（机械电子工程专业论文）回转窑动态参数测量仪的研制.pdf

武汉理l 人学硕十学位论文 摘要 回转窑是建材、冶金、化工等行业的核心设备。窑的生产特点是长期在多 支承点上连续运转，窑轴线的准直是保证回转窑长期运转的重要条件。但回转 窑在运转一段时间后，由于基础墩的不均匀下沉，托轮调节不当，支承件的磨 损等因素，都会破坏原来窑轴线的直线度。窑轴线的弯曲会大大增大设备的磨 损，严重的会使托轮轴和简体产生裂纹，缩短窑衬的使用寿命。因此，定期对 窑轴线进行检查是十分必要的。对回转窑轴线的动态检测不仅可避免因停窑带 来的巨大经济损失，而且还可以实现预防性维护保养，避免突发性停窑事故的 发生。 本文研究分析了国内外的回转窑动态参数的测量方法，认为武汉理工大学 的回转窑动态参数测量方法操作简单，设备成本低，确定了基于k a s 方法的回 转窑动态参数测量系统的设计方案。 本文给出了基于p 8 9 c 6 6 8 单片机的参数测量系统的设计方案。选择位移传 感器等对其影响比较大的参数进行测量，主要设计了回转窑托轮直径、轮带直 径、轮带间隙、齿轮偏摆、轮带位置测量模块的电路及程序。详细分析了电路 的设计过程。本设计比k a s 一3 回转窑参数测量系统具有更方便的人机交互界面， 功能更加完善。 本文对虚拟仪器技术作了较为深入的分析探讨，对数据采集的应用做了大 量工作，设计完成了基于l a b v i e w 平台的应用程序的各个模块设计，主要是基 于l a b v i e w 的计算机与单片机的通信，数据处理和数掘存储和回放等模块，完 成了测量系统程序的调试。并分析了在l a b v i e w 平台生成可执行文件的方法。 关键词：回转窑，参数测量，l a b v i e w ，数据采集，信号处理 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yk i l ni st h ek e r n e lp r o d u c i n ge q u i p m e n to f m e t a l l u r g y ，c h e m i c a li n d u s t r y ， a r c h i t e c t u r em a t e r i a le t c t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e ri so fk i l ni sr u n n i n ge x t e n d e d l y a n dc o n t i n u a l l yo v e rm o r es u p p o a i n gp o i n t s a n dt h es t r a i g h t n e s sa n dp r e c i s i o no f t h ea x i si st h ev e r yi m p o r t a n tc o n d i t i o nt og u a r a n t e et h ek i l no p e r a t i n gb yr u l ea n d l i n e b u ta f t e ra p e r i o dt i m eo f w o r k i n g ，t h ep o s i t i o na n ds t r a i g h t n e s so f t h ek i l nw i l l b ei n f l u e n c e db ys e v e r a lt h i n g sl i k e ：d i f f e r e n ts u b s i d e n c ed e p t ho ft h es u p p o s i n g f r u s t a ，i m p r e c i s ea d j u s t i n go f t h es u p p o s i n gw h e e l ，a b r a s i o no f t h es u p p o s i n gp a r t s a n dt h ed i s t o r t i o no fa x i sw i l lc o n s u m e d l yi n c r e a s et h ea b r a s i o no ft h ee q u i p m e n t ， e v e nc r a c kt h ec a n i s t e ra n ds h o r t e nt h ek i l ns h e l l sl i f e s oi t sn e c e s s a r ya n dv e r y i m p o r t a n tt od e t e c tt h ea x i sp e r i o d i c a l l y a n dd y n a m i cm e a s u r i n go ft h ea x i so f r o t a r yk i l n w i l ln o to n l ya v o i dt h eh u g ef i n a n c i a ll o s s ，b u ta l s og i v ep r e v e n t i v e m a i n t e n a n c et ot h ek i l na n dk e e pi tf r o ms u d d e n l ys t o pa c c i d e n t t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ec e n t e ra x i so ft h er o t a r yk i l n a n dr e s e a r c h e st h ed y n a m i cp a r a m e t e rm e a s u r e m e n tm e t h o d so fr o t a r yk i l nh o m e a n da b r o a d f o u n dt h a to u r si se a s yt oc a r r yo u ta n dt h ec o s ti sl o w t h e nc o n f i r m e d t h eb l u ep r i n to fd y n a m i cp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e mo fr o t a r yk i l nb a s e do n k a s a n df i n d st h a tt h ev a r i a t i o n a lt e m p e r a t u r eo ft h ec a n i s t e ra n dt h ea b r a s i o no f t h em e c h a n i c a lp a r t si st h em a i nr e a s o n st h a ti n f l e c tt h ea x i so ft h ek i l n t oa d j u s t t h ed y n a m i ca x i so ft h ek i l nn e e d st om e a s u r et h ep a r a m e t e r sb e l l o w ：d i a mo ft h e l e f t & r i g h ts u p p o r t i n gw h e e l s ，d i a mo ft h ec i n c t u r e sa r o u n dt h ew h e e l s ，c l e a r a n c e b e t w e e nt h ew h e e l sa n dt h ec i n c t u r e s ，p o s i t i o no ft h ec i n c t u r e s ，d e f l e c t i o no ft h e g e a r a n dw ea n a l y s et h em e t h o d st om e a s u r et h ep a r a m e t e r sa n dt oc a l c u l a t et h e d a t ao f a x i s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h em e t h o dt om e a s u r er o t a r yk i l nc e n t e ra x i s ， w ec h 6 s et h em e a s u r i n gs y s t e mm a d eu po fp 8 9 c 6 6 8s i n g l ec h i p t h ep r i n c i p l eo f t h ec i r c u i ta n dt h ep r o c e s s i n go f t h ep r o g r a ma r ec o n s t r u e di nd e t a i l i i 武汉理工大学硕十学位论文 w ed e e p l yr e s e a r c h e da n da n a l y s e dt h ed u m m yi n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，d i da l o to f w o r ki nd a t ac o l l e c t i o n a n dd e s i g n e de a c hm o d u l eo f t h ea p p l i c a t i o nb a s e do n l a b v i e wp l a t f o r m ，g e n e r a l l yi n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o no ft h es c ma n dt h e c o m p u t e rb a s e do nl a b v i e w ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t ai n p u ta n do u t p u te t c d e b u g g i n go ft h ep r o g r a mo fm e a s u r i n gs y s t e mi sc o m p l e t e da n dt h em e t h o do f c r e a t i n gt h ee x e c u t a b l ef i l eb a s e do nl a b v i e wi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：r o t a r yk i l n p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t v i r t u a li n s t r u m e n t d a t ac o l l e c t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g i i i 武汉理工人学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 、课题研究的目的、意义 回转窑系统是冶金建材行业等部门的大型重要设备，据统计它的投资占 本项目总投资的l o 一1 6 ，它的施工、检修质量和稳定运行，对本企业的经 济效益和生产成本影响很大。保持回转窑安装和运转中筒体轴线的直线度和截 面圆度，可以延长回转窑内衬寿命，减轻不均匀磨损，减少机械事故，进而保证 回转窑长期安全高效运转。但是回转窑属重型热工设备，在运转过程中，由于基 础的不均匀沉陷、托轮轴瓦、托轮、轮带内外圆的磨损、垫板间隙的增大，各 处温度的差异、窑内衬剥落后的红窑及生产过程中由于突然停电，窑体在高温 下停止转动等因素，可能使简体产生局部变形或弯曲、甚至扭曲。当弯曲超过 一定极限时，不仅发生歇轮现象。更会使各档托轮受力不均，磨损加重，导致底 座晃动，窑内衬剥落、大齿圈振动等，致使回转窑无法f 常运转。只有通过对简 体弯曲部位进行校直，同时调整各档托轮位置及垫板间隙，使回转窑水平和垂 直方向的轴线符合要求，才能使问题得到根本解决。以提高回转窑的运转率和 检修的质量标准。这无疑具有很大的经济意义和社会意义 1 2 和本课题有关的国内外研究现状分析，包括发展水平 和存在的问题等 回转窑的轴线检测技术，从2 0 世纪8 0 年代起，国内外先后发展了轮带位置 测量法、激光轮带测量法、p o l s c a n 托轮位置测量系统、改变传感器仰角测量 系统、非接触测量法和运行轴线动态测量时域分析法。回转窑4 5 。方向键相测 量法。这些测量方法及系统在不同程度上存在着系统复杂、高处安装定位困难、 测量操作复杂、观测误差大、测量精度不离的不足。 武汉理工大学的动态窑轴线参数“k a s 一3 ”测量系统，该测量方法在系统结构、 操作使用和测量精度方面都优于前述的方法。但是，由于该方法中实现测量参 数测量时其轴线参数测量和齿轮偏摆测量为两套系统，仪器显示界面比较小， 操作使用比较复杂，不便于企业的使用。 武汉理l 大学硕士学位论文 1 3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 ( 1 ) 研究目标：通过研究现在的回转窑中心线的测量方法和数据处理的方式，进 一步优化回转窑中心线的测量和数据处理的方法。研究实现回转窑动态参数采 集和数据处理的设计。 ( z ) 研究内容及研究方法与技术路线： 选择不同方案的回转窑中心线测量方法进行试验研究，包括数据采集卡的 设计、数据采集程序的编制。研究设计一种测量精度高，数据采集简便的回转 窑动态参数测量仪器的设计方案。 在计算机端设计一套回转窑中心线的数据计算程序( 采用l a b v i e w 进行程 序的设计) 对试验结果进行一定深度的理论分析。 ( 3 ) 拟解决的关键闯题： 试验并选定较合适的回转窑中心线的数据采集及处理方法，力求将回转窑 中心线的数据误差降到最小。 1 4 研究成果和创新点 预期的研究成果： 提出回转窑中心线测量系统设计的一个具体的解决方案： 测量数据信息的计算机数据处理； 完成学术论文两篇。 创新点：回转窑中心线动态数据采集和基于l a b v i e w 平台的数据处理方法的建 立。 1 5 、本章小结 本章介绍了回转窑动态参数测量的应用研究课题研究的背景和意义。分析 了国内外相关应用技术的现状，论述了本论文所做的研究的主要内容以及所取 得的研究成果，指出了系统具有的可行性和先进性。 2 武汉理工大学硕十学位论文 第二章回转窑轴线的变化分析 回转窑轴线( 回转窑中心线) 和窑的运转状况息息相关。回转窑在运转过程中 由于热膨胀、支承零件磨损以及基础的不均匀沉陷等因素，其轴线会偏离理想 轴线。偏离过大，会增加驱动电机的驱动力矩，使电能损耗增加，也会使筒体 承受附加交变应力，加剧疲劳裂纹的产生，同时各运动部件的受力加大，磨损 增加，导致托轮表面出现点蚀、掉渣、掉块，严重时甚至会发生托轮轴断裂、 窑体发生剧烈振动等重大设备事故。回转窑轴线的调整主要是通过调整托轮实 现的因此，通过调整托轮，维持筒体轴线“直”就成了回转窑长期稳定运转 的关键”。 2 1 热态时轴线变化的几何关系 x 图2 1 简体中心受热变化分析 回转窑经过一定时间的运转后。由于托轮、轮带、挚板的磨损及基础的不 均匀沉陷，回转窑的轴线会产生偏移，而且回转窑在热态工作时，由于各档温 升不同，各档简体、轮带、托轮由于热膨胀而引起的中心抬高不相等，轴线也 会产生变化”。以轮带的理想回转中心为坐标原点，水平方向为x 轴，垂直方向 3 l 武汉理1 人学硕十学位论文 为y 轴，建立如图1 所示的直角坐标系( 图中o 7 、07 、o z7 、o 7 、分别为简体、 轮带、托轮1 、托轮2 的实际回转中心，o 。、0 ，分别为托轮1 、托轮2 的理想回 转中心。虚线表示托轮、轮带的理想位置，实线表示托轮、轮带、简体的实际 位置) ：托轮1 ( 左边托轮) 、托轮2 ( 右边托轮) 、轮带内径、轮带外径、筒体外 径的实际尺寸分别为d 。d 。d 。d s 、托轮外径、轮带外径、轮带内径、简体 外径的理想尺寸分别为d 、d 、d ，、b ，托轮1 处基础沉陷为h 。，半开档距为巩， 托轮2 处基础沉陷h 。，半开档距为a 。托轮1 、托轮2 、轮带内径、轮带外径、 简体外径的实测温升分别为t 。、t 。a t 。a t 。、t 。，轮带内径、简体 外径的理想温升分别为t 。、t ，则： a d 。= d 。a t n a d m = axd 。2 x a t ：n a d 耵s = x d 洲a t s n d s w = d d s ，a t a d s fa d s x a t s a d n = a d n a t 。 d t = ax d x a t( 1 ) 式中：a d 。，托轮l 外径的热膨胀量 a d 。托轮2 外径的热膨胀量 a d 。r 一轮带内径的热膨胀量 d 。一轮带外径的热膨胀量 a d s ，简体外径的热膨胀量 d 旷一轮带理想内径的热膨胀量 a d t 简体理想外径的热膨胀量。 q 钢材的热膨胀系数 根据图l 有： ( 芝= ( - a m ，一h h 2 ) o 卜 s z , - h h ，) 1 h = ( d + d ) c o s ( 3 0 。) 4 武汉理丁大学硕士学位论文 d ：；( d s ，+ 榔+ 以。+ d 。，。) o 7 叫= 圭( + a d s 。+ d s 2 + a ) ( x + a 8 1 ) 2 + ( y 十 + 2 ) 2 = i 1 ( d + d w + 呔l + d 一2 ( x - - 0 s 2 ) 2 + ( h + h 3 ) 2 = 去( + 蛾，+ 如+ 划。2 ) 2 ( 2 ) 解式( 2 ) 即可求得x 、y 的值：此时简体回转中心0 。7 的坐标为： x2 x y 7 = y 一丢= y 一圭( d 。+ 蛾。一d s - a ) ( 3 ) 当x 7 o 时简体实际回 转中心0 ，7 偏向托轮2 侧。简体中心偏差为： = 瓜巧= 厣i 巧再i 磊面 式中：j 。热态时简体外径和轮带内径的实际间隙，m m d ，热态时筒体外径和轮带内径的理想间隙，m m 前苏联出版的水 泥设备易磨件的耐久 性一书中指出：由窑 弯曲造成支承高差 l o t t o 时，支撑点处的简 体应力约增加三倍，托 轮上的应力增大一倍。 国家建材局在新型干 法水泥企业设备管理 实施细则中规定：新 型干法窑轴线偏差不 能超过5 r a m 。当轴线偏 差超过规定值后，可调 整托轮将其校直。如图 图2 2 托轮调控 2 所示，要使简体中心从实际回转中心归位到理想回转中心，可垫高托轮或向罩 5 武汉理下、学硕十学位论文 平移托轮：但若单纯地垫高托轮或单纯地向里平穆托轮，会使托轮的受力状况 恶化，嚣而先将托轮1 、托轮2 分剐挚高h ；、h 、，然届将托轮l 、托轮2 分别向景平移a 、a 。 ( 1 ) 垫高 为使托轮的中心标离保持不变，托轮底座的垫商量废等于基础下沉量。即 h 产h ： h 产( j ) ( 2 ) 平移 由于轮带内径、筒体外径的实际间隙比理想间隙大，为了使简体中心回归 到理想回转中心，应比理想回转中心高h 。 1 幽= 妄( d 。，一番) ( 6 ) 根据圈2 2 ，有 如胚j 磊i 鬲丽 口i = 如( 珐一十a d 一“s ：+ 鲋一1 一( m ) 2 血i 兰口扪一0 ； 一x ) = 日“一a ：1 + 。 口2 = 口r 2 一如；2 + x ) = 口。2 一d ：i + x ( 7 ) 2 2 冷态时轴线变化的几何关系 回转窑在安装、停窑检修时窑简体中心标高的找诈都是在冷态f 进行，两 且大都按冷态时各档窑体中心在一条直线上进行调整。为便于对照，肖必簧给 出冷态罐轴线偏薏及托轮调整量的计算公式。考虑到窑体冷、热悉时轴线偏差 及托轮调整最的差别主要是由简体、轮带、托轮的热膨胀引起的，阑而只需将 热态时轴线偏差和托轮调整量的计算公式中的、d d 。、d 。、d 。、 去掉即可待冷态时的轴线偏差和托轮调整量。 6 武汉理上大学硕士学位论文 2 3 回转窑动态检测的重要性 虽然静止时的窑的中心线的校直能够解决部分问题，但从窑轴线失调的原 因来看，静态回转窑的校直不能保证动态回转窑的校准，这是因为冷态校准的 窑轴线在热态下会发生较大的变化，所以静止时的测窑数据对调整和维护回转 窑仅仅只有参考意义，只有热态数据才能真实反应运转中豹窑的轴线的状况。 此外，在窑动态的时候进行测量可以避 免静态测量时回转窑停窑所带来的巨大 的经济损失，还可以实现预防性的维护 和保养，避免突发性停窑事故。因此回 转窑的动态检测在实际生产中具有十分 积极的意义。 为了分析冷态下测窑的尺寸和热态 下测窑的尺寸变化规律。现在对 由3 6 1 2 2 m 的回转窑的测量数据进行分 析。表中显示了窑体温度分部情况，其 数据时用一台表面温度计在简体表面指图2 3 简体的热膨胀 定点测定的简体的温度的分布不同所带来的是轮带直径的增大。但对每个轮带 来说，其温升相差是很大的。如图2 3 所示，由轮带和简体直径的增大，使得 窑轴线产生了变形量z 。 表l 温升引起的轮带直径和窑体长度增大的测量数据。 支撑静态轮带直动态轮带直直径增轮带温静态窑段静态窑段窑段伸相对中点 序号 船 径量差单_ 位长度k 度k 量窑体伸长 量l l4 2 8 0 44 2 8 6 2 5 8 9 41 6 7 4 41 6 7 6 74 31 4 8 z4 3 2 8 4 4 3 3 476 、21 0 4 1 8 9 4 81 8 9 9 95 l1 0 6 3 4 3 2 7 4 4 3 3 2 65 27 2 2 0 3 4 02 0 3 9 45 4 5 4 44 3 2 5 24 3 2 9 84 65 9 2 1 3 8 3 2 1 4 3 04 70 54 3 2 1 94 3 2 4 12 23 91 8 9 2 91 8 9 6 83 94 7 64 3 2 674 3 2 8 8 2 1 3 41 8 9 8 31 9 0 1 53 28 6 74 2 7 4 14 2 7 4 6 058 1 8 9 8 31 9 0 1 53 2一1 1 8 长度单位i i l m ，静态轮带温度为1 6 ，轮带直径和窑体长度的测量精度分别 为1 4 哪和l o m m 。 表中列出了每节窑段热态时相对于冷态时数值的长度增量，另外还给出了 相对于窑体中间点的长度变化量l 。如果托轮轴线平行于窑的中心线，托轮柱 7 武汉理工人学硕士学位论文 面完好，如图5 所示 + 恤) 釉 ( 由 图2 4 窑轴线的变化情况 长度的变化量l 不会引起窑中心线的变化，这种情况只会在新的，校准好 了的窑中才会出现。在经过一定时期的运转后，托轮圆柱面会如图中所示产生 磨损，而且磨损量可能会超过1 0 毫米。托轮轴线的倾斜也会引起轴线的变化量 z ，图中所示的情况往往会同时发生，造成了窑轴线的偏差，超过所允许的3 5 m m 的误差。这样简体在运转中由于自重而产生周期性的弯曲，窑支撑与简体就 会产生撞击和震动，最终会损坏窑衬，所以由以上分析结果我们认为静态窑轴 线的校准并不能保证动态窑轴线已被校准，同样也就不能正确的校准好窑的轴 线。 2 4 回转窑动态检测的方法简介 7 0 年代后期，国内外有关部门都开始重视动态测量方法的研究，先后有几 种方法在实际测量中运用，并且取得了不错的效果。 2 4 1 轮带位置测量法 此方法是波兰毕达哥什地区测量所首创的。该方法利用光测悬锤的原理来 观察运转中的窑的轮带的摆动位胃，它用测窑仪( p i e c o m e t e r ) 与光学垂直仪 和经纬仪配合来测定轮带的外径水平和垂直切线到各基准线的距离”1 。在每个轮 带处，要把这些仪器移动安装三次，由三各专业人员配合操作。 该方法是回转窑动态测量的第一种设计方法，但是它还是存在比较明显的 缺点：第一，需要测量人员靠近高温窑体操作仪器，存在较大的人为误差。第 二：测量一个轮带需要移动三次仪器，存在较多的间接测量误差。第三，受人 工观察记录的限制，不适用于快速旋转的新型回转窑测量。另外需要使用其他 8 武汉理1 i 大学硕十学位论文 仪器来测定轮带间隙，以获得窑中心线的修正值。 2 4 2f l s 测窑方法 此方法是丹麦f l s m i t h 公司研究的激光轮带测量法。它的基本原理是利 用计算机控制两台仪器同步运行，测出其角度函数。它是用一台配有微机的激 光经纬仪和一台激光电子经纬仪配合，由激光经纬仪在测量轮带表面投射一个 固定光斑，而另个经纬仪来瞄准光斑，通过测量轮带上6 个光点的空间坐标 角度参数，来计算轮带中心的坐标，同时还要用周长测径仪和其他一起来测定 轮带直径和轮带间隙”3 。 该方法要使用高精度的激光电子经纬仪，需要专业测量人员操作同样也存 在着人为测量误差。由于对轮带上固定光斑的位置相对于轮带位置不确定，而 且光斑并不是反映轮带的摆动运动。因此它的测量精度低于上一种方法。 2 4 3 托轮位置测定法 这个方法是由德国p o l y s i m 公司研制的，并根据此方法开发出来p o l s c a n 的测量方法“1 。该测量系统还可以测定回转窑的轮带和托轮周长，以及简体和轮 带间的相对位移量等。此测量系统主要包括：两台电子测距经纬仪，两台手提 计算机，周长测量仪，轮带间隙测量仪，以及其他辅助仪器等。它是基于测她 学的方法，采用前向交叉法来测定各个托轮轴心的空间坐标，然后测定各个托 轮，轮带的动态直径和轮带的动态间隙，最后计算出筒体旋转中心。 这个方法的优点式能精确测定每个托轮轴心的空渊位置坐标，对于调窑的 工作十分方便。但此测量系统价格太昂贵了，也必须要由专业测量人员操作。 另外此方法是对托轮的位置进行测量，而这并不能反映轮带和简体位置的变动 情况，因此其测量精度在理论上不会高于轮带位置测量法，并且同时存在着人 为观测误差。 2 4 4 筒体位置测定法 这个方法是由加拿大h a t c o 公司研究的”1 ，其测量设备是出高科技产品组 成，它主要包括，配有自动水平装置和c c d 器件的智能激光测距仪，特高三角 架，带磁带记录仪的个人计算机，高精度激光经纬仪等。该方法是用架在窑礅 处的一个台智能激光测距仪直接测定简体挚片的变化位置。另外用架在地面的 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 9 武汉理工大学硕士学位论文 简体- - 倾u n 其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 仪架到简体下一侧和其正下方，这样就可以测算出简体旋转中心的坐标。 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筒体的位胃，因此测量精度在理 论上高于轮带和托轮位置等间接测定法，它是目前较先进的一种测定方法，但 是价格昂贵，测量复杂 2 4 5k a s - 3 型动态窑轴线测量法 武汉理工大学回转窑检测中心张云教授等研究开发的k a s 一3 型动态窑轴线检 测装置“1 。该测量仪由一个直径测量传感器、霍尔接近位置传感器、水平和垂直 方向上的数字位移传感器、一个霍尔开关位置传感器、一台经纬仪、一台水准 仪和一个导轨尺及滑标、个周长采集器和一台计算机系统组成。该测量仪不 但能直接测定简体或轮带位置，还能自动测定轮带动态间隙以及筒体表面的温 度。该装置已通过国家建材局主持的鉴定，并取得7 项国家专利。获得2 0 0 3 年 国家科技发明二等奖。 2 4 6 直接测量法 美国p h i1 1i p s 公司所发明的直接测量法“1 。该方法与中国武汉理工大学回 转窑检测中心所发明的测窑方法有很大的相似之处，只是在传感器与测量点的 选择上有些区别。该测量装景包括两个固定在测量桥上的棱镜和三个激光仪。 激光仪中一个对准窑简体中央，另外两个位于两端，分别测得三组1 8 0 个距离 变动读数。通过取平均值，由这三点就确定了唯一的圆圈，同时由它们进行圆 心三角计算就能确定窑模截面的中心，即动态回转中心。其原理如图2 5 所示。 掣 图2 5 1 0 武汉理i 人学硕士学位论文 但是这种测量方法的测量仪器体积很大，携带不方便，而且仪器比较容易 损坏。 以上的这些方法中，以中国武汉理工大学的k a s 一3 型新型动态窑轴线测量 系统的精度较高而且测量过程和操作均较简单。在使用该装置对我国等多家 水泥厂7 6 条回转窑进行的实地测量中，能准确地测得回转窑的中心轴线，从而 真实地反映了窑运转的实际状况。并根据这些数据进行调窑，使窑轴线的直线 性达到标准范围，大大地提高了水泥生产厂家的设备运转率和经济效益。同时 也标志着我国水泥工业在回转窑动态轴线测量装置的丌发与应用方面走在了世 界的前列。 武汉理r ：大学硕士学位论文 第三章回转窑动态参数测量的原理和方法 3 1 简体中心线 筒体中心线的测量通常包括简体中心在水平方向上的直线度( 以下简称水 平直线度) 和垂直方向上的直线度( 以下简称垂直直线度) 。 3 1 1 垂直面的直线度的测量 回转窑筒体中心线垂宣直线度的测量原理图如图1 所示“。首先应求得各 挡位筒体中心( a d ) 之间的高度差，然后根据各挡位之间的跨度计算中心的 垂直直线度。由于轮带的直径并 不相同，所以各档位的中心之间 的高度差需要通过同时测量各 档轮带最低点的高度差及各档 轮带的外径以及轮带内径与筒 体外径差d n 求得，首先使用d s 3 ” 型水准仪建立一个水平基准面， 并由标尺读取各档位轮带正图1 、垂直直线度测量原理 下方最低点相对于水平基准面的高度h 、( n ；1 4 ) ，进而通过测量各档轮带的 直径d 。( 见后述) ，得到备档位中心相对于基准厦的高度y ，回转窑中心在垂直 方向的直线度可用两档的中心b 、c 两点相对于a 、d 连线的偏差量。y 2 、。匕表 示： a y 2 = y 2 y j 一( y 。一y i ) s 1 4 s 。+ s 2 + s ，) ( 1 ) 。y 3 = y 3 一y l 一( y 4 一y i ) ( s 。+ s ：) ( s ，+ s ：+ s ，) ( 2 ) 式中：y n = h 。+ d 。一式( n = 1 , 2 ，3 ，4 ) 3 1 2 水平面的直线度的测量 水平直线度的测量通过测量各挡位轮带的直径及其表面的水平径向位移来 实现“”1 ，其原理如图2 ( 测量系统的俯视图) 所示，首先以第1 挡位和第4 挡位 的托轮底座中心连线为基准线，在窑的一侧用j 2 经纬仪建立一个与基准线相平 行的垂直基准面。然后通过测量筒体在各个档位处轮带表面相对于基准面的水 1 2 武汉理【人学硕十学位论文 平径向位移w n + l n ( k ) ，以及轮带的直径d n ，即可获得各档位轮带中心的水平位 置x n ，同时，在轮带转动一周的 过程中，其径向水平位移不尽相 同，因而在实际测量时，将沿轮 带周向3 6 0 个等间隔分度进行 测量( k = 3 6 0 ) ，以便准确了解轮 带转到不同相位时，中心线的水平偏图2 回转窑通体水平直线度测量 差情况，实测时，采用轮带转动周期的等间隔分度确定相位。水平直线度及偏差 的测算方法类似于垂直直线度的测算，即： 。x2 ( k ) = x2 ( k ) 一x ，( k ) 一【x 。( k ) 一x 。( k ) s 石五习 ( 3 ) a x 3 ( 1 【) = x ，( k ) _ x l ”【x ( k ) _ x 1 ( k ) 】( s 1 + s ：) 石】+ s ：+ s 3 ) 4 ) 式中x 。( k ) = w 。+ l 。( k ) + d ( n 1 4 ；k1 3 6 0 ) 3 1 。3 温度误差分析 在光学精密测量中，气体折射率 的温度因会影响测量精度。尤其是光 热技术，由于筒体温度在3 0 0 0 c ，我 们在建立测量的水平和垂直平面时， 利用的光学仪器，在基准面的建立过 程中，就会造成一定的误差。在实际 测量中，经纬仪距离标靶的位置大约 1 舯o 萼 i 0 0 0 2 5 i 。0 0 0 2 0 在5 0 m 2 0 0 m 左右，这样就会产生较大的误差。 率的关系眦。 3 2 位置参数的测量 0 5 0j 1 5 02 讲 ，岷 图3 折射率与温度的关系 图3 是在空气中温度和空气折射 将滑标对准用经纬仪所建立的垂直基准面处，用位移传感器记录下轮带所 处的精确数据。”，将各档轮带的数据汇集于x 坐标上，轮带处于简体中心点的y 坐标 1 3 武汉理 ：大学硕士学位论文 y = l 。十p 。十r ， 用水准仪和位移传感器配合测 量轮带下简体的中心z 的坐标 z ，= h 。+ h 。+ p ，+ ( r k 巾。) c o sa ( 2 ) 式中i 为轮带序号，r 为轮带动态 半径，中为轮带于简体的动态间 隙，o 为窑筒体的倾斜度。而备轮 档之间的尺寸为x 坐标，通常用原 始安装图或卷尺可以一获得备轮带 之间以及坐标系中x 的参数。在图 中l 是水平位传感器2 是滑标， 3 是垂直位传感器 3 3 轮带直径的测量 图4 轮带位置测量图 轮带直径的测量原理如图3 所示，图中速度传感器由测速压轮( 由标准滚动轴承 制成) 和霍尔传感器组成，测速压轮依 靠在托轮上，使其与托轮之间作无滑 动的滚动，从而使测速压轮表面的线 速度与轮带表面的线速度保持一致， 测速压轮上安装有测速用的磁块，压 轮每转过一圈，通过霍尔传感器就会 输出一个脉冲信号，通过测量轮带在 转动一周过程中压轮转过的圈数便可算 得轮带的直径。与此同时，采用另外 一个霍尔传感器测量轮带的转动周 期，每当轮带上的磁块通过霍尔传 感器的f 上方时，霍尔传感器将输 出一个脉冲信号，脉冲的时间问隔 图3 回转窑轮带直径测量原理图 i nn 丌 n 一一一。订n 玉- 1 曼一。飘jb 鱼上 t 表示其转动周期， 图4 霍尔传感器及速度传感器的输出信号 在轮带每转动圈的过程中，测速压轮上的霍尔元件将产生一系列的脉冲m ， 1 4 一 武汉理i 大学硕士学位论文 如图4 所示假设轮带转动一周期间速度传感器输出的整脉冲个数为n ，测速轮直 径为d ，t 2 期间的速度分别用最为靠近的两个脉冲周期t 和t n 换算，由此可得 轮带的直径d 的计算公式为： d = n x d + d l + d 2 式中：。d 1 = d 彳 a d 2 = d x 么 1 n 1 ( 5 ) 3 4 回转窑大齿圈偏摆的测量 图1 是齿轮偏摆仪测量原理示意图。把非接触电磁感应探头垂真安装在旋转 大齿圈被测面旁边，把磁铁吸在大齿圈侧面， 近，并能产生信号。用电缆把霍尔开关和电磁 感应传感器分别与测量主机连接。操作测量主 机就可以自动采集大齿圈的径向偏摆数据：当 吸在大齿圈侧面的磁铁转至霍尔开关，该开关 向测量主机发出一个开始测量的脉冲信号，测 量主机通过电磁感应位移传感器开始采集大 齿圈表面形状的径向偏摆位移数据：当吸在大 齿圈侧面的磁铁再次转至霍尔开关，霍尔开关 发出结束测量的脉冲信号，大齿圈1 圈的测量 过程就完成了“1 。1 、磁铁2 霍尔接近开关 3 测量主机4 前罱变换器5 电滋感应探头 3 5 轮带间隙的测量 霍尔非接触接近开关安置在其附 刊 二：囊 = 习 邑生 习l 一 图5 齿轮偏摆测量原理图 6 旋转大齿圈 轮带于筒体的闻隙的测量原理如图所示 1 6 开关型霍尔传感器，2 3 磁铁，4 轮带，5 筒体，7 9 磁性摹座，8 测量系统。当吸在筒体 6 上的磁铁2 旋至其对应的霍尔开关时，测量主 机4 记下时刻t 。磁铁2 随筒体转一圈，在接近开图6 轮带间隙测量原理 1 5 武汉理上人学预七学位论文 关3 时，测量主机此时记录时刻t ，( t 。一n ) = t ，即为简体旋转一周的时间， 同样吸在轮带5 侧面磁铁1 随之旋转也会于另一霍尔开关靠近，同样测量主机 也会自动记录时刻z 。，t ，( t 。一t 。) = t 。即为在同一时间轮带旋转的周期。”。 图7 轮带间隙的测量 设想轮带和简体是理想圆柱，由几何关系由轮带和筒体的间隙。为 m = d r d s( 6 ) 假设轮带相对筒体没有相对滑动，则在a 点处轮带的速度v 。于简体的速度 v 。相等 v ，= v 。= v ( 7 ) 根据线速度v 于角速度u 和周期t 的相互关系式 v = c o 珏d = d t ( 8 ) 代入前式中有 d s z s = d t t t( 9 ) 再代入 西= d s 木( t t t s 1 )( 1 0 ) 即只要测得了带垫片的简体的外径d s ，同时测量轮带和简体的运转周期t t ， t s ，就可以算出轮带的动态间隙中， 3 6 测量托轮直径 测量轮带的直径和托轮的直径一样。 其原理使用小圆的周长来测出大圆的 周长，然后换算成直径，如图所示当吸在圆柱体侧面的磁铁2 旋转至霍尔接近 开关3 时，测量主机4 ，通过由摩擦轮和编码器组成的直径测量传感器自动电录 被测圆柱体1 的外直径旋过的圆弧长度，当磁铁转一周后在靠近霍尔接近开关 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 时，测量主机自动测出圆柱体一圈的直径数据，为了提高精度可以取多点测量 和n 周测量取平均的方法来减少误差o 。 再测得一系列的参数后就可以求的该轮带处的中心坐标，这样再每一档托 轮处测量一次就可以计算处回转要中心轴线的空间位置。 由于窑体温度的显著差异会影响窑轴线，为此在进行测窑时，还需测定轮 带，托轮和简体的温度，通过对比这些温度数据差别来分析窑轴线的变化原因。 3 图8 托轮直径测量示意图 卜简体；2 一磁铁；3 一霍尔开关；4 一测量主机；5 一周长测量传感器 3 7 此方法的优点 在运用此方法进行测量时，完全不影响企业的正常生产，并且整个测量系 统简单，用单片机系统来取代笨重的台式计算机，在测量的过程中可以同步进 行数据输出。用来测定窑中心的位置的位移传感器能够实现非接触测测量，这 样有利于降低传感器工作环境温度，可以提高传感器的测量精度和工作寿命 在测量的过程中还不受轮带表面的粗糙程度的影响，实现不间断测量。 1 7 武汉理i i 犬学硕十学位论文 第四章便携式参数测量仪器的硬件电路设计 4 1 单片机系统概述 本设计采用p 8 9 c 6 6 8 h b a 单片机为平台，开发回转窑动态参数测量装置。硬件系 统框图如图3 1 所示，电路原理图如图3 1 2 所示。本系统主要由传感器及单片 机系统两大部分构成。单片机系统以p 8 9 c 6 6 8 h b a 单片机为核心，由单片机及外 围接口电路，信号调理电路等模块组成，其主要工作流程如下所述：根据液晶面 板显示得需要采集的参数功能图标，通过键盘选择，进入某一功能参数采集通 过传感器采集信号，模拟信号经模数转换后将信号送入单片机系统，位移、转 速、开关量传感器输出的是脉冲信号，可直接输入单片机。单片机系统对输入 的信号进行处理、显示，最后将此结果与采样所得数据全部上传至上位机，由 上位机调用相关的算法程序，计算出回转窑的中心线状态并显示。 图4 1回转窑简体中心线测量系统的结构简图 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图4 i 2回转窑参数测量电路电路原理图 4 1 1 仪器主要性能 为便于使用，本仪器设计为便携测量仪。其主要性能如下： ( 1 ) 宽温型的l e d 数字显示器，6 0 高温下正常工作 ( 2 ) 防尘、防潮、触摸式键盘面板： ( 3 ) 可连续测量、存储1 0 组回砖窑参数数据( 左、右托轮直径、筒体直径、轮 带直径、轮带位置、齿轮偏摆等) ： ( 4 ) 抗干扰性强的数字型位移传感器，低功耗：d c 5 v1 5 m a _ = e 作电流。高温型霍 尔接近开关位置传感器，低功耗：d c 5 v8 i l l a 工作电流。 ( 6 ) 大容量数据存储器，可储存9 x 4 组窑轴线数据和9 x 9 组轮带间隙数据、1 0 组齿轮偏摆数据。 ( 7 ) 数据输出器的通讯接口符合并行传输信号协议，可向p c 机传送测量数据。 ( 8 ) 测量主机内装锂离子电池组，具有升降稳压电路。可向所有传感器提供 电源。 4 1 2 仪器主要技术指标 ( i ) 测量范围：0 4 0 m m ( 2 ) 示值分辨率：0 i m m ( 3 ) 测量位移误差：o 3 r a m ( 考虑现场振动情况) ( 4 ) 电磁感应探头工作温度：- - 2 0 + 1 5 0 c ( 5 ) 前置变换器和测量主机工作温度：一2 0 十7 5c ( 6 ) d c d c 变换和稳压电源：d c3 7 v 供电 1 9 穿 蠹 脚氅 擎e 一 鼍 孽蓬鬣酚毽 髓 陲一 一 。 泗 馥誊 蓦 = 一 纂一 武汉理j ：大学硕十学位论文 ( 7 ) 可测量回转窑的6 个功能参数，具有友好的人机交互界面。 ( 8 ) 面板按键只有六个，使用操作方便。 4 1 3 操作使用特点 手持测量主机可在多尘、下雨、6 0 高温等严峻条件下正常可靠的工作。 它可随传感器到各轮带旁，大大提高了测量工作效率，使每档轮带的测量时间 由原来的5 0 r a i n 减为2 5m i n 。由于采用高温霍尔开关，它轻巧可靠，能在7 0 高 温中正常可靠工作，提高仪器的适用性。由于测量主机内有大容量数据存储器 和数据输出器，它可在窑现场测量工作结束后，到办公室把原始采集数据传给 微机。避免微机系统在窑现场高温多尘中受损。 4 2 传感器的选择 传感器包括：用于测量齿轮偏摆测量传感器、用于测量轮带转动周期的高温型霍 尔接近开关位置传感器、用于测量轮带表面水平位移的位移传感器、筒体周长 传感器。 1 齿轮偏摆测量传感器 由于回转窑的大齿圈被润滑油覆盖。所以在测量的时