回转窑中心线垂直偏差测量装置改良及数据处理.pdf

回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差回转窑中心线垂直偏差测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理测量装置改良及数据处理胡涛胡涛，何峥辉何峥辉，刘钢刘钢，王伟王伟，佘祥忠佘祥忠摘要：回转窑中心线理论上为一条直线，但在实际生产中，受复杂工况、高温形变、高负荷运转影响，窑中心线易发生垂直偏移。基于“小角度激光三点定心测窑法”研发的T型检测装置，虽可用于测量计算窑中心线的垂直偏差，但该装置T型卡尺高端与轮带低端间存在间隙，测量精度不高。基于T型检测装置设计了一种新型测量装置，介绍了该装置的工艺特点及测量操作步骤，应用位移压力传感器收集测量数据并以数字信号方式输出，通过计算机记录数据，运用微分和最小二乘法拟合测量值并进行计算，可得到较为精确的回转窑中心线垂直偏差结果。关键词：窑中心线；滚动摩擦；数字信号；数学拟合中图分类号：TQ172.622.29 文献标识码：B 文章编号：1001-6171（2023）05-0055-07DOI：10.19698/ki.1001-6171.20235055通讯地址：安徽芜湖海螺建筑安装工程有限责任公司，安徽 芜湖 241000；收稿日期：2023-01-13；编辑：张志红Improving a Rotary Kiln Center Line Vertical Deviation MeasuringDevice and Processing DataHU Tao,HE Zhenghui,LIU Gang,WANG Wei,SHE Xiangzhong(Anhui Wuhu Conch Construction&Installation Engineering Co.,Ltd.,Wuhu Anhui 241000,China)Abstract:The center line of the rotary kiln is theoretically a straight line.However,in actualproduction,affected by complex working conditions,high temperature deformation,high loadoperation,the kiln center line is prone to vertical deviation.The T-shaped detection device developedbased on the small-angle laser three-point centering kiln measurement method can be used tomeasure and calculate the vertical deviation of the kiln center line,but there is a gap between the highend of the T-shaped detection device and the low end of the tire belt,leading to low measurementaccuracy.A new type of measuring device is designed based on the T-type measuring device,thetechnological characteristics and measuring operation steps of the new type of measuring device areintroduced.The measured data is collected by the displacement pressure sensor and output as a生产技术2023年第5期55水泥回转窑筒体在初安装时处于冷态，其中心线（每档窑中心点连线）为一条直线，但回转窑筒体在运行时处于热态，不同工况下，温度对轮带顶部与窑筒体间隙的影响、甚至轮带垫板的变化等，均会使窑中心线产生偏差。此外，回转窑在运行过程中，受轮带和托轮的不均匀磨损、基座沉降、工艺操作水平差异等因素影响，也会出现中心线偏差。回转窑筒体在复杂工况、自重和温度的影响下会产生形变1，导致窑筒体中心的连线并不是一条直线。回转窑筒体中心线的偏差，不仅会导致托轮和轮带受力不均，产生超载和偏载现象，还会造成回转窑运转阻力增大，电耗上升，筒体承受交变应力，不利于耐火砖的使用安全，筒体存在开裂风险。为保证回转窑稳定运行，需定期检测回转窑中心线偏差，并根据检测结果进行针对性调整。在工程实际中，通常将测量出的三档支承位置处的筒体中心点的连线确定为回转窑中心线，通过测量一档、二档、三档轮带最低点相对高差，结合各档轮带直径和轮带间隙，运用几何方法计算各档支承部位窑筒体中心位置相对高度，再以一档和三档为基准，计算二档理论位置与实际位置距离的差值，以得到回转窑中心线的垂直偏差结果。国内某高校研发了T型检测装置2用于回转窑各档支承位置处的筒体中心点的测量，但采用该装置进行实际测量时，装置中的T型尺高端与轮带低端会留有一定间隙，用卷尺测量间隙距离时，精度不高，影响整体测量结果的准确性。本文在其基础上设计了一种新型测量装置，用于回转窑中心线垂直偏差的测量，测量精度较高。1T 型检测装置国内某高校研发的T型检测装置照片见图1。该检测装置应用了1995年美国Philips公司发明的“小角度激光三点定心测窑法”3。T型检测装置系统主要由横距仪、垂距仪、激光位移传感器、T型尺、支架等组成。首先，使用横距仪和垂距仪建立空间坐标系，确定支架标记点在空间坐标系中的位置；其次，使用激光位移传感器测量支架标记点与轮带最低点之间的距离；最后求得各档支承处窑筒体中心点坐标，通过数学方法获得窑筒体中心线的位置。在实际测量过程中，T型尺高端与轮带低端约有2mm间隙，将测得的间隙值代入计算公式中，可得到窑中心线的垂直偏差，其总体测量原理如图2图2国内某高校T型检测装置测量原理QDQdidiYiiRiPiZiHi托轮横距仪激光位移传感器垂距仪XYZ微机系统图1国内某高校研发的T型检测装置照片生产技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/5digital signal,the data is recorded by the computer.By fitting the measured values and performingcalculations using the square method,a more accurate vertical deviation result of the rotary kiln centerline can be obtained.Key words:kiln center line;rolling friction;digital signal;mathematical fitting56所示。该成套设备及测量方法原理易懂，信息化水平高，但较难精准测量轮带最低点与T型尺高端的间隙距离。在现场测量过程中，检测装置T型尺高端与轮带低端的间隙距离主要通过卷尺进行测量，测量精度低，导致窑中心线垂直偏差测量不准确。同时，轮带运行过程中会产生一个巨大的轴向力矩，若检测装置与轮带接触，为保持接触稳定，接触面需具有足够大的摩擦力。假定T型尺高端是一个稳定的平面，对轮带进行整体受力分析：两个托轮施加给轮带的力，在水平方向上合力为零；托轮施加给轮带的力集中在垂直方向，合力为N，与轮带自身的重力G大小相等，方向相反。检测装置需对轮带施加一个足够大的力F，才能保持接触面稳定，而检测装置自身也需受到一个来自于地面的静摩擦力。轮带简易受力分析如图3所示。事实上，为使检测装置更加轻便与易携带，地面并不能提供如此大的静摩擦力，因此，一旦T型检测装置与轮带低端接触，轮带产生的巨大力矩会使测量装置倾倒，并有可能损伤正在运转的轮带和托轮，这也是该检测装置不得不与轮带低端保持2mm左右间隙的原因。检测装置T型尺高端与轮带低端的接触方式为驱动滚动摩擦，轮带除受正压力及截面上的摩擦力之外，还受驱动转矩的作用，转矩在接触处产生摩擦效应，驱动作用通过摩擦实现4。2新型测量装置工艺特点及测量操作步骤2.1新型测量装置工艺特点新型测量装置由上文所述高校研发的T型检测装置演变而来，如图4所示。新型测量装置采用镁铝合金材质的带水平气泡的单反相机三脚架，将三角架中轴以上用来固定相机的部分切除，同时，在中轴杆顶端位置处打孔，通过螺栓与圆柱空心铸件相连接。圆柱形铸件上端敞口，下端留一个圆孔，供杆件上下移动，同时保证圆孔直径小于弹簧直径。在弹簧下方安装一个位移压力传感器，通过数据线与计算机相连（如图5所示），装置上方的小圆轮通过弹簧与轮带接触，降低了滚动摩擦力，使测量装置整体有可能在轮带下方保持稳定接触，其简化受力分析如图6所示。2.2测量操作步骤测量操作步骤主要包括：固定脚架气泡找平调节中轴连接计算机得到测量结果。2.2.1固定脚架工作人员进入轮带下方，展开三角架脚管，调节至合适的角度和高度。先拉伸粗脚管，再将每个脚架都打开相同的一节，以确保三脚架平稳放置在同一水平面上，锁紧脚管和中轴，如图7、图8所示。2.2.2气泡找平脚管锁紧后，先粗找平，压下三个架腿扳扣，并图5测量装置剖面图图3轮带简易受力分析NCMFG图4新型测量装置弹簧位移压力传感器生产技术2023年第5期轮带检测装置与轮带接触面螺栓孔位置中轴杆小圆轮弹簧圆柱空心铸件杆件圆柱空心铸件57松开离气泡最近或最远的架腿的扳扣，调节架腿长短，使气泡移动到中心，随后锁紧架腿扳扣。气泡找平如图9所示。2.2.3调节中轴通过升降中轴摇把，使测量装置上方小圆轮与轮带表面最大限度接触，同时，保持弹簧压缩量在合理范围，随后固定中轴旋钮。升降中轴如图10所示，测量装置小圆轮与轮带接触示意如图 11所示。2.2.4连接计算机位移压力传感器置于弹簧下方，数据线一端连接位移压力传感器，一端通过USB接口与计算机数据收集器相连，通过计算机控制数据测量起始点，记录数据。2.2.5得到测量结果处理数据，得到测量结果。3数据处理3.1数据收集通过新型测量装置位移压力传感器将测量数据传输至计算机，选取读数较平稳的测量区间，筛选较稳定的测量数据进行处理。三档轮带最低点测量均选取同一起始点（一般选取筒体标记线窑门或窑筒体上标记长度的数字母线），计算机数据收集器控制数据收集的起终点。收集到足够多的分析数据后（回转窑运转4圈），结束数据收集，导出测量数据，如图12所示。3.2数据转换轮带运行时，受两侧托轮挤压及高温作用，产生形变。形变不同，轮带施加给测量装置小圆轮的压力也不同，小圆轮压力传导给弹簧，弹簧下端的位移压力传感器将压力变化值以数字信号的方式输出5。当弹簧在弹性限度内时，弹簧受力一般遵循“胡克定律”，即：在一定的范围内，弹簧所受拉压力F的大小与弹簧伸缩量x成正比，即：F=kx式中：k弹簧的“劲度系数”，N/m通过确定测量装置弹簧形变量与弹簧所受压图6受力分析示意PMFT驱动转矩FTP12轮带小圆轮图8锁紧中轴图7锁紧脚管图9气泡找平图11测量装置小圆轮与轮带接触示意小圆轮轮带弹簧图10升降中轴生产技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/558力变化量之间的线性关系，即，每一个压力变化量都对应着一个弹簧形变量，通过弹簧形变量即可判断轮带最低点的变化，如图13所示。3.3数据分析3.3.1确定回转窑轮带运转周期数据收集开始与结束的时间差为回转窑运转4周的时间，从而确定回转窑轮带的运转周期T1。3.3.2确定小圆轮运转周期我国新标准定义圆度误差为：包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两个同心圆间的距离。圆度公差带是指同一正截面上两个同心圆间的区域6。椭圆度普遍包含于工件的圆度误差中，选用直径法测量时，筒体截面的中心点位置始终在变化。通过对收集的数据进行分析，确定数据峰值，即轮带椭圆度最大处，亦为轮带最低点。轮带特性决定了同一轮带只有一处位置椭圆度最大，通过此特性可计算出测量装置小圆轮的运转周期T2，如图14所示。3.3.3计算轮带半径及拟合轮带圆曲线测量装置小圆轮半径相对回转窑轮带很小，在本次计算中，近似认为其在高温下没有热变形且不考虑打滑的情况，在此条件下，滚动摩擦中的两个接触物体接触点线速度相等，再根据周期与角速度的定义，综合可得：T=2W（1）图12导出的测量数据节选图13轮带最低点变化量x示意图x图14对导出数据进行分析6.56.05.55.04.54.03.5012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28小圆轮一个运转周期测量值，mm回转窑测量位点生产技术2023年第5期59W=v r（2）2R1T1=2R2T2（3）根据“三个不在同一直线上的点可确定一个唯一的圆7”，将轮带外径视作一个规则的圆形，测量圆曲线上的任意三点A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3）的位置坐标值，并以此为基础，通过圆的一般方程：x2+y2+Dx+Ey+F=0（D+E-4F0），即可理论上确定一个轮带圆。如图15所示。设由点A、B、C所确定的圆的圆心为O（x，y），由圆心O向BC作垂线，交点为D（xd，yd），则垂足D必 然 为 BC 的 中 点，故 D 点 坐 标 为()x2+x32,y2+y32，而 OD 与 OB 及 OC 的夹角为，则AB与AC的夹角也为，设AB与BC、BC与AC的夹角分别为和，则有以下方程成立：()x-x2+x322+()y-y2+y322=()x2-x2+x322+()y2-y2+y322/tan2（4）()x-x22+()y-y22=()x-x32+()y-y32（5）将式（4）、式（5）联立解得：x=12x2+x3+()y2-y3/tan（6）y=12y2+y3+()x2-x3/tan（7）R=BC2sin（8）由于初始设定的是任意圆，从推导出的公式结果可知，对于任何一个圆，取圆上的任意三个点即可计算出该圆的半径与圆心8，故理论上可确定多个瞬时点的轮带半径，同时以每个瞬时点弹簧的形变量与时间建立坐标轴，计算得到一个完整测量周期内，该测量位置的支承处轮带在相同截面的空间位置坐标。以三点法为基础，将两者结合，使用MATLAB等数学软件，应用最小二乘法9，对所得到的数据进行仿真，并对拟合结果进行精度分析，仿真结果如图16所示。最小二乘法是一种数学拟合优化方法，通过最小化误差的平方和，找到一组数据的最佳函数匹配，在误差估计、不确定度、系统辨识及预测、预报等数据处理诸多学科领域应用广泛。通过最小二乘法可以求出建立在原测量数据上的优化值，并且使误差平方之和为最小，且计算结果包含了误差补偿，有效降低了随机误差对拟合结果的干扰，可信度较高。但在数据测量过程中，需避免误差较大的数据对结果的干扰，避免人为操作因素、设备位置因素、现场环境因素等导致的误差，运用数学统计方法，给定一个显著性水平，并按一定分步确定一个临界值。一旦数据超出临界值，则对其进行筛除，避免图15三点法确定圆原理图（x2，y2）BCA（x3，y3）（x1，y1）O（x，y）DR图16采用最小二乘法对数据进行仿真12345678123456789生产技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/560较大误差对测量结果产生干扰。采用最小二乘法将收集的回转窑运转4周的数据拟合出4个圆，结合在同一坐标系中，如图17所示；运用数学微分分割每一个圆中的每一小段，选取在4个圆中共同点最多的小段的数据，拟合出4组数据所得出的圆。3.4回转窑中心线垂直偏差的确定以出料端轮带中心为坐标原点，建立X-Y-Z坐标系，结合轮带与筒体之间的滑移量，计算出轮带与筒体的顶部间隙，进而计算出该位置筒体中心的空间坐标。以此类推，计算出其余两档的筒体中心点空间坐标。结合回转窑基础数据，测量出二、三档及一、二档之间的高差，从而计算出一三档之间的高差，将一、三档中心点相连，结合现场测量的窑斜率，通过数据拟合计算，得到二档处理论高度和实际高度的差值10，即为回转窑中心线的垂直偏差，也可通过计算机处理和计算数据。4新型测量装置的使用注意事项4.1轮带工作面应无严重的点蚀凹坑据统计，目前国内运行的水泥生产线数量在1 000条以上，其中，60%的回转窑存在轮带工作面缺陷。轮带工作面若有严重的点蚀、凹坑、孔洞，使用新型测量装置时，会影响测量装置小圆轮与轮带的正常接触，造成小圆轮的不正常磨损，缩短测量装置寿命，加速设备损耗，严重时甚至造成设备损坏。4.2可在脚管底部放置重物固定测量装置若回转窑轮带下方平台上有油渍或水，将会降低测量装置脚管的摩擦力，轮带运行时测量装置易倾倒，因此，可在脚管底部放置重物以稳固测量装置。若测量装置倾倒，会导致内部精密仪器受损，甚至导致装置卷入轮带与托轮中，造成设备受损、托轮高温，影响回转窑运行的稳定性与安全性。4.3应在窑况稳定时进行测量回转窑运行温度及工况会影响轮带的间隙值，从而影响窑中心线垂直偏差的测量计算结果。回转窑各档支承处的工作温度不一样，温度差值高时可100。在受热状态下，回转窑每档筒体、轮带及托轮等部件会产生膨胀，材质不同，各部件的膨胀系数也不同，这就导致了各部件温度形变不一致，难以以线性关系判断温度变化对测量数据的影响，造成每档窑筒体中心位置标高的变化量不一致，回转窑筒体轴线在水平和垂直方向偏斜，甚至超出了行业所允许的偏差范围。因此，最好选择回转窑工况稳定时进行测量。参考文献：1 王咏梅，张铱鈖，蔡业彬.自重对筒体椭圆度影响的有限元分析J.现代制造工程，2016，（7）：86-89，75.2 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）：34-37.3 Walter M.Gebhart,The Direct Method for Aligning Rotary Kilns,Zement-Kalk-Gips International,1995，（11）：579-583.4 彭瑞东，周宏伟，黎立云.滚动问题中摩擦力的判断J.力学与实践，2010，32（5）：83-86.5 袁兵，程鹏飞，侯继平.弹簧测试仪信号采集装置P.山西：CN2581974，2003-10-22.6 蔡长青.回转窑椭圆度测量方法的研究D.武汉：武汉理工大学，2006.7 张云，谢婵.三点法测量回转窑筒体中心的误差分析J.水泥工程，2010，（4）：73-76.8 李月，黄民.基于三点法的回转窑轴线在线测量系统J.计量技术，2008，（3）：30-33.9 苏金明，阮沈勇.MATLAB实用教程M.北京：电子工业出版社，2005.10 江旭昌.对以测定轮带最低点为基础的动态测窑计算方法的讨论J.水泥，2012，（3）：49-52.图17不同数据在同一坐标系内0330300270240306090120150180210-1010-1010-1010-1010-1010-1010-1010-1010-1010-1010-1010-10100 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0生产技术2023年第5期61