（机械电子工程专业论文）回转窑在线测控系统的可行性研究.pdf

摘要 回转窑是冶金、水泥、化工、耐火材料等行业生产中的关键烧成设备，是 一种重载、大扭矩、多支点、静不定运行系统。它的安全、高效运行是相应生 产企业保证经济效益的关键。对于回转窑来说，最主要的就是保证其运行轴线 的直线度，因为这直接关系到设备运行，以及生产效率的高低。在实际的生产 中，对其轴线进行实时准确、快速测量，并加以调整与维护是比较困难的，因 此，有必要对成本低、操作简单、实用的轴线测量装置，且能进行快速、准确 调整的在线测控系统进行研究。 本文在分析和比较国内外回转窑轴线检测技术的基础上，提出了一套对回 转窑筒体轴线位置进行直接测量装置的设想，并分析了该装置的测量原理、直 线度的测量步骤与方法，根据不同的测量方案，选择了相应的传感器，并对测量 数据进行采集、传输、处理与分析。 结合回转窑的结构组成特点，参考相关受力分析的内容，分析了简体与其 支承托轮之间的受力关系，进而求得调整需要施加在窑体上的外载荷，并设计 出了基于l a b v i e w 的快速计算程序同时，基于对一定窑型的假设，计算了几种 调整情况下所需施加的最大外载荷，并研究和完成了调整所使用的液压控制系 统设计过程。 在控制方面：阐述了窑体轴向窜动控制，以及采用液压控制的方法；将托 轮位置调整装置由机械式的螺栓调整改进为液压缸驱动式的调整，结合轴线测 量的数据，并利用数字液压缸的特点和优势，根据数字液压缸的动作特点，利 用单片机控制脉冲输入的方式，对其调整量进行控制，可以保证精度；阐述了工 作和调整过程中需要运用传感器进行信息的采集，并在控制界面上进行显示， 为调整和掌握窑体的变化状况提供参考依据。 该回转窑在线测控系统基于受力分析，采用对窑体轴线进行简单、快捷的 直接测量，并使用液压推动和步进控制来实现窑体轴线的方便、快捷调整。该 在线测控系统，功能强大，操作简单，但安全因素，高成本，复杂的工作环境， 使得其还需要一段漫长的研究实验过程。 关键词：回转窑，直接测量，l a b v i e w ，数字液压缸，自动调整 a b s t r a c t r o t a r yi st h ek e yt ob u r n i n ge q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o no ft h em e t a l l u r g y 、 c e m e n t 、c h e m i c a li n d u s t r y 、r e f r a c t o r ya n do t h e ri n d u s t r i e s ，i ti sah e a v y d u t y 、h i g h t o r q u e 、m u l t i p i v o t 、r u ns t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t es y s t e m 。i t ss a f e 、e f f i c i e n to p e r a t i o n i st h ek e yt oe c o n o m i ce m c i e n c y f o rt h er o t a r yk i l n t h em o s ti m p o r t a n ti st oe n s u r e i t so p e r a t i o no ft h el i n e a ra x i s ，b e c a u s ei ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee q u i p m e n t a sw e l l a st h el e v e lo fp r o d u c t i o ne 衔c i e n c y i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n i ti sd i f f i c u l tf o ri t s r e a l t i m ea x i s a c c u r a t e 、r a p i dm e a s u r e m e n t ，a d j u s t m e n ta n dm a i n t e n a n c e ，s o ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ht h eo n l i n em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rl o wc o s t s i m p l e , p r a c t i c a la x i sm e a s u r i n gd e v i c e ，a n dr a p i d ，a c c u r a t ea d j u s t m e n t s b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt h e d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya b o u tt h er o t a r ya x i s ，ad i r e c tm e a s u r e m e n tc o n e e p tf o r t h ea x i s o ft h er o t a r yk i l ns h e l lw a sm a d e i t sm e a s u r i n gp r i n c i p l e ，m e a s u r e m e n ts t e p sa n d c a l c u l a t i o nm e t h o dw e r ea n a l y z e d ，d e p e n d i n go nt h em e a s u r e m e n tp r o g r a m ，t h e a p p r o p r i a t es e n s o r sa r es e l e c t e d m e a s u r i n gd a t ai sp i c k e d 、t r a n s p o r t e d 、h a n d l e da n d a n a l y z e d b yc o m b i n i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t a r y , r e f e r e n c i n gt h er e l e v a n t c o n t e n t so ft h es t r e s sa n a l y s i s t h er e l a t i o n s h i po ff o r c eb e t w e e nt h ec y l i n d e ra n di t s s u p p o r t i n gr o l l e r , t h e n t h ek i l n se x t e m a ll o a df o rt h en e e do ft h ea d i u s t m e n ti s o b t a i n e d l a b v i e w - b a s e dr a p i dp r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，b a s e d o nt h ea s s u m p t i o no fac e r t a i nt y p eo fk i l n an u m b e ro fa d j u s t m e n t sr e q u i r e de x t e r n a l l o a d sa r ec a l c u l a t e d t h ed e s i g np r o c e s so ft h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mu s e dt oa d j u s t w a sr e s e a r c h e da n dc o m p l e t e d i nc o n t r o l ：t h ek i i na x i a lm o v e m e n tc o n t r 0 1a n dh y d r a u l i cc o n t r o lm e t h o d sa r e e l a b o r a t e d ；m e c h a n i c a lb o l ta d j u s t m e n tw a si m p r o v e dt oh y d r a u l i cc y l i n d e r - d r i v e n a d j u s t m e n t s c o m b i n gw i t ht h ea x i sm e a s u r e m e n td a t a ，a n db yu s i n gt h ed i g i t a l f e a t u r e sa n da d v a n t a g e so ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e r , a c c o r d i n gt ot h ef i g u r e so ft h e m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cc y l i n d e r , u s i n gt h eo fs i n g l e c h i pp u l s ei n p u t m o d ef o rc o n t r o l ，t h ea d j u s tv o l u m ei sc o n t r o l l e d ，t oe n s u r et h ea c c u r a c y ：a tt h es a m e t i m e ，t h ei n f o r i i l a t i o nc o l l e c ti sd e s c r i b e di nt h ep r o c e s so fw o r ka n da d j u s t m e n t s ，a n d d i s p l a y e di nm a n m a c h i n ec o n t r o li n t e r f a c e w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c ec h a n g e sf o r m a s t e r i n gc o n d i t i o no ft h ek i i na n dt h ea d j u s t m e n t t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h er o t a r yi sb a s e do nt h es t r e s s a n a l y s i s ，t h es i m p l e ，f a s td i r e c tm e a s u r e m e n tf o rt h eb o d ya x i so ft h ek i l n ，a n dt h eu s e o fh y d r a u l i cc o n t r o lt oa c h i e v et h ec o n v e n i e n t ，f a s ta d j u s t m e n tf o rt h ek i l na x i s i ti s p o w e r f u la n de a s yt oo p e r a t e , h o w e v e r , b e c a u s es a f e t yf a c t o r s ，t h eh i g hc o s ta n dt h e c o m p l e x i t yo ft h ew o r ke n v i r o n m e n t s ot h e r ei sal o n gp r o g r e s sf o r t h ee x p e r i m e n t a l s t u d y k e yw o r d s ：r o t a r yk i l n ，d i r e c tm e a s u r e m e n t ，l a b v i e w , t h en u m b e rh y d r a u l i c c y l i n d e r s ，a u t o m a t i ca d j u s t m e n t i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另j ) j h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论 文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录 本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：季丕诬导师c 签名，：嗍乒彳 武汉理t 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及其研究的目的、意义 1 1 1 所选课题的题目及课题来源 所选课题的题目是“回转窑在线测控系统的可行性研究”，本课题来源 于：武汉理工大学回转窑检测技术中心 1 1 2 课题研究的目的、意义 回转窑是冶金、水泥、耐火材料生产中的核心设备，每天的生产能力多达 几千吨，甚至上万吨。因此，对该设备的管理与维护工作是这些企业生产的重 中之重。但由于窑体处在高温、冲击、振动、露天等环境中，支承组数多为2 7 档，是一种重载、大扭矩、多支点、静不定系统，故运行机理和运行状态极为 复杂。回转窑的运行状态( 窑体中心线的状况) 影响着支撑装置的受力和各部 分机械磨损，决定着窑是否能长期安全、高效地运行。由于回转窑高温、重载 等恶劣的工作环境，故对测量作业带来一定的困难。目前，对于回转窑轴线进 行测量的仪器装置，由于存在着操作复杂、价格昂贵、以及缺乏技术推广等， 使得该项工作只能有外来的专业人员进行，缺乏实时性，且目前用于轴线的调 整还是旋动螺栓式的人工操作，无论精度，还是劳动强度上，都需要进行一定 的改进。于是，研发一种能被工作人员迅速掌握的，能够对窑体轴线的状态进 行实时快捷检测的装置，以及利用测量的信息，通过控制系统和装置对窑体进 行位置调整的系统是非常有必要和有意义的。可以提高设备的运转率，减少设 备的检修、停窑等重大的事故发生，实现对回转窑快速科学的管理。 1 2 和本课题有关的国内外研究现状分析 对于回转窑行业，尤其是窑体运行状态的检测研究，引起了很多专家、学 者、以及工作人员的注意，在多年的生产实践中，积累了一定的成功测量窑体 轴线的经验和方法【i 1 - l 【4 1 。目前国内外比较成熟的针对于回转窑的在线测量系统 5 j - 7 l 主要有： 武汉理工人学硕+ 学位论文 ( 1 ) 零位移方向键相测量法 该零位移方向键测量方法【8 1 中，取回转窑各个支撑位置垂直轴线的截面为研 究对象，两个位移传感器安装在回转窑筒体下面与竖直面左右成1 5 0 ，通过测量 传感器到筒体的距离，以及建立的坐标，进而求得圆心的坐标。 零位移方向键相测量法传感器布置方便，但用到的一个假设是截面在旋转 过程中其回转中心不变，实际上这个假设并不十分合理。在实际测量过程中， 有时可以明显看到轮带在水平方向上的大幅摆动，这说明轮带在旋转过程中其 中心不是稳定的。并且在安装测量仪器前，要建立精确的坐标，但往往由于实 际环境条件的限制，使该操作变得不是很容易。 ( 2 ) k a s - 3 型动态轴线测量法 武汉理工大学在上世纪8 0 年代末推出了成本低、操作方便，适合国内回 转窑用户使用的“k a s - 0 1 回转窑轴线测量系统”，并在此之后不断经行改进， 现在k a s - 3 型动态窑轴线检测装置已经研究并开发成功。k a s 一3 型测量系统的 测量方法【9 】【1 0 1 采用的是测周长的方法( 用一个摩擦轮和轮带接触，在摩擦轮和 轮带没有相对滑动的情况下，测出轮带转一周的过程中摩擦轮的转数，该测量 过程一般由单片机系统完成) 来求得轮带与托轮的直径。保证这种方法的测量 精度的前提是摩擦轮和轮带之间没有滑动，但在实际应用中很难保证这一点， 所以即使仪器本身的测量精度很高，仍然难以保证测量的精度。并且需要测量 的数据较多，劳动强度较大，误差也很难加以控制。测量仪器安装时，要求工 作人员进行高空作业，给操作使用造成一定的困难。 ( 3 ) 美国的直接测量法( 三点法) 该测量方法1 中，取简体的某一截面为研究对象，运用3 个传感器分别测 得其端面到回转窑筒体上相应三个点在一周过程中的平均距离，利用建立的坐 标和几何知识( 即不在一条直线上的三点确定一圆) 间接可得出该截面圆的圆 心坐标，由此可以测得多个支撑附近筒体上截面的圆心坐标，然后将测得的一 系列的圆心连接起来，即为筒体的实际中心线，进而可得知轴线在水平方向与 竖直方向的直线度。该装置成本较高，对设备的操作以及数据的处理要求较高。 ( 4 ) 简体位置测量法 该方法是由加拿大h a t c o 公司研究的，其测量设备主要包括：配有自动水平 装置和c c d 线列器件的智能矩程激光测距仪，特高三脚架，带磁带记录仪的个 人计算机，高精度激光经纬仪等。该方法是用架在窑墩处的一台智能激光测距 2 武汉理t 大学硕士学位论文 仪直接测定筒体垫片的变化位置，另外，用架在地面上的激光经纬仪来测定激 光测距仪本身的摆动，这时计算机同时快速记录下这两组数据：垫片到激光测 距仪的变化距离、测距仪本身位置的变化，这样就获得了筒体一侧到基准线的 准确位置数据，而数据与窑礅抖动无关。按此分别把测距仪架到筒体下一侧和 j 下下方，这样就可以测算出筒体旋转中心的坐标。 由于激光测距仪是在离开窑一段距离处工作的，因而就避免和减少了窑高温 引起的各种测量误差，这个方法是直接测定简体的位置，因而测量精度在理论 上高于测量轮带和托轮位置等问接测定法，它是目前最先进的一种测定方法， 但价格昂贵，测量复杂。 综合以上可知：在控制方面，由于回转窑的运行环境，成本以及安全等 诸多因素的影响，使得目前国内外对于回转窑的位置快速简单的测量与自动 调整控制装置相结合的研究还处于一相对空白阶段。因此，研究关于回转窑 动态的位置检测与自动调整的系统具有一定的探索意义。 1 3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 ( 1 ) 研究目标：通过研究目前回转窑在线轴线测量的原理与方法，设计一种 能够对窑体轴线进行快速检测的装置，且利用传感器和液压控制系统方面的知 识，综合考虑在回转窑运行过程中要注意的问题，进而对回转窑在线测控系统 进行可行性的理论分析与研究 ( 2 ) 研究内容： 研究目前回转窑在线轴线测量的原理与方法，研究设计一套对反映回转窑 窑体轴线位置变化信息进行快速检测的装置。 根据回转窑的载荷情况( 包括筒体，耐火砖，物料，轮带，垫板等的重量) ， 以一定类型的窑体基础，对回转窑各个支承处的受力进行分析，并利用液压技 术的基础知识，对该控制系统在回转窑的轴线调整方面的应用进行一定程度的 分析与研究 了解传感器的分类与使用情况，根据所监测目标的需要，选择合适的传感 器在自动调整过程中，密切监测必要位置变化信息，比如：窑头、窑尾密封的 径向变化，窑体周期性的上下窜动时间，大、小齿轮的啮合变化情况，地基的 变化情况等 3 武汉理一l 大学硕士学位论文 ( 3 ) 拟解决的关键问题： 设计一套可行的通过寻找筒体最低端位置的装置，进而测量简体轴线的 信息。 选择一定类型的窑体，对回转窑各个支承处的受力进行分析，设计液压 相应的液压控制系统，并利用测得的轴线数据，以及单片机对步进电机的控制， 对回转窑的轴线调整方面进行一定程度的分析与研究 1 4 拟采取的研究方法、技术路线 研究方法：在了解、总结现有的对于动态测量与调整回转窑的方法的基础上， 通过设计一套能够找准筒体最下端位置点的装置，进而对回转窑筒体轴线进行 快速简单测量，通过传感器、液压技术方面的知识，进而根据某类型的窑体进 行受力分析，从而研究设计出相应的调整用的液压控制系统。 技术路线：以对窑体的位置信息测量为基础，通过液压系统，改进的调整装 置，步进电机等来调整窑体轴线，同时将窑体的密封、大小齿轮的啮合等信息 在控制中心面板进行显示，进而保证调整过程的安全。 5 预期的研究成果和创新点 预期的研究成果： ( 1 ) 提出了对回转窑窑体轴线进行简单动态检测的可行性研究方案。 ( 2 ) 根据某一类型的窑体受力的分析，进而分析通过软件和液压控制系统 进行自动矫正调整的探索研究。 ( 3 ) 完成学术论文1 - - 2 篇 创新点：提出一种对回转窑筒体位置信息进行采集的新方法，并设计一套 可行性的装置，做出了将轴线测量与液压的自动调整相结合的在线测控系统的 可行性研究。 。 1 6 本章小结 本章主要介绍了回转窑运行轴线在线测控系统的应用研究，以及课题研究的 4 武汉理工人学硕十学位论文 背景和意义。分析了国内外相关应用技术的现状以及存在的问题，论述了本论 文的总体设计方案，所要研究的主要内容以及所要取得的研究成果，拟采取的 研究方法以及技术路线，并指出了该系统的可行性，为以后的实验研究奠定一 定的基础。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章总体设计 2 1 系统的总体设计方案 系统的总体设计方案如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统的总体设计方案图 主要内容包括： ( 1 ) 回转窑轴线的测量，数据的采集、传输与处理； ( 2 ) 窑体支撑装置的受力分析； 一 ( 3 ) 液压系统的设计； ( 4 ) 调整支座的改进； ( 5 ) 数字液压缸的选择： ( 6 ) 步进电机的选择； ( 6 ) 回转窑的调整控制，包括窑体的轴向控制与单片机的步进电机轴线调 整控制； ( 7 ) 监测量的显示。 6 武汉理下大学硕十学位论文 2 2 系统设计的思路 系统的设计思路如图2 - 2 所示。 图2 - 2 系统设计的思路 2 3 本章小结 本章介绍了在线测控系统的总体方案设计，设计的主要内容以及进行系统 设计的工作思路。 7 圊圆 武汉理i 【= 大学硬f ，学忙论文 第3 章回转窑运行轴线的分析与测量 31 影响简体运行轴线的因素分析 回转窑是冶金、建材、化工等部门的重要大型设备，据统计它的投资占奉 项目总投资的1 0 1 5 ，一次停窑事故将引起整个生产流程的中断，造成重要 的经济损失，故保证其安全高效地运行是企业提高经济效益的关键。窑体的总 体支承图如3 - l 所示，回转窑简体与轮带一起，倾斜放置在托轮以及支承系统 上，并进行缓慢的转动。对于回转窑轴线的测量。可分为冷态测量和动态测量， 冷态测量是指在停车状态下，并且是在待窑冷却后进行的；动态测量是在窑体 工作运转的情况下进行的。比较发现，冷态测量一方面需要停窑，另一方面不 能很好的反应窑体的真实工作状态，故目6 口酱偏采用的是动态测量方法。对于 回转窑简体轴线，需考虑一下影响因素。 键 图3 - 1 窑体的总体支承图 武汉理r = 大学硕十学位论文 ( 1 ) 工作温升对回转窑轴线的影响 图3 - 2 回转窑的支承系统示意图 回转窑的支承系统示意图如3 - 2 所示，在受热状态下，热状态工作温升对 回转窑各档中心标高的影响因素0 4 1 有三个方面：1 窑体自身受热导致其中心标 高的变化；2 轮带受热导致窑体中心标高的变化；3 托轮受热导致窑体中心标 高的变化。由于工作温升处于不稳定状态，回转窑筒体、轮带、托轮等的材质 不同，工作温度不同，各部分、各装置对窑体中心标高的影响不尽相同，且也 很难找到准确的对应的变化关系，故造成回转窑简体直线影响的不确定。 ( 2 ) 机械装置对回转窑轴线的影响 这里，所谓的机械装置，主要指的是轮带，托轮，以及简体与轮带的连接 部分等。机械装置避免不了的一个问题就是磨损，在安装调整之后，经过一定 阶段的运行，之间的摩擦传动会使结构尺寸方面发生一定程度的影响变化，这 个变化量一定程度上受工作状况的影响，但无法找到其确切的变化趋势。另外， 由于回转窑的工作环境：高温，污染较大，故会加大托轮，轮带等的磨损，且 磨损不均匀，从而引起轴线变化的无规则性。 ( 3 ) 托轮调整对回转窑轴线的影响 托轮支承着窑体，两者的中心线理论上应平行，各挡之间窑体的中心应该 在一条直线上。由于各种原因的存在，如：安装、检修调整不当，长期运转磨 损，窑体弯曲等，使得窑体的中心很难确保在一条直线上。而托轮与窑体也常 常不是平行摆放，对于使用中的回转窑来讲，托轮承受着窑体的沉重荷载，调 整某一个或某一挡托轮的位置状态，都会对窑体的整个状态产生较大的影响【9 】， 并且各生产企业缺乏足够的轴线测量技术，无法及时准确地掌握窑体的状态信 息，且缺乏一定的调整经验，经过多次的频繁调整，可能会导致托轮出现不允 9 武汉理j r 大学硕+ 学位论文 许的“大八字”和“小八字 情形，进一步恶化机械装置的磨损状况，加剧回 转窑轴线的变化。 ( 4 ) 窑墩的位置变化对回转窑轴线的影响 作为整个窑体，以及支承装置的地上支承部分，窑墩的变化对于回转窑简 体的密封、传动装置等，尤其是回转窑轴线有着直接的影响。对于多支承的窑 体来讲，其变化的可能性会更加复杂，仅就单个的支承而言，其窑墩可能是整 体下移或上升，也可能是单侧的偏移倾斜等，这些对于回转窑企业来讲，都是 一些无法预知的影响因素，不过，一般情况下变化量较小，通常也没有可以解 决的办法。 3 2 回转窑轴线的新测量法 目前的测量系统【”】- 【 1 ，筒体位置测定法和零位移方向键相法都是直接测量 筒体的中心，但都有一定的缺点，如设备昂贵，操作复杂等。制约各种间接测 量方法测量精度的主要原因是轮带直径和托轮直径的测量。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 3 2 1 在线测控系统轴线测量装置的设计 3 2 1 1 结构设计 i 筒体2 、8 转轴3 水平仪4 底板5 激光仪器6 重锤7 导轨 9 三脚架1 0 支撑架1 1 滚轮 图3 - 3 轴线测量仪器 轴线测量仪器的结构设计【1 8 1 【1 9 1 如上图3 3 所示，该测量装置主要有水平仪， 激光仪器，重锤，带导轨的底板，三脚架，支撑架，滚轮等组成。其主要作用 如下：滚轮用于和筒体相接触；水平仪用于保证底板为水平；激光仪器用于发 射激光( 或用于测量距离) ；三脚架用于支承和调整底板及以上的装置；底板导 轨用于与筒体接触部分的左右调整；重锤用于保证装置两边的对称。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 2 设计原理 慕萋亏! ：托邂黟二 图3 - 4回转窑筒体变形示意图 回转窑筒体变形示意图 2 0 1 如图3 - 4 所示，故将仪器安装在窑体的下端，这 样便于仪器的安装。根据与同一圆相切的两条非平行线必相交，且该交点与圆 心的连线垂直于过两切点弦的理论，故采用在底座上放置一水平仪( 保证底座 水平) ，上端测量装置在导轨上左右移动，利用重锤保证两边对称等措施来保证 转轴8 的中心与轮带中心的连线为竖直线( 即找准了简体的最低点) 。 3 2 2 仪器的安装与调整 ( 1 ) 按照如图3 - 3 所示组装好仪器。 ( 2 ) 初调三脚架9 的高度，使滚轮与筒体间有一定的预压力，并一起转动， 利用底座上的导轨，使底座上部的装置沿着底座左右调整，使两滚轮与筒体都 接触良好。 ( 3 ) 打开水平仪，在保持底座为水平的基础上，再次调整三脚架高度和在 导轨方向的位置，同时通过观察两边重锤线到地板的高度来确定仪器两边是否 真的对称了。 3 2 3 在线测控系统的轴线测量 3 2 3 1 直线度的测量方法分析与计算 由于窑体头、尾密封等的因素，故直线度的计算一般优先以首尾档的位置 为基准，进而计算、调整中间档的位置( 特殊情况除外) ，从而来计算和调整窑 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 体水平面上的直线度。 ( 1 ) 水平面上窑体中心的直线度测量( 以三档窑体为例) l l a l 厂一1 | 。 ll l b j ：，：f _ k 。 l i jj 图3 - 5 水平面上窑体轴线测量 图中：a ，b ，c 分别表示简体最低测量点截面处筒体中心的竖直投影； m n 表示使用经纬仪在窑体外所作的竖直基准面的投影线； l a ，l b ，l c 分别表示a ，b ，c 三点到基准面的距离； s a b ， s b c 一一分别表示a ，b ，c 三点沿直线m n 方向相互间的距离( 一 般用各测量点附近档之间的距离表示) 计算如下： 连接a c ，则点a c d f 组成封闭的矩形，由数学知识计算厶的理论值： 由 ：_ 垒生 ( 3 1 ) s 4 b + s b cl c l4 得 屿2 暮舞泡一厶) 故：厶7 = 乞+ 必 ( 3 - 2 ) 即l b i = , 厶+ i s a 瓦b x ( 乞一厶) ( 3 3 ) 进而求出了中间档处水平面上的直线偏差为： 必= 厶一厶7 = 厶一厶一瓦- s a 万bi ( 厶一厶) ( 3 4 ) 武汉理t 大学硕十学位论文 ( 2 ) 竖直面上窑体轴线的直线度测量 m d s b c r -s a b r 图3 - 6 竖直面上窑体轴线测量 图中a ，b ，c 一分别表示筒体最低测量点处简体中心的水平投影； g ，j ，k 一一一分别表示该筒体最低测量点处截面圆的圆心； m n 一表示使用水平仪在窑体下所作的水平基准面的投影线； h a ，h b ，h c 一分别表示a ，b ，c 三点到水平基准面的距离； s a b ， s b c 一分别表示a ，b ，c 三点沿直线m n 方向相互间的距离( 一 般用各测量点附近档之间的距离表示) k c ，j b ，a g 分别表示测量点处的筒体实际半径值，由于简体上每点所在 截面处简体的直径具有一定的差异，且在回转窑筒体各档的支承处，实际工作 温度不同，故筒体的实际直径也各不相同。对筒体的直径处理，大概有两种方 法： ( 1 ) 回转窑工作时处于一个高温场中，其工作时简体的热膨量2 1 】( 即直径 变形量) d 计算如下： a d = 吃x d x t 式中j 标准直径变形量，i l l m ； 允碳钢线膨胀系数，见表3 一l ； d 一简体直径，m i l l ； t 一简体温度，。 表3 1常用钢材的线膨胀系数 材料线膨胀系数口( 1 ) 材料线膨胀系数a ( 1 c ) 1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 钢( 1 3 5 1 4 3 ) 1 0 6 1 c r l 31 2 1 0 6 2 0 c r 1 3 6 1 0 6 1 c r l 8 n i 9 t i1 7 6 1 0 6 1 8 c r m n t i1 3 8 1 0 6 g c r l 5 1 3 6 1 0 6 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 采用现有的亘彳仝 ! 1 1 0 量仪器，测量简体在该1 作温发卜阴且俭。 设a 、b 、c 三点所在处筒体截面的实际直径分别为九、九、龙，连接k 6 ， 则点g k d f 组成封闭的矩形，由数学知识计算乩的理论值： 由蕊s a b2 万n c 可2 簧再丽2 浯5 ) 咒6 + - (+ 吮) 一( 厶乞+ 九) 得岘2 矗吨幢心吨2 ) ( 3 - 6 ) 故：峨= h a + a h b 即 = 只+ 九2 + 矗皿一吃+ 2 一九2 ) ( 3 - 7 ) 进而求出了中间档处竖直面上的直线偏差为： 龃= hb h ： = 巩+ 丸2 一只一九2 一乏( 皿一只+ 统2 一九2 ) ( 3 - 8 ) 3 2 3 2 采取的测量方案 根据以上的轴线测量分析，对于窑体的轴线，一方面可以采用人工进行测 量，另一方面可以采用测量仪器如激光测距仪进行自动测量。 ( 1 ) 手动测量 采用该法测量，可以选择图3 - 3 中的5 为激光发射器，其主要用来标记简 体最低点在地面的投影线。其测量方法如下： 利用经纬仪，在窑体外一侧拉出一竖直基准面，并在各档附近位置标记。 打开安装在支撑架中间的激光器，使其在地面画出一条线，该线与筒体的 中心在同一竖直面内，同时即为最低点的竖直投影。 根据地面的投影，做出标记，并使用卷尺测量出该线与外拉的基准面的距 离，即为该点的水平位置。 利用水平仪，建立一水平的基准面，测量该最低点到参考面的距离，同时 利用仪器或公式测量与计算该点截面处的筒体直径。 ( 2 ) 传感器的自动测量 1 5 武汉理一：大学硕十学位论文 根据图3 3 所示，其测量也需事先建立两个测量基准面，但这晕选择的是 利用传感器测量相应的距离( 各档相应的竖直基准面位置需放置挡板，便于测 量) 。传感器的选择要考虑温度，测量距离，测量精度等几个因素。 3 2 3 3 仪器的选择 ( 1 ) 手动测量方式 根据使用的环境与使用目的，故选用产品型号为r l 6 5 0 5 g 2 的激光划线器。 其特点为： 输出波长：6 5 0 n m 输出功率：2 7 m w 工作电压： 2 7 2 4 vd c 工作电流：4 5 0 m a 光束发散度：0 1 1 5 m r a d 出光张角：1 0o 1 3 5 0 光线宽度： 1 o m m 直线度：1 o m m 6 o m 光学透镜：光学镀膜玻璃透镜或塑胶透镜 尺寸：a 9x3 5 m m ；彩1 1x3 7 m m ；0 1 2x4 0 m m 等( 可定制) 工作温度：一1 0 7 5 储存温度：一4 0 8 5 激光等级：i i i b ( 2 ) 自动测量方式 在本设计中，水平距离测量可选用的激光测距传感器型号为b j f t f t m 一2 0 0 ， 而竖直方向，只需旋转该传感器到简体最低点的距离，然后再人工测量测量基 准点到水平基准面的距离，用来调整底板水平的水平仪可选用简易的气泡调整 式装置。b j f t - f t m - 2 0 0 型工业级激光测距传感器是带有r s 2 3 2 数据接口的传感 器，方便数据采集。通过2 3 2 口控制采集数据。机身采用高强度铝合金材料， 坚固耐用，防水防尘。测量黑色或深色物体同样出色。量程达到2 0 0 m ，测距精 度优于i m m 。所有这些性能使它性能遥遥领先于同类产品。 ( 1 ) 主要特点 一不需反射镜测量各种物体距离； 1 6 武汉理t 大学硕十学位论文 一增加滤光镜可测高温被测体； 一增加防爆盒可用于防爆环境； 一可见光容易对准被测体； - - b j f t f t m 一2 0 0 响应速度最大i o h z ： - - b j f t f t m 一2 0 0 方便实现4 8 5 传输，容易融入工业现场总线； - b j f t f t m 一2 0 0 方便实现无线传输，组建无线网络，适合无人值守测量 一标准r s 2 3 2 数据接口，控制简单。 一量程大，最远可达2 0 0 m ，是目前市场同类产品的2 倍。 一精度高，测距精度高于l m m ，远好于同类产品的+ 一3 f i l h i ，+ 一5 m m 。 ( 2 ) 传感器性能指标 表3 2 传感器性能指标 量程 0 0 5 2 0 0 m 精度 l m m 工作电压 3 3 v - 5 v 工作电流 2 9 0 m a 使用温度一2 0 + 5 0 度 储存温度一3 0 + 7 0 度 防护等级防水防尘i p 5 4 激光类型激光类型6 3 5 n m ，二级安全 数据接口标准r s 2 3 2 接口 外形尺寸 1 5 5x7 6x 4 5 m m 重量 3 5 0 9 3 2 3 4 传感器的安装 由图3 3 所示，水平仪安装在底板上。由于用来测定转轴8 到基准面的距 离，故此处的激光测距仪与支撑架连接在一起，且测量的起始位置在转轴的中 心，并能旋转。激光划线仪也与支撑架连接在一起，且其中心与转轴的中心重 合。 1 7 武汉理t 大学硕士学位论文 3 2 3 5 在线测控系统的轴线测量的特点 对于所研究的回转窑在线测控系统而言，窑体轴线的测量： ( 1 )该轴线测量方法中，仪器的安装在窑体的下端，劳动强度也较小，操 作简单，有利于在工厂推广使用； ( 2 ) 测量的数据少，减少了累积误差，且比较方便； ( 3 ) 设备成本较低。 但由于回转窑的工作场合震动较大，故要采用一定的防震措施，比如在滚 轮的表面加一层耐高温橡胶，支架添加弹簧等；环境温度较高，故可以采用一 定的隔热措施，以免测量数据受到较大的影响。 3 2 3 6 回转窑轴线测量数据的控制 由以上可知，对于轴线测量所采用的激光距离传感器，采用的是r 2 3 2 接口， 由于该接口适用于短距离传输，故要采用接口转换器进行转换，并采用多次测 量取平均值来降低测量误差，最后在控制面板进行显示。其轴线测量数据控制 如图3 7 所示。 r 图3 7 回转窑轴线测量数据的控制图 3 2 3 7 回转窑轴线测量数据的采集程序 激光传感器与计算机的通讯采用的是r 2 3 2 异步通讯协议。激光测距仪发送 的数据通过串口传到p c 机，利用软件进行数据的读取与处理，其程序流程如图 3 8 所示。 武汉理i ：大学硕十学位论文 图38 单点数据采集程序 3 238 回转窑轴线直线度的计算程序 熙， p e 玉， 网 睦， 黑q 图39 轴线直线度计算程序图 33 测量结果影响因素分析 性 该装置对轴线的测量结果，主要受一下因素的影响： ( 1 ) 仪器的安装主要受到仪器本身加工与配合的影响，以及调整的稳定 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 ( 2 ) 窑体的温度可以在除仪器安装位置以外采用隔热层等隔热措施，该 方法目前已经采用，具有良好的效果： ( 3 ) 滚轮尺寸的差异由于滚轮尺寸相对测量距离以及简体的尺寸较小， 且表面的加工精度可以比较高，磨损也较小，故影响较小； ( 4 ) 窑体的震动该因素对仪器的调整与测量影响较大，可以采用在滚 轮的表面添加耐高温橡胶，以及在底板上增加弹簧等措施来缓冲减震，降低其 影响。 3 4 本章小结 本章通过分析有可能影响回转窑轴线直线度的的相关因素，对轴线测量仪 器进行了结构的设计，分析了轴线的测量步骤，以及测量的方法。基于两种测 量方案，选择了相应的传感器，分析了数据的传输流程，并编写了基于l a b v i e w 的数据采集与直线度计算程序。 2 0 武汉理i ：人学硕十学位论文 第4 章回转窑支承装置受力分析 4 1 回转窑的结构组成 如 图4 - 1回转窑的结构组成图 回转窑的结构特点：由筒体，挚片，托轮和轮带支承装置，挡轮装置，大 小齿轮传动装置，窑头、窑尾密封装置，窑头罩及燃烧装置等部分组成，如下 图4 1 所示，故回转窑的重量包括筒体、耐火砖、轮带及其固定装置( 主要是 垫片) 、大齿圈、筒体内物料等的重量。由于窑体类型的不同，则以上各组成部 分也有较大的差异，因此在设计液压系统时，要根据具体窑型进行具体分析。 图4 - 2 回转窑截面示意图 由于回转窑体是通过轮带，在电机的带动下依靠托轮的支承进行转动的， 2 1 武汉理r 大学硕+ 学位论文 并利用螺栓来调整的，其截面示意图如图4 - 2 所示，故研究窑体的调整，即为 研究如何通过调整装置来改变托轮的位置间接完成窑体轴线的调整。那么，窑 体作为调整的目标，其自重、产量、工作状况等因素，对窑体支承的受力分析， 窑体的液压调整具有决定性的意义。 4 2 托轮与轮带间的受力分析 托轮与轮带之间的受力2 2 】_ 【2 3 1 如下图所示( 箭头表示各自的旋转方向) ： 图4 3 窑体轴向受力分析图4 - 4 托轮与轮带间的径向受力分析 注： 口一一一窑体的安装倾角； n 一一支承挡的数目； f 1 ，y 2 分别表示托轮l ，2 对轮带的支反力； 彳t ，五- 分别表示轮带对托轮l ，2 的摩擦力，摩擦系数分别为。，：； g c o s o f 一每挡被支承装置的重量； 鼠一一托轮1 与轮带中心连线与竖直面的夹角； 幺托轮2 与轮带中心连线与竖直面的夹角； r 轮带的半径； r l ，r 2 - - 一托轮1 ，2 的半径； l 1 ，l 2 托轮1 ，2 中心到轮带中线所在竖直面的距离。 以轮带为研究对象，对其进行受力分析，其计算过程如下： 武汉理一j ：人学硕+ 学位论文 一s i n0 i + z c o sb + 厶c o sp 2 = e s i n0 2 互c o si + ec o s 7 2 + 以s i n0 2 = g c o s n + 石s i n0 l s i n 0 1 ： 刍 r + r j zk 。e 以一j 2 吒 ( 4 1 ) 故：驰邮w i 时篇差舞( c o s 幺- 一u m s i n 9 1 ) = 乎 ( 4 - 2 ) 所以： 鼻2 忑磊磊焉g c o 焉s 2 f 丙 只：墅生坐鬯盟f 2 s i n 0 2 一鸬c o s 0 2 1 4 3 托轮受力分析 ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) ( 1 ) 托轮l 自重，以及其托轮支座受力分析如下图4 5 ，4 6 所示( 其中 所标箭头为托轮的转动方向) 。 g i