运转中回转窑托轮和轮带外表面修复方法研究

张 云，叶志勇

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 建材行业回转窑检测技术中心，湖北 武汉 430070)

回转窑是水泥、冶金等行业的大型核心设备，回转窑负载全部由托轮和轮带承担[1]。在重载、高温、粉尘恶劣条件下长期运行中，由于窑墩基座下沉、托轮位置变化等原因，导致托轮和轮带接触表面经常发生各类失效，如点蚀、裂纹、局部剥落、掉块等状况。而当液压挡轮长期停止工作时轮带和托轮仅在一个位置始终保持接触磨损，而轴向其它未接触部件不发生磨损，这种不均匀磨损会使托轮和轮带工作面出现明显的凹凸变形，径向外表面呈现出鼓形、马鞍形或波浪状、锥形等现象[2]。其主要后果有：①托轮和轮带局部接触，甚至倾斜，局部过载，轴瓦经常过热，甚至“烧瓦”，导致停窑；②凹凸状的磨损变形阻碍窑体沿轴线的正常上下移动，甚至造成液压挡轮机件损坏而停窑；③掉块或波浪形、多边形的磨损变形导致运行过程中托轮和轮带接触表面发生碰撞，引起回转窑的剧烈振动或震动[3]，严重影响回转窑运行状态。此时必须对其进行加工外圆修复，去除工件径向外表面凸起，恢复圆柱度。显然，停窑修复成本过高，而目前国内不停窑的修复方式主要有：①人工操作简易车床进行托轮车削外圆修复，其加工精度低，且耗时长[4]。②使用砂轮刚性磨削外圆修复，其振动大，特别是在加工轮带时，由于轮带存在较大径向摆动[5]，磨床组件容易损坏，且受砂轮宽度限制，修复效率受限。

砂带磨削是一种利用高速运动的砂带对工件表面进行磨削、研磨和抛光的新型高效复合工艺。具有优质、高效率、低振动的特点，已在精密加工中广泛应用[6]。然而目前国内尚未见使用砂带磨削进行回转窑托轮或轮带修复的报道，而国外已有实际应用。为此设计了一种托轮与轮带在线砂带磨削机，采用电控系统来控制磨削头工作台的自动十字移动进给加工，并研究了该设备空间位置的在线测量和安装调整方法。

1 砂带外圆磨削机设计

所设计的砂带磨削设备，由于砂带宽度可合理选择，磨削面积大，修复效率比砂轮磨削的效率高数倍；砂带周长远大于砂轮，磨削热量小，散热条件良好[7]；同时砂带磨削为弹性接触磨削，自适应工件外形，设备振动小。

图1 托轮、轮带表面砂带外圆磨削机结构示意图

砂带磨削机的机械结构示意图如图1所示。它主要包括机架，机架上固定的工作导轨，以及工作导轨移动工作台上安装的砂带磨削装置。机架可以通过螺杆等机构实现磨削设备在水平面和垂直面的调整和固定。机架上安装有沿被加工回转体轴向(X方向)和沿径向(Y方向)的方形导轨，两者相互垂直。X方向使用伺服电机控制，Y方向可以选择手动或电机控制，实现平面内对工作台的移动位置控制，其X和Y方向移动进给加工精度为0.1 mm。移动工作台上固定的磨削装置具有三轮结构，直径最大的为主动轮，其作为接触轮进行磨削；中间的调偏轮具有鼓形径向外表面，用于砂带的调偏，并配合弹簧机构实现砂带张紧。根据托轮和轮带修复加工要求，本磨削机选择粗颗粒磨料砂带，采用恒进给磨削，砂带磨削速度为25～30 m/s，磨削进给深度为0.1～0.5 mm。另外，根据不同回转窑托轮和轮带高度不同，本磨削机选择安装垂直电控升降台进行设备整体高度的调整。

2 动态回转体轴线空间位置测量

2.1 托轮轴端面动态测量方法

武汉理工大学回转窑检测中心采用一种中国发明专利测量方法[8]来测量确定动态托轮轴线位置，其原理如图2所示。建立一个平行于回转窑轴线的基准铅垂面MM′，在托轮轴向两侧分别架设全站仪，分别从O点测量基准面内M、M′点，以及托轮轴端面回转中心L、R点(使用轴孔定心器定位)，得到平距SM、SOM′、SL、SR，高差HM、HM′、HL、HR，水平角0°、αM′、αL、αR(沿M点水平角置零)；同理，从O′测量M′、L′、R′、M点，得到相关测量数据。设M、M′高差为h0，平距S0。

图2 动态托轮轴线测量示意图

则可以通过解图3所示的三角形，得到L点到基准垂面MM′的距离kL，L到MN所在垂面距离Y2,具体计算公式见式(1)～式(5)。

(1)

(2)

P=(S0+SML+SM′L)/2

(3)

(4)

(5)

图3 解三角形分析示意图

同理可求得L′、R、R′到基准面的距离KL′、KR、KR′(水平面内)，以及R到MN所在垂直面的距离YR；L′、R′到M′N′所在垂直面的距离YL′、YR′。从而确定托轮在水平面和垂直面内的倾角，实现空间位置测量。如图2所示左托轮轴线，水平面内的倾角(歪斜度)为：

tanθ=(KL′-KL)/(S0-YL-YL′)

(6)

垂直面内的倾角(倾斜度)为：

(7)

2.2 回转窑轮带轴线动态测量法

轮带轴线与回转窑轴线在空间基本平行，可以采用武汉理工大学发明的一种回转窑三点十字对径直接远距离测量法[9]来测量确定动态轮带轴线位置。其实际综合测量误差≤±1.5 mm，具体方法参见文献[10]，在此不做赘述。

3 磨削机的定位调整

使用磨削机磨削前，必须保证磨削机导轨(X方向)与被加工回转体轴线空间平行，即在水平面内和垂直面内与被磨削体动态回转轴线倾角相同。如图4所示，建立一条平行于回转窑轴线水平投影的基准线，其上设两个标靶M、M′，在靠近托轮旁架设磨削机，在其X导轨上固定两个标靶G、G′(GG′平行于X导轨)；用全站仪测量G、G′、M、M′相关参数，X导轨长度SGG′=L1是固定的，KG′、KG表示G′、G到MM′所在基准垂面的距离。KG′、KG的计算同式(1)～式(4)。

图4 导轨安装定位测量示意图

则导轨在水平面内歪斜度为：

sinγ=(KG′-KG)/L1

(8)

垂直面内倾斜度为：

sinη=(HG′-HG)/L1

(9)

要保证磨削机X导轨与托轮(或轮带)运转空间轴线平行，只需保证：

γ=θ，η=β

(10)

磨削机安装定位时，首先进行水平面内歪斜度的调整。设备上设有角度微调装置(如图1所示)，机架与导轨连接面如图5所示，机架上开设有弧形孔槽和定位圆孔O，以及用于容纳导轨底部凸块的矩形槽，连接螺栓穿过弧形孔槽与导轨连接。通过转动调整螺栓带动滑块移动，推动导轨底部凸块，实现整个导轨在安装机架上以定位圆孔O为中心，沿弧形槽做小幅度的圆周摆动，实现导轨在水平面内歪斜度的调整。在垂直面调整X导轨倾斜度时，将电子坡度仪置于X导轨上，使用剪式千斤顶或液压装置使机架一侧升高[11]，沿X方向倾斜形成斜面，并使用螺栓锁紧固定。然后通过机架底部的调整垫铁进行微调，当电子坡度仪显示倾角与托轮(或轮带)的动态轴线在垂直面倾角β相同时，即完成导轨垂直面内倾斜度的调整。整个调整过程中和结束后，可以使用如图4所示方法进行检验和校准。

图5 磨削机在水平面的歪斜调整装置示意图

4 结论

通过比较分析目前国内回转窑已有的不同修复方式的优缺点，确定选用砂带外圆磨削来修复运转中托轮和轮带的圆柱体表面。设计的专用磨削机采用电控系统来控制工作台移动，实现磨削头在轴向X方向和径向Y方向导轨自动进给控制，其移动和加工精度为0.1 mm。

磨削机X轴向导轨与被修复旋转体轴线的空间平行是在线安装设备的关键问题。介绍一种托轮与轮带轴线和磨削机X轴向导轨的空间位置在线测量及调整方法，该测量方法实际应用于回转窑测量已经7年，实践证明对动态托轮轴心空间点和回转窑轮带轴线的测量精度可达到1.5 mm[10]，能较高精度地保证磨削机X轴向导轨与被修复托轮(或轮带)轴线空间平行，从而保证修复后托轮(或轮带)径向表面圆柱度和直线度，实现回转窑正常运转。

参考文献：

[1] 李学军.大型多支承回转窑健康维护理论与技术研究[D].长沙：中南大学,2003.

[2] 张卫京.回转窑托轮装置的修复与调整方法[J].广东科技,2014(20):176-178.

[3] 江旭昌.回转窑托轮调整[M].北京：中国建材工业出版社,2012.

[4] 丁义军.回转窑托轮的现场加工[J].中国设备工程,2011(9):53-54.

[5] 吴志强,唐利华.一种大型转动设备的在线磨削装置[J].水泥,2016(8):70-71.

[6] 王维朗,潘复生,陈延君,等.砂带磨削技术及材料的研究现状和发展前景[J].材料导报,2006,20(2):106-108.

[7] 黄云,黄智.现代砂带磨削技术及工程应用[M].重庆：重庆大学出版社,2009.

[8] 张云.动态回转窑托轮轴线和筒体轴线的测量方法及仪器:中国，ZL 201210157545.4[P].2014.

[9] 张云.回转窑筒体动态轴线和弯曲的检测和监测方法及测量系统：中国，ZL 201210157543.5[P].2014.

[10] 张云,吴昊,刘磊.两类回转窑三点测量方法及误差的分析[J].水泥,2015(4):34-37.

[11] 付亚为,张云.托轮砂带磨机设计及空间位置测量与调整[J].现代制造,2017(18):148-149.