Rn為輪帶內徑。輪帶間隙可根據筒體和輪帶的回轉周期進行計算。筒體中心的坐標可表示為：

2 中心線的檢測

2.1 輪帶和托輪直徑測量

依據中心線檢測原理，需要測量輪帶和托輪的直徑參數，本文采用滾輪法測量托輪和輪帶的直徑，測量原理如圖2所示。

圖2 滾輪法測量原理圖

將直徑為100mm的滾輪安裝到光電編碼器上，該編碼器軸旋轉一周產生1 000個脈沖信號。在理想狀態下，測量滾輪與被測件之間的純滾動，其表面的線速度大小相等，則滾輪與被測件的直徑關系為：

在直徑測量系統中采用霍爾開關控制采集的開始和停止。將磁鐵吸附在被測件表面，霍爾傳感器固定在能穩定觸發信號的位置。當觸發霍爾開關上的信號時，系統只采集被測件旋轉一周產生的脈沖信號，按公式（5）計算出被測件的直徑。

2.2 托輪中心位置測量

武漢理工大學回轉窯檢測中心采用中國發明專利的測量方法測量托輪的空間位置，其原理如圖3-A所示。在回轉窯兩側建立平行于窯軸線的基準鉛錘面MM`、NN`，在托輪兩側分別設置全站儀，將靶點M、M`安裝在基準線上，從O點開始分別測量 M、M`點（第一個測量M點），然后，測量托輪端面的回轉中心A、B（用軸孔定心器定位），得到平距LM、LOM`、LA、LB，高差 HM、HM`、HA、HB和水平角αM`、αA、αB（測量M點時，水平角置零）；同理，由O`點測量M`、M、A`、B`點，得到相應的測量數據。

根據圖3-B所示的空間原理，可求得A點的空間位置坐標，具體計算公式如式（6）～（10）。以點O為基準建立水平面，點M、M`、A在水平面的投影分別為點 Mt、M`t、At。

圖3 動態托輪中心位置測量原理

A點到基準面MM`的深度s可根據三角函數關系求得：

則A點的空間坐標為：

XA=XM+LMtD;

YA=s ;

ZA=ZM+(HA-HM)。

3 誤差分析

在回轉窯中心線的整個測量系統中，中心線的計算結果必然存在一定的誤差。對于回轉窯的每一個檔位都要對測量結果進行誤差分析。

以下對計算出的橫縱坐標分別進行誤差分析：

（1）Y值誤差分析

由式（1）和式（2）知，輪帶中心的橫坐標可表示為：

由式（12）和式（13）聯立可得：

分析結果表明，該檢測方法誤差較小，適合回轉窯中心線的動態檢測。

4 結語

本文所介紹的回轉窯中心線檢測方法安全可靠，檢測方便、快捷，測量精度高。通過測量輪帶與托輪直徑、托輪中心位置和輪帶與筒體間的間隙間接得到回轉窯中心線，各檔筒體中心的三維坐標可以更加直觀地顯示出回轉窯運轉過程中中心線的狀態，為回轉窯的各類故障分析提供有力的依據。使用本方法定期對回轉窯中心線進行在線檢測，可及時發現回轉窯的早期問題，及時調整回轉窯狀態，避免了大故障的發生，提高了回轉窯的工作效率。