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(yùn)行，其中心線會(huì)產(chǎn)生偏差，當(dāng)偏差超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，會(huì)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5000t/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(dòng)回轉(zhuǎn)窯需要20~30萬元的費(fèi)用。

隨著人們對大型設(shè)備的安全及可靠運(yùn)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(shí)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。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。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。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(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行和維護(hù)的必然發(fā)展趨勢。

長期以來，對回轉(zhuǎn)窯中心線的狀態(tài)檢測以動(dòng)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。

目前，國內(nèi)外較為成熟的回轉(zhuǎn)窯中心線動(dòng)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(jì)算出窯體軸線位置；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(gè)固定的光斑，然后測定輪帶外徑上6個(gè)光點(diǎn)的空間位置擬合一個(gè)接近輪帶的形狀和實(shí)際位置的空間圓。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(gè)點(diǎn)，測量三個(gè)點(diǎn)到傳感器的距離計(jì)算得到筒體回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)叫武漢理工大學(xué)的回轉(zhuǎn)窯三點(diǎn)十字對徑遠(yuǎn)距離動(dòng)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(gè)點(diǎn)的位置，得到輪帶中心的坐標(biāo)。

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(shí)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。

2.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

由于回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其表面伴隨著高溫和震動(dòng)，這使得傳感器長期的近距離監(jiān)測很難實(shí)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(gè)輪帶中心的水平直徑線外，固定安裝兩個(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)間隙即可計(jì)算出筒體中心點(diǎn)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(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測。

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(diǎn)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(jì)算得出回轉(zhuǎn)窯中心線的實(shí)際偏差數(shù)據(jù)，具體的計(jì)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。

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：

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(shí)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3～5mm，當(dāng)△d>3～5mm時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員注意回轉(zhuǎn)窯中心線偏差情況，及時(shí)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(jì)算需要使用其他多項(xiàng)參數(shù)，每一項(xiàng)參數(shù)的測量肯定存在誤差，所以中心線的計(jì)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(gè)方向，對回轉(zhuǎn)窯每檔輪帶處筒體中心點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

（1）筒體中心橫坐標(biāo)X的計(jì)算誤差分析。根據(jù)公式⑵，筒體中心點(diǎn)在X方向的橫坐標(biāo)為：

X=(XR+XL-DL+DR)/2

式中:XR—右側(cè)傳感器的橫坐標(biāo)；XL一左側(cè)傳感器的橫坐標(biāo)；DR一右側(cè)傳感器的測量數(shù)據(jù)均值；DL一左側(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(diǎn)的橫坐標(biāo)計(jì)算誤差為：

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。

應(yīng)用此方法曾在湖南某水泥廠對一條日產(chǎn)5000t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(diǎn)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。

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。

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0.7mm。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。

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(shí)間為輪帶的兩個(gè)回轉(zhuǎn)周期，取Ⅰ檔輪帶測量數(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中，平均值代表傳感器到輪帶被測點(diǎn)的平均距離，峰峰值則表示輪帶的徑向跳動(dòng)，其中n檔輪帶在水平方向的徑向跳動(dòng)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(jì)算結(jié)果見表4。

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'=5.31mm；△z'=1.38mm

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=5.7mm；△z=0.7mm

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1mm，因此設(shè)計(jì)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。

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(diǎn)以及輪帶最低點(diǎn)，根據(jù)傳感器自身的三維坐標(biāo)，可實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)測量的回轉(zhuǎn)窯中心線狀態(tài)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)窯的早期故障，通過及時(shí)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。

作者：劉必成，張?jiān)?/strong>