扬克烘缸新型在线检测技术

魏　涛　张　锋,2　解先利　王国奇

(1.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021；

2.陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)



扬克烘缸新型在线检测技术

魏涛1张锋1,2解先利1王国奇1

(1.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021；

2.陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)

摘要：针对传统检测技术的不足,本文介绍了一种扬克烘缸新型在线检测技术,并从工作原理、技术特点、检测故障类型等方面对构成该技术的两种检测手段(精密红外成像和表面形貌测量)进行了详细的阐述与分析,最后通过实例证明了该技术的优越性和可行性。

关键词：扬克烘缸；在线检测；红外成像技术；表面形貌测量技术

扬克烘缸是现代卫生纸机中最关键的部件,但在使用过程中常会发生诸多故障,严重影响纸机的正常运行。究其原因,主要表现在以下两个方面：①由于长期处于高温高湿的工作环境中,扬克烘缸容易发生腐蚀磨损且受损情况复杂[1-2]；②人为操作不当会引起蒸汽泄露,甚至发生烘缸爆炸等事故[3]。因此,对扬克烘缸进行检测,可以及时获知其运行状况,这样不但可以为烘缸修磨提供精准数据,有效改善成纸质量,提高生产效率,而且能够保证纸机的安全运行,预防蒸汽泄露、烘缸爆炸等严重事故的发生,避免给企业带来严重的经济损失。

传统的扬克烘缸检测技术主要有：磁粉检测、渗透检测、涡流检测和超声波无损检测等。其中,磁粉检测仅限于铁磁性材料,定量测定缺陷深度困难；渗透检测技术工艺程序复杂,试液易挥发,检测精准度不高；涡流检测虽然对零件几何等形状引起的边缘效应敏感,但检测精度不高；超声波检测存在检测速度慢,周期长等不足[4- 6]。针对上述情况,本文提出了一种扬克烘缸的新型在线检测技术,其原理是：在精密红外成像技术和表面形貌测量技术的协同作用下,对扬克烘缸内部和外部缺陷进行在线检测。目前,该技术在国内尚未得到应用,但国外已经将其应用到生产实践中。该技术具有检测速度快、精度高、自动化程度高、操作简单、环境清洁等优点,能够精确并全面地检测出扬克烘缸的故障和缺陷,检测精度可达±0.01 mm,可以在很大程度上弥补传统检测技术的诸多不足。

1精密红外成像技术

精密红外成像技术是利用红外辐射原理,反复对旋转的扬克烘缸进行实时全帧扫描,通过红外热像仪采集扬克烘缸热辐射的红外线特定波段信号,并将该信号转换为人眼可分辨的图像和图形,利用热图像灰度与温度之间的关系进一步计算出温度值,获得扬克烘缸的全帧热谱图[7],能够清晰直观并全视角地反应出扬克烘缸温度分布情况,从而及时发现其内部缺陷,为修复提供分析数据。

图3　激光三角测量原理图

图4　扬克烘缸表面缺陷相对形貌图

红外热像仪主要由红外探测器和光学系统等组成,其工作原理[8]如图1所示。光学系统接受扬克烘缸的红外辐射能量分布图形,并放映到红外探测器的光敏元上,在光学系统和红外探测器之间,光扫描机构对扬克烘缸的红外热图进行扫描,并聚集在分光探测器上,由探测器将红外辐射能转换成电信号,经放大处理和转换,最终通过监测器显示出扬克烘缸的全帧红外热图像,如图2所示。

图1　红外热成像原理图

图2　全帧红外成像热谱图

利用精密红外成像技术对扬克烘缸进行在线检测,主要有点、面和区域3种测温方式(点测温方式是对扬克烘缸上某一点进行检测,面测温方式是对扬克烘缸进行全帧检测,区域测温方式是对某些特殊的区域进行局部温度测量与分析),通过不同测温方式的配合使用,能够准确检测扬克烘缸温度分布情况,从而通过分析判断得出扬克烘缸内部的缺陷及故障,比如：缸壁内部缺陷、冷凝水排出不畅、虹吸管破裂或堵塞、立管夹具泄漏、供汽不均匀、缸盖和缸壁连接处蒸汽泄漏、烘缸中高曲线变形、缸壁同心度超标等问题[9]。

2表面形貌测量技术

表面形貌测量技术是根据激光测距原理,通过激光测距探头对扬克烘缸表面进行反复扫描来实现扬克烘缸表面形貌测量。激光测距探头主要由激光器、光学透镜、反光镜和位置敏感器件等组成。其原理是激光光源射源投射一束细光束到扬克烘缸缸面形成一微小点,位置敏感器件接受从扬克烘缸缸面漫反射回来的一部分光,根据漫反射光在位置敏感器件上的成像位置,经信息处理和计算机技术,得到扬克烘缸表面的形貌图[10],反应烘缸表面的具体情况。激光三角测量原理如图3所示。

对扬克烘缸表面进行形貌测量是通过激光探头的匀速往复作用,由探头向低速旋转的扬克烘缸表面发射稳定的激光束,并采集部分漫反射光束,然后将信号送给计算机,经过数据处理和图像技术,最终得到扬克烘缸表面形貌的三维立体图像[10],即缺陷的深度与烘缸横向位置、烘缸周向位置(螺栓号数)形貌位置关系图,如图4所示。

表面形貌测量技术能够对扬克烘缸表面进行在线检测,其检测过程通常是在停机情况下进行的。利用表面形貌测量技术可以获得扬克烘缸表面结构设计数据与实际数据的误差值(如图5所示),可以非常直观并精确地反映出扬克烘缸表面的缺陷,比如：腐蚀带来的凹坑、斑点、针孔,烘缸中高曲线变形,缸壁同心度超标等问题[9]。为后续的缸面修磨工作提供准确的数据,尤其适合于对带有中高的大型扬克烘缸表面的检测。

图5　扬克烘缸表面形貌测量图像

图6　扬克烘缸新型在线检测系统结构简图

技术性能传统检测技术磁粉渗透涡流超声波新型在线检测技术优点灵敏度较高,操作简便,结果可靠直观灵敏度较高,显示直观,可检测大型不规则工件及现场检测设备自动化程度高,不必清理表面,省时对缺陷敏感,获得结果迅速,缺陷定位方便工作效率高,检测精度高,检测速度快,在线检测缺点只限于铁磁性材料,不能定量测定缺陷深度工艺程序复杂,试液易挥发,检测精准度不高对零件形状引起的边缘效应敏感,精度不高速度慢,检测周期长设备投资大

3两种技术协同作用

扬克烘缸新型在线检测技术通过精密红外成像技术和表面形貌测量技术的组合,利用各自的技术优势,能够对扬克烘缸的内部和外部缺陷或故障做出更加精准地检测。该技术是通过电机的传动作用,使架在导轨上的激光探头和红外热像仪做匀速的往复作用,分别对旋转的扬克烘缸进行扫描,采集信号传送至计算机,经过数据处理和图像技术,分别得到扬克烘缸表面形貌的三维立体图像和扬克烘缸的全帧热谱图,然后进行图像数据的对比分析,最终判断出扬克烘缸的运行状况、故障原因、缺陷类型及坐标等,为扬克烘缸的检修和维护提供可靠的数据支持,其结构简图如图6所示。

扬克烘缸新型在线检测技术与传统检测技术(如磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声波检测)的优缺点比较[11]如表1所示。扬克烘缸新型在线检测技术在扬克烘缸缺陷检测方面的应用,国外也已有较为成熟的经验。

4应用实例

国外某厂停机检修的扬克烘缸(主要参数：车速1800 m/min、蒸汽压力0.827 MPa),工作人员发现其存在刮刀磨损严重和纸机生产效率降低等故障,故采用新型在线检测技术对其问题进行诊断[9]。

首先,对该纸机的扬克烘缸进行精密红外成像检测,检测结果如图7所示。从图7中可以看到几处异常：在扬克烘缸前边缘出现连续的暗条纹,后边缘出现不连续的暗条纹,并且沿烘缸轴向发现多个随机出现的暗色斑点,经分析发现,这些暗条纹处于扬克烘缸虹吸管处,暗色斑点似乎与扬克烘缸缸面坐标位置有关。因此,由图7得出以下结论，①该扬克烘缸的虹吸管堵塞,烘缸内冷凝水排出不畅；②缸面受腐蚀磨损后存在凹坑、斑点和针孔等缺陷。

图7　扬克烘缸热谱图

图8　扬克烘缸表面形貌图

图9　指定位置的烘缸断面轮廓图

然后,为了评估扬克烘缸表面问题,并确定扬克烘缸出现暗色斑点的原因,对该纸机的扬克烘缸进行表面形貌测量,检测结果如图8所示。图9具体给出了扬克烘缸上指定位置沿轴向的变形轮廓图,其中所示数字为螺栓号数,相邻圆圈间距为0.13 mm。从图8中得出，沿扬克烘缸表面后边缘存在明显斑点,通过数据分析,发现在60号螺栓位置附近烘缸表面存在深度大约0.89 mm的凹坑。从图9中得出，①在85号螺栓位置附近存在深度大约0.3 mm的凹坑,通过更加精确的数据得出,这是两个相连的凹坑；②在前边缘110号和150号螺栓位置附近,均存在凸点,为涂料在缸面粘黏所致；③在160号到10号螺栓之间的位置,烘缸直径小于设计直径约0.07 mm,为刮刀磨损所致。

5结语

扬克烘缸是高速卫生纸机的关键设备,烘缸内部和外部的故障和缺陷严重影响着纸机的生产效率和安全性,快速检测及诊断扬克烘缸的故障和缺陷对纸机操作具有非常重要的意义。扬克烘缸新型在线检测技术综合了精密红外成像和表面形貌测量的技术优势,与传统技术相比,不但能够同时检测烘缸内部和外部的故障和缺陷,而且能够更加快速地给出故障和缺陷的精准坐标,从而为扬克烘缸的修磨和维护提供更加可靠的依据。

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(责任编辑：常青)

New On-line Detection Technology of Yankee Dryer

WEI Tao1,*ZHANG Feng1,2XIE Xian-li1WANG Guo-qi1

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;

2.ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 269157172@qq.com)

Abstract：Considening the shortcomings of traditional detection techniques, this paper described an efficient on-line detection technology of Yankee dryer. From working principle, technical characteristics, the types of fault being detected and other aspects, the precise infrared imaging technique and surface topography measurements technique which constitute this technology were described and analyzed in detail. Finally, the superiority and feasibility of the technology were proved by a practical example.

Key words：Yankee dryer; on-line detecting; precision infrared thermography; operating surface topography

基金项目：陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室项目(11JS017)。

收稿日期：2015- 07- 03(修改稿)

中图分类号：TS734+.3；TH17

文献标识码：ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2015.12.009

作者简介：魏涛先生，在读硕士研究生；主要研究方向：动力机械设备与控制。