張 云，葉志勇

(1.武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 建材行業(yè)回轉(zhuǎn)窯檢測技術(shù)中心，湖北 武漢 430070)

回轉(zhuǎn)窯是水泥、冶金等行業(yè)的大型核心設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯負載全部由托輪和輪帶承擔[1]。在重載、高溫、粉塵惡劣條件下長期運行中，由于窯墩基座下沉、托輪位置變化等原因，導(dǎo)致托輪和輪帶接觸表面經(jīng)常發(fā)生各類失效，如點蝕、裂紋、局部剝落、掉塊等狀況。而當液壓擋輪長期停止工作時輪帶和托輪僅在一個位置始終保持接觸磨損，而軸向其它未接觸部件不發(fā)生磨損，這種不均勻磨損會使托輪和輪帶工作面出現(xiàn)明顯的凹凸變形，徑向外表面呈現(xiàn)出鼓形、馬鞍形或波浪狀、錐形等現(xiàn)象[2]。其主要后果有：①托輪和輪帶局部接觸，甚至傾斜，局部過載，軸瓦經(jīng)常過熱，甚至“燒瓦”，導(dǎo)致停窯；②凹凸狀的磨損變形阻礙窯體沿軸線的正常上下移動，甚至造成液壓擋輪機件損壞而停窯；③掉塊或波浪形、多邊形的磨損變形導(dǎo)致運行過程中托輪和輪帶接觸表面發(fā)生碰撞，引起回轉(zhuǎn)窯的劇烈振動或震動[3]，嚴重影響回轉(zhuǎn)窯運行狀態(tài)。此時必須對其進行加工外圓修復(fù)，去除工件徑向外表面凸起，恢復(fù)圓柱度。顯然，停窯修復(fù)成本過高，而目前國內(nèi)不停窯的修復(fù)方式主要有：①人工操作簡易車床進行托輪車削外圓修復(fù)，其加工精度低，且耗時長[4]。②使用砂輪剛性磨削外圓修復(fù)，其振動大，特別是在加工輪帶時，由于輪帶存在較大徑向擺動[5]，磨床組件容易損壞，且受砂輪寬度限制，修復(fù)效率受限。

砂帶磨削是一種利用高速運動的砂帶對工件表面進行磨削、研磨和拋光的新型高效復(fù)合工藝。具有優(yōu)質(zhì)、高效率、低振動的特點，已在精密加工中廣泛應(yīng)用[6]。然而目前國內(nèi)尚未見使用砂帶磨削進行回轉(zhuǎn)窯托輪或輪帶修復(fù)的報道，而國外已有實際應(yīng)用。為此設(shè)計了一種托輪與輪帶在線砂帶磨削機，采用電控系統(tǒng)來控制磨削頭工作臺的自動十字移動進給加工，并研究了該設(shè)備空間位置的在線測量和安裝調(diào)整方法。

1 砂帶外圓磨削機設(shè)計

所設(shè)計的砂帶磨削設(shè)備，由于砂帶寬度可合理選擇，磨削面積大，修復(fù)效率比砂輪磨削的效率高數(shù)倍；砂帶周長遠大于砂輪，磨削熱量小，散熱條件良好[7]；同時砂帶磨削為彈性接觸磨削，自適應(yīng)工件外形，設(shè)備振動小。

圖1 托輪、輪帶表面砂帶外圓磨削機結(jié)構(gòu)示意圖

砂帶磨削機的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它主要包括機架，機架上固定的工作導(dǎo)軌，以及工作導(dǎo)軌移動工作臺上安裝的砂帶磨削裝置。機架可以通過螺桿等機構(gòu)實現(xiàn)磨削設(shè)備在水平面和垂直面的調(diào)整和固定。機架上安裝有沿被加工回轉(zhuǎn)體軸向(X方向)和沿徑向(Y方向)的方形導(dǎo)軌，兩者相互垂直。X方向使用伺服電機控制，Y方向可以選擇手動或電機控制，實現(xiàn)平面內(nèi)對工作臺的移動位置控制，其X和Y方向移動進給加工精度為0.1 mm。移動工作臺上固定的磨削裝置具有三輪結(jié)構(gòu)，直徑最大的為主動輪，其作為接觸輪進行磨削；中間的調(diào)偏輪具有鼓形徑向外表面，用于砂帶的調(diào)偏，并配合彈簧機構(gòu)實現(xiàn)砂帶張緊。根據(jù)托輪和輪帶修復(fù)加工要求，本磨削機選擇粗顆粒磨料砂帶，采用恒進給磨削，砂帶磨削速度為25～30 m/s，磨削進給深度為0.1～0.5 mm。另外，根據(jù)不同回轉(zhuǎn)窯托輪和輪帶高度不同，本磨削機選擇安裝垂直電控升降臺進行設(shè)備整體高度的調(diào)整。

2 動態(tài)回轉(zhuǎn)體軸線空間位置測量

2.1 托輪軸端面動態(tài)測量方法

武漢理工大學(xué)回轉(zhuǎn)窯檢測中心采用一種中國發(fā)明專利測量方法[8]來測量確定動態(tài)托輪軸線位置，其原理如圖2所示。建立一個平行于回轉(zhuǎn)窯軸線的基準鉛垂面MM′，在托輪軸向兩側(cè)分別架設(shè)全站儀，分別從O點測量基準面內(nèi)M、M′點，以及托輪軸端面回轉(zhuǎn)中心L、R點(使用軸孔定心器定位)，得到平距SM、SOM′、SL、SR，高差HM、HM′、HL、HR，水平角0°、αM′、αL、αR(沿M點水平角置零)；同理，從O′測量M′、L′、R′、M點，得到相關(guān)測量數(shù)據(jù)。設(shè)M、M′高差為h0，平距S0。

圖2 動態(tài)托輪軸線測量示意圖

則可以通過解圖3所示的三角形，得到L點到基準垂面MM′的距離kL，L到MN所在垂面距離Y2,具體計算公式見式(1)～式(5)。

(1)

(2)

P=(S0+SML+SM′L)/2

(3)

(4)

(5)

圖3 解三角形分析示意圖

同理可求得L′、R、R′到基準面的距離KL′、KR、KR′(水平面內(nèi))，以及R到MN所在垂直面的距離YR；L′、R′到M′N′所在垂直面的距離YL′、YR′。從而確定托輪在水平面和垂直面內(nèi)的傾角，實現(xiàn)空間位置測量。如圖2所示左托輪軸線，水平面內(nèi)的傾角(歪斜度)為：

tanθ=(KL′-KL)/(S0-YL-YL′)

(6)

垂直面內(nèi)的傾角(傾斜度)為：

(7)

2.2 回轉(zhuǎn)窯輪帶軸線動態(tài)測量法

輪帶軸線與回轉(zhuǎn)窯軸線在空間基本平行，可以采用武漢理工大學(xué)發(fā)明的一種回轉(zhuǎn)窯三點十字對徑直接遠距離測量法[9]來測量確定動態(tài)輪帶軸線位置。其實際綜合測量誤差≤±1.5 mm，具體方法參見文獻[10]，在此不做贅述。

3 磨削機的定位調(diào)整

使用磨削機磨削前，必須保證磨削機導(dǎo)軌(X方向)與被加工回轉(zhuǎn)體軸線空間平行，即在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)與被磨削體動態(tài)回轉(zhuǎn)軸線傾角相同。如圖4所示，建立一條平行于回轉(zhuǎn)窯軸線水平投影的基準線，其上設(shè)兩個標靶M、M′，在靠近托輪旁架設(shè)磨削機，在其X導(dǎo)軌上固定兩個標靶G、G′(GG′平行于X導(dǎo)軌)；用全站儀測量G、G′、M、M′相關(guān)參數(shù)，X導(dǎo)軌長度SGG′=L1是固定的，KG′、KG表示G′、G到MM′所在基準垂面的距離。KG′、KG的計算同式(1)～式(4)。

圖4 導(dǎo)軌安裝定位測量示意圖

則導(dǎo)軌在水平面內(nèi)歪斜度為：

sinγ=(KG′-KG)/L1

(8)

垂直面內(nèi)傾斜度為：

sinη=(HG′-HG)/L1

(9)

要保證磨削機X導(dǎo)軌與托輪(或輪帶)運轉(zhuǎn)空間軸線平行，只需保證：

γ=θ，η=β

(10)

磨削機安裝定位時，首先進行水平面內(nèi)歪斜度的調(diào)整。設(shè)備上設(shè)有角度微調(diào)裝置(如圖1所示)，機架與導(dǎo)軌連接面如圖5所示，機架上開設(shè)有弧形孔槽和定位圓孔O，以及用于容納導(dǎo)軌底部凸塊的矩形槽，連接螺栓穿過弧形孔槽與導(dǎo)軌連接。通過轉(zhuǎn)動調(diào)整螺栓帶動滑塊移動，推動導(dǎo)軌底部凸塊，實現(xiàn)整個導(dǎo)軌在安裝機架上以定位圓孔O為中心，沿弧形槽做小幅度的圓周擺動，實現(xiàn)導(dǎo)軌在水平面內(nèi)歪斜度的調(diào)整。在垂直面調(diào)整X導(dǎo)軌傾斜度時，將電子坡度儀置于X導(dǎo)軌上，使用剪式千斤頂或液壓裝置使機架一側(cè)升高[11]，沿X方向傾斜形成斜面，并使用螺栓鎖緊固定。然后通過機架底部的調(diào)整墊鐵進行微調(diào)，當電子坡度儀顯示傾角與托輪(或輪帶)的動態(tài)軸線在垂直面傾角β相同時，即完成導(dǎo)軌垂直面內(nèi)傾斜度的調(diào)整。整個調(diào)整過程中和結(jié)束后，可以使用如圖4所示方法進行檢驗和校準。

圖5 磨削機在水平面的歪斜調(diào)整裝置示意圖

4 結(jié)論

通過比較分析目前國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯已有的不同修復(fù)方式的優(yōu)缺點，確定選用砂帶外圓磨削來修復(fù)運轉(zhuǎn)中托輪和輪帶的圓柱體表面。設(shè)計的專用磨削機采用電控系統(tǒng)來控制工作臺移動，實現(xiàn)磨削頭在軸向X方向和徑向Y方向?qū)к壸詣舆M給控制，其移動和加工精度為0.1 mm。

磨削機X軸向?qū)к壟c被修復(fù)旋轉(zhuǎn)體軸線的空間平行是在線安裝設(shè)備的關(guān)鍵問題。介紹一種托輪與輪帶軸線和磨削機X軸向?qū)к壍目臻g位置在線測量及調(diào)整方法，該測量方法實際應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯測量已經(jīng)7年，實踐證明對動態(tài)托輪軸心空間點和回轉(zhuǎn)窯輪帶軸線的測量精度可達到1.5 mm[10]，能較高精度地保證磨削機X軸向?qū)к壟c被修復(fù)托輪(或輪帶)軸線空間平行，從而保證修復(fù)后托輪(或輪帶)徑向表面圓柱度和直線度，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯正常運轉(zhuǎn)。

參考文獻：

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