劉必成，張 云（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

0 引言

回轉(zhuǎn)窯是一種大型熱工旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，窯故障與其中心線的準(zhǔn)直度密切相關(guān)。正常理想的窯中心線是直線或接近一條直線的狀態(tài)，以保證回轉(zhuǎn)窯的支撐部件受力均勻。由于回轉(zhuǎn)窯長期在高溫、重載、多塵惡劣工況下連續(xù)低速回轉(zhuǎn)運行，其中心線會產(chǎn)生偏差，當(dāng)偏差超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時，會引發(fā)回轉(zhuǎn)窯的一系列故障甚至導(dǎo)致停窯事故發(fā)生。對于產(chǎn)能5 000 t/d的回轉(zhuǎn)窯，停窯每日損失產(chǎn)值將達(dá)到200萬元以上，重新啟動回轉(zhuǎn)窯需要20～30萬元的費用。

隨著人們對大型設(shè)備的安全及可靠運行的重視程度不斷提高，歐美先進(jìn)國家已經(jīng)要求相關(guān)企業(yè)對大型機(jī)械實行在線狀態(tài)監(jiān)測。我國在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面起步較晚，但追趕發(fā)展速度很快，國家相關(guān)部門先后出臺了機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)等[1]。國內(nèi)高校針對機(jī)械故障機(jī)理、信號處理方法、故障識別等方面先后開展了深入的研究[2,3]。在工業(yè)應(yīng)用方面，相關(guān)科研人員針對不同對象開發(fā)了不同類型的監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，這些技術(shù)在一些工業(yè)領(lǐng)域的大型機(jī)械設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用[4]。目前，對回轉(zhuǎn)窯的狀態(tài)檢測及維護(hù)都還停留在事后檢修或定期檢修上，無法避免回轉(zhuǎn)窯的停產(chǎn)事故以及窯故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此類問題，采用實時的狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為回轉(zhuǎn)窯運行和維護(hù)的必然發(fā)展趨勢。

1 國內(nèi)外較成熟的回轉(zhuǎn)窯中心線檢測方法

長期以來，對回轉(zhuǎn)窯中心線的狀態(tài)檢測以動態(tài)檢測技術(shù)為主，隨著檢測設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測方法一直在進(jìn)步與完善，回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測技術(shù)已經(jīng)趨于成熟[5,6]。目前，國內(nèi)外較為成熟的回轉(zhuǎn)窯中心線動態(tài)檢測方法有：德國公司托輪測量法，它采用測地學(xué)方法來觀測托輪軸心位置，并測量托輪、輪帶的直徑和輪帶間隙，最后間接地計算出窯體軸線位置[7]；FLS公司的輪帶位置測量法，該方法是使用激光在輪帶表面投射出6個固定的光斑，然后測定輪帶外徑上6個光點的空間位置擬合一個接近輪帶的形狀和實際位置的空間圓[8]；中南大學(xué)的窯體回轉(zhuǎn)中心零位移方向健相測量法，該方法通過在筒體表面標(biāo)記三個點，測量三個點到傳感器的距離計算得到筒體回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)[9]；武漢理工大學(xué)的回轉(zhuǎn)窯三點十字對徑遠(yuǎn)距離動態(tài)測量法，該方法通過使用全站儀遠(yuǎn)距離測量輪帶表面三個點的位置，得到輪帶中心的坐標(biāo)[10]。

以上回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測方法各有優(yōu)勢，均能測得回轉(zhuǎn)窯中心線的狀態(tài)。然而回轉(zhuǎn)窯中心線的檢測通常是窯故障后的檢修行為，無法挽回窯因故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。針對回轉(zhuǎn)窯中心線在線檢測的不足，本文提出一種回轉(zhuǎn)窯中心線監(jiān)測方法，使企業(yè)能及時發(fā)現(xiàn)窯中心線的偏差，降低回轉(zhuǎn)窯重大故障的發(fā)生率，減少維護(hù)成本。

2 回轉(zhuǎn)窯中心線的在線監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案設(shè)計

由于回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)過程中其表面伴隨著高溫和震動，這使得傳感器長期的近距離監(jiān)測很難實現(xiàn)。武漢理工大學(xué)的回轉(zhuǎn)窯中心線十字對徑測量法是一種遠(yuǎn)距離直接測量方法，基于十字對徑的測量原理，可以使用傳感器完成回轉(zhuǎn)窯中心線的遠(yuǎn)距離監(jiān)測。

如圖1和2所示，在每個輪帶中心的水平直徑線外，固定安裝兩個激光測距傳感器，其安裝高度與輪帶中心等高，并且將激光測距傳感器調(diào)平，保證激光能水平射出到輪帶表面；同時在輪帶中心的正下方安裝平臺，平臺用來固定和保護(hù)激光測距傳感器，測量輪帶下方的高差。這樣即可測得輪帶中心的坐標(biāo)，根據(jù)輪帶熱動態(tài)間隙即可計算出筒體中心點空間參數(shù)。該方法測量傳感器原理窯體表面，不受到回轉(zhuǎn)窯高溫的影響，可以實現(xiàn)長期監(jiān)測。

圖1 水平面的監(jiān)測示意圖

圖2 垂直面的監(jiān)測示意圖

2.2 監(jiān)測原理

回轉(zhuǎn)窯中心線的十字對徑監(jiān)測方法需要在輪帶水平直徑線外的遠(yuǎn)端以及輪帶最低點的下方安裝傳感器，在測量前需要準(zhǔn)確得到傳感器的空間坐標(biāo)，并根據(jù)傳感器自身的坐標(biāo)以及傳感器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得出回轉(zhuǎn)窯中心線的實際偏差數(shù)據(jù)，具體的計算過程如下。

監(jiān)測使用的測距傳感器都是根據(jù)全站儀測得的坐標(biāo)安裝的，所以傳感器本身的空間坐標(biāo)已知。對于第i檔輪帶，在水平方向左、右的激光測距傳感器為SiL、SiR，下方的傳感器為Sid，筒體中心為Ci。如圖3所示為第i檔輪帶監(jiān)測示意圖，SiL、SiR的坐標(biāo)分別為（XiL，Yi，ZiL）、（X1iR，Yi，ZiR），所測數(shù)據(jù)分別為diL、diR；Sid的坐標(biāo)為（Xid，Yi，Zid），所測數(shù)據(jù)為hi；那么第i檔輪帶直徑為：

圖3 Ⅰ檔輪帶監(jiān)測示意圖

第i檔輪帶的間隙為δi，所以第i檔輪帶處筒體中心在X、Y、Z軸方向的坐標(biāo)分別為：

根據(jù)上面的監(jiān)測原理可以得到第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ檔輪帶處的筒體中心坐標(biāo)。根據(jù)Ⅰ、Ⅲ檔的輪帶處筒體中心坐標(biāo)，空間中的回轉(zhuǎn)窯中心線的標(biāo)準(zhǔn)方程可以表示為：

第Ⅱ檔輪帶的截面與窯中心線的交點C0坐標(biāo)為(X0，Y0，Z0)，代入式（3）：

根據(jù)式（1）～（7）可得到窯中心線的偏差數(shù)據(jù)。在開發(fā)的上位機(jī)軟件中，寫入上面的算法，即可隨時監(jiān)測得到回轉(zhuǎn)窯各檔輪帶直徑、各檔輪帶處筒體中心的坐標(biāo)、窯中心線的偏差值。設(shè)置偏差的安全閾值為3～5 mm，當(dāng)Δd＞3～5mm時，系統(tǒng)立即發(fā)出警報，提醒工作人員注意回轉(zhuǎn)窯中心線偏差情況，及時調(diào)整托輪位置，使窯中心線偏差回歸到正常范圍，避免因窯中心線偏差引起回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生其他故障。

2.3 誤差分析

在回轉(zhuǎn)窯中心線的十字對徑監(jiān)測過程中，根據(jù)監(jiān)測原理可知，筒體中心的坐標(biāo)計算需要使用其他多項參數(shù)，每一項參數(shù)的測量肯定存在誤差，所以中心線的計算也存在一定的誤差。因此，需要根據(jù)建立的坐標(biāo)系的X、Y、Z三個方向，對回轉(zhuǎn)窯每檔輪帶處筒體中心點的計算結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

（1）筒體中心橫坐標(biāo)X的計算誤差分析。根據(jù)公式（2），筒體中心點在X方向的橫坐標(biāo)為：

式中：XR—右側(cè)傳感器的橫坐標(biāo)；XL—左側(cè)傳感器的橫坐標(biāo)；dR—右側(cè)傳感器的測量數(shù)據(jù)均值；dL—左側(cè)傳感器的測量數(shù)據(jù)均值。

根據(jù)均方根的誤差公式，筒體中心點的橫坐標(biāo)計算誤差為：

傳感器的位置坐標(biāo)由全站儀測量確定，取全站儀的最大測量誤差，即?XR=?XL=±1mm，傳感器的測量數(shù)據(jù)誤差由傳感器本身精度確定，取?dR=?dL=±2 mm。則該點橫坐標(biāo)的計算誤差為：?X=±0.8mm。

（2）筒體中心長度坐標(biāo)Y值的計算誤差分析。筒體中心點在Y方向上的坐標(biāo)是通過全站儀直接測量計算所得，其計算誤差就是全站儀的測量誤差，即：?Y=±1 mm。

（3）筒體中心縱坐標(biāo)Z值的計算誤差分析。根據(jù)公式（2），筒體中心點在Z方向的縱坐標(biāo)為：

式中：Zd—下方傳感器的縱坐標(biāo)；h—下方傳感器的測量數(shù)據(jù)均值；δ—輪帶與筒體間隙。

根據(jù)均方根的誤差公式，筒體中心點的縱坐標(biāo)計算誤差為：

取 ?Zd=?XL=?XR=?δ=1 mm，?h=?dL=?dR=2 mm，則該點的縱坐標(biāo)的計算誤差為：?Z=±1.13mm。

根據(jù)上面的分析結(jié)果可知，該方法監(jiān)測回轉(zhuǎn)窯中心線的測量誤差很小，滿足回轉(zhuǎn)窯中心線的監(jiān)測需求。

3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用此方法曾在湖南某水泥廠對一條日產(chǎn)5 000 t的回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行了測量。首先建立空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系方向見圖4，其中Y軸方向與回轉(zhuǎn)窯中心線平行。使用回轉(zhuǎn)窯中心線十字對徑測量法測量回轉(zhuǎn)窯的中心線，得到回轉(zhuǎn)窯各檔輪帶中心點的坐標(biāo)以及窯中心線的偏差。測量得到回轉(zhuǎn)窯相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中參數(shù)XL、YL、ZL表示輪帶中心的三維坐標(biāo)，δ表示輪帶與筒體間隙，DL表示輪帶直徑。

圖4 回轉(zhuǎn)窯坐標(biāo)系方向示意圖

表1 輪帶相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以得到回轉(zhuǎn)窯中心線水平和垂直方向的偏差，偏差示意圖如圖5所示。

圖5 回轉(zhuǎn)窯中心線水平、垂直偏差結(jié)果

從圖5可知，該回轉(zhuǎn)窯中心線的水平偏差為5.7 mm，垂直偏差0.7 mm。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯中心線十字對徑監(jiān)測方案，使用全站儀輔助定位激光測距傳感器的安裝坐標(biāo)并進(jìn)行安裝。各傳感器的安裝坐標(biāo)見表 2，其中Sil、Sir、Sid分別表示在回轉(zhuǎn)窯第i檔輪帶左、右、下方安裝的傳感器。

表2 傳感器安裝位置坐標(biāo)

使用激光測距傳感器，在指定的位置對輪帶進(jìn)行測量，測量時間為輪帶的兩個回轉(zhuǎn)周期，?、駲n輪帶測量數(shù)據(jù)，傳感器測量數(shù)據(jù)經(jīng)簡單處理后可得到相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 傳感器測量參數(shù)表

表3中，平均值代表傳感器到輪帶被測點的平均距離，峰峰值則表示輪帶的徑向跳動，其中Ⅱ檔輪帶在水平方向的徑向跳動最大。根據(jù)式（1）、（2）得到回轉(zhuǎn)窯各檔輪帶處筒體中心的坐標(biāo)以及輪帶直徑，計算結(jié)果見表4。

表4 回轉(zhuǎn)窯各檔輪帶處筒體中心坐標(biāo)及輪帶半徑

由式（5）～（6）可得，回轉(zhuǎn)窯的中心線水平和垂直偏差分別為：

?x'=5.31 mm;?z'=1.38 mm

由圖5可知，回轉(zhuǎn)窯中心線十字對徑測量的中心線偏差為：

?x=5.7 mm;?z=0.7 mm

回轉(zhuǎn)窯中心線十字對徑的監(jiān)測結(jié)果與在線測量結(jié)果在水平和垂直方向上的偏差均小于1 mm，因此設(shè)計的回轉(zhuǎn)窯中心線在線監(jiān)測方法可以精確監(jiān)測回轉(zhuǎn)窯的中心線。

4 結(jié)語

本文所介紹的回轉(zhuǎn)窯中心線監(jiān)測方法通過遠(yuǎn)距離的激光測距傳感器，監(jiān)測回轉(zhuǎn)窯輪帶水平直徑最外兩點以及輪帶最低點，根據(jù)傳感器自身的三維坐標(biāo)，可實時換算得到回轉(zhuǎn)窯各輪帶處筒體中心的空間坐標(biāo)，直觀的反應(yīng)回轉(zhuǎn)窯中心線的實時狀態(tài)。這種遠(yuǎn)距離的監(jiān)測方法，能在回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場長期使用，通過實時測量的回轉(zhuǎn)窯中心線狀態(tài)能及時發(fā)現(xiàn)窯的早期故障，通過及時的調(diào)整，避免回轉(zhuǎn)窯大型故障的發(fā)生，有效提高回轉(zhuǎn)窯的工作效率。