洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法

李瑞建，劉艷芳，宋永吉

（1.山東奧諾能源科技股份有限公司，山東 濟南 250101；2.山東小鴨集團洗滌機械有限公司，山東 濟南 250101；3.航電中和山東醫療技術有限公司，山東 濟南 250104）

0 引言

回轉圓筒干燥機作為干燥硝銨產品的重點設備，大多數型號為3 200 mm*3 200 mm，干燥機的筒體材質采用Q235-A，筒體的厚度范圍在15 mm～18 mm之間，內壁采用螺栓固定[1]。轉筒干燥機的流轉方式通常為逆流方式，兩端進氣，中間安裝了導流通道裝置，氣體多數由中間抽出[2]。轉筒干燥機內設有空氣加熱儀器，加熱通道內的空氣，使得硝銨入口一側的空氣溫度能夠達到80℃左右，保證出口的空氣溫度大于115℃。洗煤廠內需要使用干燥機的產品，其干燥的整體過程通常分為兩部分：干燥預處理與直接干燥。一般情況下，硝銨濃度較高的一端為預干燥部分；硝銨濃度較低的一端為直接干燥部分[3]。在所有產品在進入轉筒干燥機的通道前，需經過濕潤處理，將產品經過高溫加熱后順流換熱處理，在到達干燥機通道中部時，加速氣體在出口處的導流處理，再進入直接干燥段進行逆流換熱處理，最終將硝銨產品輸出設備[4]。轉筒干燥機底部設有鞍座板，其主要作用是負責載荷的傳遞，將干燥機筒體內的載荷運輸傳遞到滾圈當中，減少干燥機筒體與滾圈之間的摩擦與損害[5]，干燥機的運行相對較為平穩，出現故障的情況較少。然而現階段，由于更換了鞍座板，導致鞍座板與干燥機滾圈之間摩擦增大，滾圈出現斷裂的情況較多[6]。干燥機設備斷裂的裂紋特點大致包括4種：鞍座板縱向出現長短不一的裂紋、筒體的邊緣位置出現縱向分布裂紋、焊縫連接位置橫向出現較短的裂紋、干燥機通道中間部位導流焊縫出現少數不明顯裂紋[7]。基于裂紋分布位置與特點的不同，產生的設備故障問題也不同，對干燥機的穩定運行也會存在不同的威脅[8]。

綜上所述，提出的洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法，通過智能定位斷裂點的位置，獲取干燥機故障的位置以及相關信息，保證洗煤廠轉筒干燥機的平穩運行，提高洗煤廠的生產效率。

1 洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法設計

1.1 滾圈斷裂原因分析

在設計洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法前，首先要分析滾圈產生斷裂的原因，獲取滾圈斷裂的來源。干燥機斷裂產生裂紋的位置存在一定的差異，根據干燥機筒體的受力情況來看，筒體的整個重量是基于滾圈轉動傳遞至托輪[9]。滾圈所在的位置，筒體的重力主要作用在兩端的托輥上，筒體自身的橫截面形狀呈現圓形，然而，在物料重力作用下，筒體的橫截面會出現逐漸變形為橢圓形，通常表現在干燥機筒體與滾圈的間隙中，筒體與滾圈上方的間隙相對而言較大，下方不存在間隙[10]。即筒體與滾圈間隙上方的曲率半徑較大，筒體受到彎曲應力的作用較強，導致轉筒干燥機的滾圈出現斷裂，產生了部分斷裂點。隨著時間的變化，應力作用出現了周期變化，即為循環應力。循環應力的不斷作用，導致干燥機筒體達到了疲勞極限，常見現象就是干燥機筒體出現裂紋或者滾圈出現斷裂。

干燥機筒體邊緣位置出現裂縫的主要原因在于筒體受到循環應力產生振動。受到高溫加熱的影響，筒體的出口處溫度高于入口處，過高的溫度使轉筒干燥機的性能下降，形成干燥機疲勞斷裂。長時間的振動，造成筒體開裂，筒體靠近振動的位置，受到的驅動約束較小，產生裂紋的可能性較高。

干燥機出口處滾圈與鞍座板的距離較大，間隙也相對較大，在安裝與運轉時，干燥機筒體軸線的截面圓度維護工作相對而言較為困難，導致滾圈的受力作用增強。在滾圈的出口側存在平鍵缺失的情況，滾圈與鞍座板之間缺乏固定的連接，定位相對較困難，筒體轉動過程中容易產生滑動，增加筒體與設備之間的磨損，增大了滾圈與筒體的間隙，降低了滾圈對干燥機的加強作用。根據干燥機滾圈筒體的運行狀態能夠判斷出設備的干燥段，獲取空氣溫度與筒體溫度之間關系，干燥機筒體的疲勞程度受到兩種溫度的共同影響，導致干燥機滾圈的斷裂較為嚴重。

1.2 建立斷裂點定位數學模型

為了有效地改善由于滾圈斷裂對干燥機運行造成的不良影響，綜合考慮干燥機滾圈斷裂的原因，建立斷裂點定位數學模型。

由于轉筒干燥機的筒體體積較為龐大，內部通道的構造相對復雜，為了獲取干燥機的構造信息，采用仿真分析的方式對洗煤廠內干燥機進行規劃，建立科學的模型方案。構建模型首先要考慮干燥機外部結構的受力狀態，通過仿真計算方法分析計算結果是否滿足洗煤廠實際的工程需要。在筒體建模過程中，熱空氣容易與一些雜物混合，生成混合體共同進入干燥機的通道內，混合體產生的重力對干燥機通道的影響較小，暫且忽略不計，干燥機其他零部件之間單獨存在，沒有相互受力的情況。

設置在斷裂點定位數學模型中，干燥機底部的抄板數量為265塊，在仿真計算中要加上抄板的重力。對于干燥機各個部件之間的連接，采用螺紋連接的方式，建立數學模型時將部件作為一個整體，減少網絡的劃分操作。利用PRO/E三維建模軟件，構建干燥機斷裂點定位數學模型，依據仿真分析軟件對模型中的數據及信息進行導入操作。由于轉筒干燥機在運行時，呈現勻速轉動方式，干燥機的筒體存在一定的對稱性。因此，本研究基于筒體的對稱性，構建的模型對于計算精度的要求較高，同時，在計算中不考慮接觸熱阻的影響，需保證干燥機各個單元之間相互連接。

將斷裂點定位模型進行網格劃分，利用自動網格生成技術，結合仿真分析精度，盡量實現網格劃分的自動化。首先，調整模型中精度較高區域的網格密度，在模型中生成具有一定特性的網格元素；設置迭代過程，保證數學模型能夠自適應網格劃分指定的結果，在網格劃分結束后，指定干燥機設備各個部件的自適應度。

網格劃分完畢后，預處理模型邊界的條件。轉筒干燥機的筒體運轉時，通常以9.6 r/min勻速轉動，控制筒體的進料端橫向位移，調節筒體的位移路線，保證其在滾圈上進行移動。固定干燥機出料端的運行軌跡以及半徑大小，對干燥機的對稱面實行對稱約束操作，完成干燥機滾圈斷裂點定位模型的建立。

1.3 計算干燥機滾圈強度

由于轉筒干燥機的滾圈與筒體承受重力與熱載荷的共同作用，傳統的滾圈強度計算方式，無法對滾圈以及筒體受到的應力進行詳細的計算，因此，本研究采用校核計算方式，計算洗煤廠轉筒干燥機滾圈的強度。

設置干燥機受到外加載荷產生的一次應力為P，P必須與內外載荷力之間保持平衡，不受到限制。設置干燥機總體薄膜應力為Pm、局部的薄膜應力為Pl、受到重力作用形成的彎曲應力為Pb；受到部件約束產生的二次應力為Q；峰值應力為F，由于干燥機局部的結構是不連續的，受到的重力強度過大會導致滾圈出現斷裂裂紋。干燥機滾圈的周期性載荷S的計算公式為：

其中，m表示重力強度的常數向量，通過計算獲取到滾圈運行的周期性載荷，根據載荷計算結果，利用分析算法，計算滾圈的應力值P：

滾圈的應力值應當小于應力強度值，增加滾圈的彎曲應力強度，計算干燥機滾圈強度M的最大值與最小值：

由于干燥機內的物料隨熱空氣在通道內流動，干燥機實際工作受到的載荷與重力作用不受到影響。在考慮轉筒干燥機的自重作用下，計算筒體與滾圈受到的摩擦力大小、啟動干燥機的瞬間，計算此時的扭矩。在轉筒干燥機靜止不動時，滾圈受到兩端拖輪的支撐作用，位移的距離受到了約束，由于滾圈與拖輪之間的接觸面積無法測量，所以無法獲得準確的滾圈應力。結合上述構建的滾圈斷裂點定位模型，加入滾圈抄板的重量，共同進行分析。在只受到重力作用的情況下，轉筒干燥機的受力主要集中在滾圈以及支撐板上，此時，滾圈強度的最大等效力達到5.96 MPa，其他部件受到的等效應力相對較小。

1.4 定位滾圈斷裂點的運行軌跡

為了更好地獲取到轉筒干燥機滾圈斷裂點的信息，通過上述計算出干燥機滾圈能夠承受的強度極值，根據滾圈強度極值，判定滾圈斷裂點的運行狀態，并定位滾圈斷裂點的運行軌跡。將轉筒干燥機的筒體周圍進行劃分，劃分為10份，對各個部位進行編號處理，利用百分表，記錄干燥機設備各個部位的原始跳動值指標，見表1。

表1 干燥機設備原始跳動值指標

如表1所示，作為干燥機設備各個部位的原始跳動值指標，根據指標值，找出干燥機設備磨損嚴重的部位，計算滾圈的強度大小，根據計算結果判定滾圈是否存在斷裂現象。

根據洗煤廠的實際情況與現場施工環境，調整轉筒干燥機的墊板，控制筒體的同心度，將干燥機進料端的擋塊拆除，采用環規儀器測量干燥機墊板處的圓度以及貼合率。根據干燥機設備結構尺寸的不同，出料端與進料端的滾圈內徑大小也不同，通常情況下，設置出料端口的滾圈內徑與墊板的尺寸相近，依靠墊板調整干燥機滾圈的同心度以及內徑大小。在干燥機的滾圈原始跳動值指標出現大幅度變化時，利用軌跡測量儀器，合理定位斷裂點的位置，完成洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為了驗證本研究提出的洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法的有效性，進行了如下對比實驗。實驗環境選取山西省某洗煤廠，干燥機采用型號為TM2541的回轉圓筒干燥機，筒體的厚度約為20 mm，滾圈內筒體的厚度為48.5 mm，在筒體內壁設置螺栓，固定通道內的抄板，利用逆流閥門裝置，使熱空氣從兩端進入，中間流出。用75℃高溫加熱硝銨產品，加熱后放入干燥機的干燥段，預干燥處理硝銨產品，將硝銨產品用水浸泡3 min，放入干燥筒的直接干燥段，將轉筒干燥機通道內的熱空氣導出，導出后進行空氣逆流操作，設置輸出干燥機與空氣加熱器，在熱空氣流出時將硝銨產品輸出。通過鞍座板的傳遞作用，將熱空氣及產生的相關物質傳遞至回轉體中，保持回轉體在拖輪上回轉。冷態處理干燥機矩形滾圈，控制滾圈在鞍座板位置進行松套操作，通過公式（1）～（3）計算出滾圈斷裂點強度的最大值和最小值，并判斷洗煤廠干燥機的滾圈運動狀態。

2.2 結果分析

設置本研究提出的洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法為實驗組，傳統的PTA定位方法為對照組，對比兩種定位方法滾圈的定位間隙測量值參數，見表2。

表2 兩種定位方法的測量值參數對比

從表2可知，提出的洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法，在跳動值與間隙測量值方面，方差較小，從而提高了對洗煤廠干燥機斷裂點智能定位的準確度，更加適用于洗煤廠企業干燥機的運行工作。

3 結語

為了提高洗煤廠干燥機運行的平穩性與安全性，提出的洗煤廠轉筒干燥機滾圈斷裂點智能定位方法，對于干燥機的穩定運行起到了重要的作用。根據干燥機的工藝條件以及內部結構，構建了斷裂點定位模型，計算干燥機滾圈的強度極值，獲取到干燥機的載荷應力分布以及特征。實驗證明，此種定位方法測得的滾圈間隙測量值方差較小，在跳動值與滾圈強度方面存在一定的優勢。