回转窑中心线偏差动态测量新法

梅 佳，廖义德，郭家欣

武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉430205

回转窑是建材、冶金等行业的核心设备［1］，其主要由筒体和多组轮带、托轮支承组构成［2］。因长期处于重载运转、高温多尘等恶劣环境下，窑体不同程度磨损，回转窑中心线的直线度是衡量窑体状态的重要指标［3］。在长期生产中，由于各档轴承座的不均匀下沉、托轮调整不当、支承件的磨损等因素，回转窑的运行轴线会偏离理论轴线，使筒体出现产生周期性弯曲和径向变形［4］。导致托轮严重超载或轮轴断裂、托轮座甚至窑墩强烈振动、筒体弯曲变形大或出现裂纹，甚至发生窑体断裂等重大事故，使企业蒙受经济损失。窑运转率决定企业产量和效益［5］，为此需要定期检测筒体轴线的水平、竖直偏差，及时校准，减少停窑损失［6］。

目前国外代表性的测量方法有如下几种：德国Polysius公司的托轮位置测量法［7］，该方法采用测地学原理来观测各档托轮的轴心坐标、托轮和轮带的直径以及轮带与筒体间隙，最后计算出筒体中心线位置。虽然能够准确测量出托轮轴心的空间坐标，但测量仪器昂贵，费用高，且对操作人员技术要求较高，存在较大的观测误差。美国Phillips公司的直接测量法［8］，在一根横梁上安装3个激光传感器，根据传感器得出的数据，利用三角定理计算出筒体中心点位置。该方法简单便捷，但设备昂贵，操作复杂，测量点的位置是不确定的。国内代表性的测量方法有：武汉理工大学研究的KAS-3型中心线测量系统［10］，测量传感器探头与基准面的距离，2个位移传感器分别安装在筒体水平直径线和垂直直径线上，测得轮带表面变化。水平位移传感器测量水平坐标，垂直位移传感器测量垂直坐标，从而得到轮带的中心位置。虽然精度较高，但是体积大，线缆多，不便移动，安装时需要高空作业也不够安全［11］。中南大学研究的零位移方向键相法，依据在各档两托轮内侧15°方向筒体应变为0，但在对回转窑进行动态分析的结论中，并没有明确指出筒体应变为0的区域是在15°方向，而且实际生产中，筒体上应变为零的区域也会随着筒体的偏移而发生改变。

通过分析国内外回转窑中心轴线测量的方法，笔者提出一种既能满足精度要求，又简单方便的回转窑中心线偏差动态测量方法。通过各档位左右托轮中心架设水平基准横梁，建立实基准。以轮带中心、左右托轮中心连线组成三角形模型，通过解三角形求出筒体的动态回转中心点。连接首尾档中心点，然后求得中间各档筒体中心到该连线的水平偏差和竖直偏差值。与传统方法相比，建立实基准后测得的结果更能准确反映回转窑的实际情况，激光定位测量也能达到一定的测量精度要求。测量数据为调整回转窑工艺规程及托轮摆放位置、改善筒体受力状况、预防托轮轴瓦发热提供依据［12］。目前在多家水泥回转窑上得到应用，并取得了较好的效果。

1 回转窑中心线动态测量的原理和方法

回转窑通常为多点支承，假设有N个支撑档位（N为3～9）。在每一档位处有2个托轮通过轮带将窑体支撑起来，筒体轴线与水平面存在一定的斜度。每个支承档位均由1个箱型底座、2个托轮、4个轴承座以及套在筒体上的轮带等部件构成［13］。对回转窑运行轴线的评价包括水平直线度和垂直直线度，即轴线在水平面和垂直面内的投影的直线度。为此，需测量的参量包括托轮与轮带直径，轮带与筒体间隙、左右托轮基础沉降量、各档位轮带、筒体和托轮中心位置坐标等。

1.1 轮带与托轮直径的测量

轮带及托轮的直径可以通过测量其周长来确定，测量原理如图1（a）所示，为满足其测量精度，要求压轮与被测件表面之间作无滑动的滚动，而且被测件两者工作面平行，以保证测速压轮表面的线速度与托轮和轮带表面的线速度一致，而单滚轮很难保证与被测件表面的线速度一致，为此采用双滚轮同轴结构的设计［14］。采用两个精确等直径的滚轮同轴连接，且滚轮外径工作面进行微小的防滑纹处理，具体结构如图1（b）所示。

测速压轮转动一周，编码器输出360个脉冲，单个脉冲代表的周长为1 mm。当托轮和轮带转动N圈时，测速压轮转动n圈，转动时间为T，则可求得托轮直径di和轮带直径Di（i为1～n，n≥3）：

1.2 窑体中心线的测量

通过建立水平横梁标尺，间接测得窑体各档轮带的中心点坐标，得到窑体中心线。测得轮带和筒体间隙后，通过计算可以得到各档位筒体的中心，其测量原理如图2所示。

筒体中心的计算：

1）先求出3个中心点所构三角形的α角

3）轮带中心投影点Ai相对于左托轮中心的距离OizAi为：

4）轮带中心到水平横梁投影点的竖直距离Yia为：

5）将每档轮带在水平横梁上的投影点向左或向右平移至视野开阔地带，距离为X。

图2 回转窑中心轴线测量原理Fig.2 Measurement principle of rotary kiln central axis

1.3 各档轮带中心线偏差的测量

用全站仪观测各档轮带中心点平移后数据［15］，轮带中心点测量如图3所示。

图3 轮带中心点测量：（a）现场实物图，（b）测量原理图Fig.3 Measurement of tire center point：（a）on-site physical map，（b）schematic diagram of measurement

记录各档轮带观测点的坐标Ⅰ（N1，E1，Z1），Ⅱ（N2，E2，Z2），Ⅲ（N3，E3，Z3）。

1）筒体水平偏差ΔXi的测量，其测量原理如图4（a）所示。

将各档轮带中心点投影到水平面内，连接首尾两档投影点成一直线，求出中间各档投影点偏离直线的距离即为水平偏差ΔXi。由于筒体和轮带中心在同一竖直平面内，所以在水平面内的投影相同，即筒体和轮带中心线水平偏差相同。计算过程如下：

图4 中心线偏差测量原理：（a）水平方向，（b）竖直方向Fig.4 Principle of centerline deviation measurement：（a）horizontal deviation，（b）vertical deviation

当ΔXi值为正时，中间各档轮带中心点往直线右边（从窑尾往窑头看分左右）偏离，为负时往左偏离。

2）筒体竖直偏差的测量，测量前需求出轮带中心线的竖直偏差ΔHi，原理如图4（b）。轮带中心线竖直偏差计算过程如下：

式中：H为在坐标系中2档处对应在轮带中心线上的纵坐标；ΔH i为轮带中心线竖直偏差，i为档位。筒体中心线竖直偏差ΔHit计算：

ΔHit的值为正数时，中间各档中心点向首尾档中心连线下方偏离；为负数时，中间各档轮带中心点向上偏离。

2 回转窑中心线偏差动态测量新方法的应用

使用此新方法对安徽中材水泥其中一条日产5 000 t水泥回转窑进行了在线测量，该回转窑有3档轮带，用双滚轮结构对托轮和轮带直径进行了测量，测量精度在±0.1 mm，水平横梁定位精度在±0.3 mm。主要测量数据如表1所示。

表1 安徽中材水泥回转窑测量数据表Tab.1 Measurement data sheet of Anhui Sinoma Cement Rotary Kiln mm

计算后得到水平偏差ΔX=-17.63 mm，即向中心线左方偏离17.63 mm。竖直偏差ΔH=7.58 mm，即向中心线下方偏离7.58 mm。同时根据现场窑体实际情况发现，在第二档左侧托轮温度较高，表面磨损严重。正好印证测量结果中心线向左侧偏离。厂方根据测量结果将Ⅱ档分3次向右向上进行了调整，Ⅱ档处的振动显著减小，窑体运转状态也有明显改善，整个测量和调整过程取得了较好的效果。

3 结 论

以上论述了动态测量大型回转窑轴线的原理和方法。通过测量托轮和轮带直径，建立三角模型，架设水平横梁，将中心点平移至开阔地带，用全站仪测量平移后的各档位中心点，进一步求出中心线偏差的方法。测量精度可达到0.5 mm。此方法既避免了停窑造成的生产损失，其测量结果又为定期观测回转窑的运转状态和维修调整提供依据，为水泥生产厂方稳定生产提供有效保障。