回轉窯中心線在線監測方法

劉必成，張 云（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

回轉窯是一種大型熱工旋轉機械設備，窯故障與其中心線的準直度密切相關。正常理想的窯中心線是直線或接近一條直線的狀態，以保證回轉窯的支撐部件受力均勻。由于回轉窯長期在高溫、重載、多塵惡劣工況下連續低速回轉運行，其中心線會產生偏差，當偏差超出標準范圍時，會引發回轉窯的一系列故障甚至導致停窯事故發生。對于產能5 000 t/d的回轉窯，停窯每日損失產值將達到200萬元以上，重新啟動回轉窯需要20～30萬元的費用。

隨著人們對大型設備的安全及可靠運行的重視程度不斷提高，歐美先進國家已經要求相關企業對大型機械實行在線狀態監測。我國在狀態監測和故障診斷方面起步較晚，但追趕發展速度很快，國家相關部門先后出臺了機械設備狀態監測和故障診斷的相關規定及標準等[1]。國內高校針對機械故障機理、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]。在工業應用方面，相關科研人員針對不同對象開發了不同類型的監控與診斷系統，這些技術在一些工業領域的大型機械設備中有廣泛的應用[4]。目前，對回轉窯的狀態檢測及維護都還停留在事后檢修或定期檢修上，無法避免回轉窯的停產事故以及窯故障帶來的經濟損失。鑒于此類問題，采用實時的狀態監測已經成為回轉窯運行和維護的必然發展趨勢。

1 國內外較成熟的回轉窯中心線檢測方法

長期以來，對回轉窯中心線的狀態檢測以動態檢測技術為主，隨著檢測設備和技術的進步，回轉窯中心線的檢測方法一直在進步與完善，回轉窯中心線的檢測技術已經趨于成熟[5,6]。目前，國內外較為成熟的回轉窯中心線動態檢測方法有：德國公司托輪測量法，它采用測地學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]；中南大學的窯體回轉中心零位移方向健相測量法，該方法通過在筒體表面標記三個點，測量三個點到傳感器的距離計算得到筒體回轉中心坐標[9]；武漢理工大學的回轉窯三點十字對徑遠距離動態測量法，該方法通過使用全站儀遠距離測量輪帶表面三個點的位置，得到輪帶中心的坐標[10]。

以上回轉窯中心線的檢測方法各有優勢，均能測得回轉窯中心線的狀態。然而回轉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濟損失。針對回轉窯中心線在線檢測的不足，本文提出一種回轉窯中心線監測方法，使企業能及時發現窯中心線的偏差，降低回轉窯重大故障的發生率，減少維護成本。

2 回轉窯中心線的在線監測

2.1 監測方案設計

由于回轉窯運轉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測很難實現。武漢理工大學的回轉窯中心線十字對徑測量法是一種遠距離直接測量方法，基于十字對徑的測量原理，可以使用傳感器完成回轉窯中心線的遠距離監測。

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，根據輪帶熱動態間隙即可計算出筒體中心點空間參數。該方法測量傳感器原理窯體表面，不受到回轉窯高溫的影響，可以實現長期監測。

圖1 水平面的監測示意圖

圖2 垂直面的監測示意圖

2.2 監測原理

回轉窯中心線的十字對徑監測方法需要在輪帶水平直徑線外的遠端以及輪帶最低點的下方安裝傳感器，在測量前需要準確得到傳感器的空間坐標，并根據傳感器自身的坐標以及傳感器測量的數據進行計算得出回轉窯中心線的實際偏差數據，具體的計算過程如下。

監測使用的測距傳感器都是根據全站儀測得的坐標安裝的，所以傳感器本身的空間坐標已知。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檔輪帶監測示意圖，SiL、SiR的坐標分別為（XiL，Yi，ZiL）、（X1iR，Yi，ZiR），所測數據分別為diL、diR；Sid的坐標為（Xid，Yi，Zid），所測數據為hi；那么第i檔輪帶直徑為：

圖3 Ⅰ檔輪帶監測示意圖

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軸方向的坐標分別為：

根據上面的監測原理可以得到第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ檔輪帶處的筒體中心坐標。根據Ⅰ、Ⅲ檔的輪帶處筒體中心坐標，空間中的回轉窯中心線的標準方程可以表示為：

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

根據式（1）～（7）可得到窯中心線的偏差數據。在開發的上位機軟件中，寫入上面的算法，即可隨時監測得到回轉窯各檔輪帶直徑、各檔輪帶處筒體中心的坐標、窯中心線的偏差值。設置偏差的安全閾值為3～5 mm，當Δd＞3～5mm時，系統立即發出警報，提醒工作人員注意回轉窯中心線偏差情況，及時調整托輪位置，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窯產生其他故障。

2.3 誤差分析

在回轉窯中心線的十字對徑監測過程中，根據監測原理可知，筒體中心的坐標計算需要使用其他多項參數，每一項參數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，需要根據建立的坐標系的X、Y、Z三個方向，對回轉窯每檔輪帶處筒體中心點的計算結果進行誤差分析。

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

式中：XR—右側傳感器的橫坐標；XL—左側傳感器的橫坐標；dR—右側傳感器的測量數據均值；dL—左側傳感器的測量數據均值。

根據均方根的誤差公式，筒體中心點的橫坐標計算誤差為：

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

（2）筒體中心長度坐標Y值的計算誤差分析。筒體中心點在Y方向上的坐標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Z值的計算誤差分析。根據公式（2），筒體中心點在Z方向的縱坐標為：

式中：Zd—下方傳感器的縱坐標；h—下方傳感器的測量數據均值；δ—輪帶與筒體間隙。

根據均方根的誤差公式，筒體中心點的縱坐標計算誤差為：

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

根據上面的分析結果可知，該方法監測回轉窯中心線的測量誤差很小，滿足回轉窯中心線的監測需求。

3 數據分析

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

圖4 回轉窯坐標系方向示意圖

表1 輪帶相關參數

根據表1的數據可以得到回轉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 回轉窯中心線水平、垂直偏差結果

從圖5可知，該回轉窯中心線的水平偏差為5.7 mm，垂直偏差0.7 mm。根據回轉窯中心線十字對徑監測方案，使用全站儀輔助定位激光測距傳感器的安裝坐標并進行安裝。各傳感器的安裝坐標見表 2，其中Sil、Sir、Sid分別表示在回轉窯第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

使用激光測距傳感器，在指定的位置對輪帶進行測量，測量時間為輪帶的兩個回轉周期，?、駲n輪帶測量數據，傳感器測量數據經簡單處理后可得到相關參數見表3。

表3 傳感器測量參數表

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。根據式（1）、（2）得到回轉窯各檔輪帶處筒體中心的坐標以及輪帶直徑，計算結果見表4。

表4 回轉窯各檔輪帶處筒體中心坐標及輪帶半徑

由式（5）～（6）可得，回轉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

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

4 結語

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