（机械设计及理论专业论文）回转窑健康维护便携式快速检测与分析系统.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 回转窑是冶金、水泥、耐火材料生产中的核心设备。回转窑一般重达千吨左右，支 承组数为2 9 档，是一种重载、大扭矩、多支点、静不定运行系统，它的运行好坏在很 大程度上决定着生产的效率和企业的效益。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。 回转窑运行过程中，由于轴线偏移引起支承载荷严重分配不均，使其运动部件磨损 加剧、寿命缩短，引发托轮断裂、托轮断轴等许多机械故障和安全事故，致使生产流程 中断，造成重大生产损失的问题。为此，通过快速、准确的检测到回转窑运行轴线，掌 握回转窑受力和运行健康状态，为该设备维护提供参考依据，并根据受力状况和运行健 康状态对回转窑运行轴线进行合理的调整，使回转窑处于安全、高效、稳定的运行，是 实现该设备健康维护的重要手段之一，也是相应企业安全高效生产、提高经济效益的关键。 论文以“回转窑健康维护便携式快速检测与分析系统 为题，围绕回转窑运行轴线 展开研究，探讨了回转窑支承系统力学状态，主体部件运行健康状态和运行轴线优化调 整方法，形成回转窑健康维护原理；并通过研究回转窑运行轴线快速检测方法，研制了 回转窑运行轴线快速检测便携式装置和开发了相应的分析管理软件系统。 全文分为六章：第一章阐述了回转窑健康维护背景及意义，研究现状，本论文的研 究内容，研究方案及技术路线； 第二章首先提出了回转窑健康维护的内容，然后分别进行了回转窑支承系统载荷分 配与轴线关系、主体部件健康状态与轴线关系的研究，最后研究了回转窑运行轴线最优调整 方法； 第三章介绍了研究的回转窑运行轴线快速检测方法： 第四章详细的介绍了研制的回转窑运行轴线快速检测便携式硬件系统； 第五章介绍了开发的回转窑健康运行分析管理软件系统，包括软件流程、主体结构 的设计，并运用面向对象程序设计语言i ) e l p h i 等开发了各功能模块； 第六章对全文进行了总结，指出主要研究结论，并对进一步的工作进行了展望。 关键词回转窑，健康维护，便携式，快速检测，分析系统 硕士学垡堡壅 塑塞 -i-_-_-_i_-_-_-一 a b s t r a c t 尉h 塔a r et h ek e ye q u i p m e n ti nt h ec e m e n ti n d u s t r y 1 f 1 圮l ( i i ni sg e n e r a lv e r yw e i g h t yt o a b o u tat h o u s a n dt o n s ，w h i c hh a s2 - 9g r o u p so fs h e l fs u p p o r t i ti st h es t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t e s y s t e mw i t ho v e rl o a d , l a r g et o r q u ea n dm u l t i s u p p o r t w h e t h e rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no f r o t a r y 虹l i l si sn o r m a lw i l la f f e c tt h ee c o n o m i cb e n e f i ta n de f f i c i e n c yo ft h ea b o v ep l a n t s a n di ti sa v e r yi m p o r t a n tt a s kf o rt h o s ec o r p o r a t i o n st om a i n t a i na n dm a n a g e t h ee q u i p m e n t s i nr o t a r yk i l nm o v e m e n tp r o c e s s ，t h ew a r po fa x i sc a u s c sm a n ym e c h a n i c a lt r o u b l ea n d s e e u r 时a e c i d e n t , s u c h 嬲她m 册d i s m 1 0 u t i o no fs u 啊) a r t i n gl o a ds e r i o u s l y , a b r a s i o n - i n t e n s i f y i n g a n dl i f e s h o r t i n go fm o v e m e n tp a r t s r a p t u r eo fw h e e la n db r e a ko fw h e e ls h a f t , w 1 l i c hl e a d st o b r e a k d o w nt op r o d u c t i o nf l o wa n dc a u s e sh u g el o s so fp r o d u c t i o n s oi ti si m p o r t a n tw a yt o m a k em t a r yk i l no p e r a t ei nc o n d i t i o no fs a f e ，e f f i c i e n c ya n ds t e a d y , t h r o u g hm e a s u r i n g o p e r a t i n ga x i ss t a t eo fr o t a r yk i l nf a s ta n da c c u r a t e l y , g r a s p i n gl o a da n dh e a l t hs t a t eo fr o t a r y 虹i n , w h i c hs u p p l ye q u i p m e n tm a i n t e n a n c ew i t hr e f e r e n c ea c c o r d i n g , a tl a s ta d j u s ta x i sr a t i o n a l a c c o r d i n gt ol o a da n dh e a l t hs t a t eo fm t a r yk i i n , a n di t i st h ek e yo fs a f ea n dh i g h - e f f i c i e n t p r o d u c t i o na n di n c r e a s i i l ge c o n o m i ce f f i c i e n c yo fc o r r e s p o n d i n ge n t e r p r i s e s n 虻d i s s e r t a t i o nt i f f e d 嬲 p o r t a b l ef a s tm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mf o rh e a l t h m a i n t e n a n c eo fr o t a r y 鼬h ，w h i c hs p r e a d sr e s e a r c hr e v o l v i n ga r o u n da x i so fr o t a r yk i i n , d i s c u s s i n gm e c h a n i c sc o n d i t i o no f r o t a r yk i l ns u p p o r t i n gs y s t e m , h e a l t h yc o n d i t i o no f m e m a i np a r t a n dt h eo p l i m i z i i 培a d j u s t m e n tm e t h o dt oa x i s , w h i c hf o r mh e a l t hm a i n t e n a n c ep r i n c i p l eo fm t m y k i l n af a s tm e a s u r i n gc q u i p m e mo fm t a r yk i l nm o v e m e n ta x i sa n dc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s m a n a g e m e n ts o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nt h ef a s tm e a s u r e m e n tm e t h o do fr o t a r yk i l n o t 删i n ga x i s t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n ( = h a p t e r0 r 虻删如s t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f r o t a r yk i l nh e a l t hm a i n t e n a n c e ，t h e p r e s e n t l yr e s e a r c hs i t u a t i o n , r e s e a r c hc o n t e n t , r e s e a r c hp l a na n dt e c h n i c a lm u t e c h a p t e rt w ob r i n g sf o r w a r dc o n t e n to fm t a r yk i l nh e a l t hr n a i n t e n a n c e , c a 啦r e s e a r c ho n m e c h a n i c ss t a t ea n a l y s i so ft h er d t 卸叮k i l ns u p p o r t i n gs y s t e m , t h em o d e l - b u i l d i n go fm a i np a r t h e a l t h yc o n d i t i o ns e p a r a t e l y , a n ds t u d yt h em o s tq 姑m i z j l 培a d j u s 缸n e n tm e t h o do f t h em t a r yk i l n o p e i * a 吨a x i s ； t h r e ei n t r o d u c e st h ef a s tm e a s u r e m e n tm e t h o do f r o t a r yk i l na x i s ； f o u re x p a t i a t e sp o r t a b l eh a n t w a ms y s t e mf o rf a s tm e a s u r e m e n to f r o t a r yk i l na x i s ； c h a p t e rf i v ei n m x h c e st h ef l o w , s m l c t u ma n dt h ef u l c t i o nm o d u l eo fr o m r yk i l nh e a l t h r n a i n t e t m n e ea n a l y s i sa n dm a n a g e m e n ts o l 凸f w a r es y s t e m , a n dd e v e l o p st h ef u n c t i o nm o d u l eb yt h e o b j e a - o f i e n t e dp m g r a n m f i n gl a n g u a g es u c ha so e l # c h a p t e rs i xm a k e sac o n c l u s i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o n , p o i n t i i l go u tt h em a i nr e s e a r c h c o n c l u s i o na n dp u tf o r w a r daf u t u 陀r e s e a r c hi nt h i sf i l e d k e yw o r d s咖h h l ，k a l m m 面傲拢呱j e ，p ( 嘲b l e 奶慨自s tm 翩鲫r e j 喊锄蛐$ 觚 一i i 硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 项目的提出及背景意义 1 1 1 项目来源 本论文课题来源于湖南省科学技术厅制造业信息化工程项目“大型回转 窑健康运行检测与最优调控系统研制”。 1 1 2项目背景及意义 在冶金、化工、建材等许多行业中，广泛地使用各种回转圆筒设备对固 体物料进行机械、物理或化学处理，这类设备被称为回转窑。回转窑是冶金、 水泥、耐火材料生产中的核心设备，它的机械故障不但带来高昂的维护、维 修费用，还将引起不可预见的停窑事故的发生，从而导致企业整个生产流程 的中断，造成重大的经济损失，因此保证回转窑安全、高效、健康地运行是 这些生产企业提高经济效益的关键。回转窑一般重达千吨，长过百米，支承 组数2 - - 9 档，是一种重载、大扭矩、多支点、静不定运行系统，其运行环 境恶劣，运行机理和运行状态极为复杂，对该设备的合理管理与维护工作成 为这些企业的难点。回转窑运行中由于支承组件的非均匀磨损、环境温度的 改变、基础的不平衡沉陷、制造安装误差等原因，其运行轴线发生偏移。回 转窑运行轴线的偏移不但加大能源损耗、降低生产效率、影响产品质量、增 加维护成本，更为严重的问题是引发多种突发性机械故障和安全事故。因为 这些故障和事故往往导致整个生产流程的中断，而回转窑是在1 0 0 0 多度的 高温运行，停窑冷却和启动升温达到正常运行需要数天，因而这种故障性停 窑将造成重大生产损失。通常故障性停窑的经济损失是正常停窑检修的数十 倍。如冶金、水泥工业生产中的大中型回转窑，一台窑停产一天通常引起数十 万元的生产损失，发生一次托轮断轴事故，不仅需更换托轮的维修费二十余万 元，而且造成数百万元( 甚至上千万元) 的生产损失，一台大型回转窑每年由此 便可造成几千万元的损失。“只要大窑转，就有千千万这句民谣就是对回转 窑安全生产重要程度的生动描述。因此，保证回转窑安全、高效地健康运行， 硕士学位论文第一章引言 是相应企业提高效率、保证质量、降低成本、创造效益的重要途径。 我国以回转窑为生产核心设备的水泥、冶金企业数百家，拥有各种类 型和规格的回转窑2 0 0 0 余台。这些企业在我国经济发展中占有举足轻重 的地位。可见，研究保证回转窑健康运行的理论与技术，不但是这些生产 企业提高经济效益的关键，同时还对我国经济稳定发展有重要作用。本论 文围绕大型多支承回转窑运行轴线展开研究，通过对回转窑健康维护原理 与检测技术的研究，开发出相应的软、硬件系统，实现对回转窑运行轴线 快速检测与信息化管理，从而保证回转窑安全、高效地健康运行。论文的 研究有着明确的工程背景和广泛的应用前景，是相应企业提高经济效益和 实现c i p s 亟待解决的关键难题，同时也符合我国目前重点推行制造业信 息化发展的方向。 1 2国内外研究现状 回转窑从发明至今已有一百多年的历史，随着科技的进步、生产的 需要及实践经验的积累，回转窑的结构日趋大型化；生产效率不断提高； 能源消耗越来越大。这相应对回转窑的运行维护理论和方法提出了更高的 要求，特别是对其运行调控、故障分析与诊断的自动化程度。回转窑是一 种重载、大扭矩、多支点、静不定运行系统，对它支承载荷分配的计算是 进行回转窑结构设计、强度校核和运行分析的基础。自回转窑发明以来， 人们一直是将回转窑筒体简化为空心连续梁，按初等弹性力学进行静不定 计算 1 - s 。设备的维护主要是一些经验方法，江旭昌综合自己和他人多年 的经验，对回转窑的托轮调整方法进行了系统总结3 。对回转窑运行轴线 检测技术的开发一直是多年的研究热点。上世纪8 0 年代初国内外开始用 经纬仪和水准仪、激光测静态窑轴线的水平。8 0 年代末开始研究运行轴线 的动态测量法n 0 _ 1 。波兰首创了滚圈位置测量法，它是用测窑仪、经纬仪 和光学垂直仪来测量滚圈外径水平和垂直切线到基准线的距离，数据由测 量员手工记录。丹麦f l s 公司研制了激光滚圈测量法，它是用带微机的激 光和电子经纬仪来测定滚圈外径上6 个光点的位置，但它不能反映出滚圈 的偏摆情况，测量精度不高。德国伯利鸠斯( p o l y s i u s ) 公司开发了一种可 一2 一 硕士学位论文 第一章引言 在静态和动态条件下测定回转窑轴线的p o l s c a n 托轮位置测量系统，它由 电子视距仪( 即由电子测角仪与红外侧距仪组成) 、便携式计算机、滚圈和 托轮周长测量仪、辐射高温计、传输设备等组成，采用测量学的方法测定 托轮轴心位置，再测量出托轮直径、滚圈直径、滚圈与简体的间隙，计算 出窑简体轴线。9 0 年代起开始研究用位移传感器测回转窑运行轴线n 5 _ 1 ， 国内武汉工业大学研制出了专用的回转窑轴线参数检测系统一“k a s ”测量 系统n 8 - 圳，它由3 个位移传感器、多路位移变送器、非接触电磁位置传感 器、磁性起始器、微型计算机、滚圈和托轮周长数学测量仪、滚圈与简体 间隙测定仪等组成。其中两个水平传感器信号计算筒体中心水平位置和平 均半径，垂直传感器信号和已测出的滚圈直径、滚圈与筒体的间隙一起计 算出简体中心垂直位置。上述这些测量方法需要一套复杂昂贵仪器，测量 中基准定位困难、操作复杂、观测误差大，完成一台窑的检测需要多个专 业的技术人员几天才能完成；测量需要通过筒体与滚圈的间隙来推算回转 中心位置，测点不多时不能消除滚圈、筒体不圆度引起的误差，测量方法 系统误差大，测量精度也不高。国内外虽然已介绍回转窑轴线检测方法， 但功能单一，未能系统地分析回转窑运行状态与轴线的关系。 回转窑运行轴线调整方面，传统的观点认为运行轴线“直”，它的运行 状态就最佳。因此，目前对其轴线的调整总是希望将轴线偏差尽可能调小。 然而由于这些载荷分布极不均匀，即使将轴线偏差调整为0 时，各档的支承 载荷分配也不均衡；其次设备部件由于结构强度的差异、承载不同等因素， 已受到的疲劳损伤和剩余寿命不一致，轴线偏差调整为0 ，即使能使支承载 荷分配均匀也不合理；再者回转窑属大型的重要设备，根据规程对它的调整 一次不能太大，轴线不可能完全调整为直线。所以说这种轴线偏差完全向中 心调整的方法存在着很大的盲目性，并不能将设备调整到使各关键部件达到 最优状态运行。 近1 0 年，随着机械设备故障诊断理论与测试技术发展，回转窑维护理 论与技术研究得到了进一步的探讨，取得了相当大的成果。湖南科技大学李 学军教授对回转窑运行轴线检测方法进行了深入的研究：应用传感技术与信 一3 一 硕士学位论文第一章引言 号分析处理知识研究了几种轴线检测方法凹2 - 圳，实现了对回转窑运行轴线 的快速检测；同时对回转窑支承系统的力学、强度、疲劳寿命等进行深入的 研究妇5 _ 2 7 1 ，并对回转窑开展了调窑优化理论的研究乜8 _ 3 ；在理论与技术研 究的基础上开发了回转窑运行轴线在线监测系统n 引，实现了回转窑运行轴线 的动态监测，在实际生产中获得了较好应用。但是，由于回转窑运行在高温、 多尘等恶劣环境，对监测系统的稳定运行与维护检修造成了很大影响。同时， 监测系统运行时，需要每台窑每档位安装一套监测装置，系统硬件配件过多， 设备投入和维护费用高，不便于在线监测系统的使用以及推广应用，再加上 回转窑运行状态变化相当缓慢，进行在线监测并不十分必要。 综上所述，通过对回转窑运行轴线快速检测技术和回转窑健康维护原 理的研究，研制出传感器安装、定位快捷，测量操作简单，测量精度高，携 带使用方便，无需外接电源的回转窑运行轴线快速检测便携式装置和开发 出相应的分析、管理软件系统，通过信息管理技术对回转窑运行轴线检测 与综合分析管理，达到对回转窑健康维护的目的，是相应企业降低设备维 护、维修费用，提高生产效率、增强经济效益关键所在，同时也顺应了回 转窑设备维护理论与技术的发展趋势。 1 3 论文主要研究内容 本论文围绕回转窑运行轴线展开研究，通过对回转窑支承系统力学状态 与轴线关系，主体部件健康状态与轴线关系和运行轴线优化调整方法进行 研究，并通过研究回转窑运行轴线快速检测方法，研制出回转窑运行轴线 快速检测便携式装置和开发出相应的回转窑健康运行分析管理软件系统， 具体包括如下几个方面的内容： 1 对回转窑健康维护原理研究主要围绕着回转窑运行轴线展开研 究，具体内容包括：回转窑支承系统的力学状态与轴线关系，主体部件的 健康状态与运行轴线关系，回转窑运行轴线优化调整方法。 2 回转窑运行轴线快速在线检测技术研究。研究出测量精度高、传 感器定位、安装快捷，能实现回转窑运行轴线不停窑快速检测的方法。 硕士学位论文第一章引言 3 回转窑运行轴线快速检测便携式硬件系统。研制出便携式运行轴线 快速检测装置。该装置传感器安装、定位快捷，自带电源，操作使用方便。 4 回转窑健康运行分析管理软件系统。开发出适用于不同企业、规 格回转窑运行轴线综合分析与管理的软件系统。 1 4 论文研究方案及技术路线 本论文研究围绕回转窑运行轴线展开，对回转窑力学状态、健康状态 建模、最优运行轴线调整方法进行研究，形成回转窑健康维护原理；并在 研究回转窑运行轴线检测技术的基础上，研制出一种便于携带适于现场使 用的回转窑健康维护的便携式快速检测与分析管理系统。该系统能实现对 回转窑运行轴线的快速检测，能自动建立关键部件力学状态、健康状态与 其轴线状态的关系；从而通过轴线检测及对轴线状态的综合管理与分析， 来掌握设备的健康状态；通过优化分析出设备健康运行的轴线调整参数指 导调窑，达到对设备健康维护的目的。论文具体研究思路及技术路线如下： 1 根据回转窑支承载荷求解通用力学模型和回转窑支承载荷分配求 解通用求解方程，进行多支点静不定系统程序化求解的通用方法的研究， 编制出相应的计算软件，在不进行载荷和刚度简化的情况下对回转窑计 算，得出托轮支承力与轴线偏差的线性关系式；根据回转窑的主体部件的 特点和力学状态分析的结果，建立主体部件疲劳状态与轴线偏差关系的模 型；根据运行轴线偏差变小，各托轮支承力均衡，主体部件疲劳寿命最合 理，设备处于最佳的运行状态，对回转窑运行轴线综合管理与分析，进行 回转窑运行轴线优化调整方法的研究。 2 从回转窑现场工况着手分析，根据回转窑运行特点，研究出回转 窑运行轴线快速在线检测方法。 3 根据研究的回转窑运行轴线快速在线检测方法，研制出相应的传 感器安装支承装置，并结合集成式信号采集装置和笔记本电脑，形成便携 式回转窑运行轴线快速检测硬件系统。 4 根据检测方法和上述的研究结果，开发出回转窑健康运行分析管 理软件系统，该系统具有如下功能： 一5 一 硕士学位论文 第一章引言 ( 1 ) 窑参数输入； ( 2 ) 支承载荷求解； ( 3 ) 检测参数设定； ( 4 ) 轴线动态检测； ( 5 ) 轴线历史查询； ( 6 ) 托轮力查询； p ( 7 ) 给出合理的轴向运动调控参数； ( 8 ) 提供最优运行优化调整等。 1 5 本章小结 本章首先阐述了论文课题来源、背景及意义，国内外研究现状；然后提 出了本课题的研究内容，研究方案及技术路线。 一6 一 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 第二章回转窑健康维护原理 回转窑是水泥、冶金、化工等行业生产流程中的核心设备，通常重达 千吨、长过百米，支承组数为2 9 档，是一种重载、超长、多支点、静 不定运行系统。回转窑由于形大体重其支承结构采用多组托轮支承形式， 结构简图与实物如图2 1 2 2 所示。图中主回转体为筒式结构，用于放置 加工物料和固定辅助装置；滚圈是一个矩形截面的圆环，起着减小支承位 置筒体截面变形的作用；每档( 组) 支承由两个托轮、轴承和基座组成，托 轮一般与铅垂线成3 0 0 夹角支承滚圈，托轮两端由滑动轴承支承在基座上； 工作时由传动装置驱动筒体回转，靠摩擦带动托轮转动。 a l 图2 1 回转窑结构简图 a a 图2 - 2回转窑实物 回转窑运行中由于支承组件的非均匀磨损、环境温度的改变、基础的 不平衡沉陷、制造安装误差等原因，其运行轴线发生偏移。据多年的经验 总结，当回转窑筒体运行轴线偏差达到士1o m m 时，支承弯矩和筒体应力约 增加3 倍，托轮上的支承压力增加1 倍3 。因此，回转窑运行轴线偏移， 对其各部位受力和各部分机械磨损有重要影响，从而使设备零部件寿命急 一7 一 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 剧缩短，引发了一系列的机械故障， 面 3 4 - 4 53 1 使驱动力矩和电机功耗增加， 等现象，甚至使筒体回转运行中断； 增加故障率。主要表现在以下几个方 驱动部件出现爬行、脉动，振动加剧 2 使回转窑简体承受除正常应力以外的附加交变应力，容易使简体产 生疲劳裂纹、裂缝，甚至折断； 3 使各处运动部件受力过大和不均，从而使磨损增加，寿命缩短。特 别是大齿轮的齿面、筒体和滚圈表面、托轮、托轮轴、轴瓦等运动部件受 力大大恶化，使这些零部件表面出现点蚀、掉渣、鳞片状脱落，楔状掉块， 甚至发生托轮压裂、托轮轴扭断、烧瓦等设备事故； 4 使部分简体产生过大的径向变形，从而使筒体内衬受力不均，衬砖 容易松动、脱落，发生“红窑 事故，中断生产； 5 简体转动时两端发生偏摆，导致窑头、窑尾密封不严，大量的物料 和热空气喷出窑体，损失能量和污染环境； 6 影响窑内物料运动，从而影响产品质量； 7 受力不均加剧了支承组件非均匀磨损和基础不平衡沉陷，加大了运行轴 线偏移。 综上所述，回转窑运行时设备的力学、运动、强度、寿命状况和产品质 量等都与它运行轴线息息相关。因此，回转窑健康维护原理的研究，主要是 围绕其运行轴线展开：通过研究回转窑力学、健康状态与运行轴线的关系， 实现根据回转窑运行轴线状态的检测，来掌握回转窑的力学与健康状态；通 过对轴线状态的综合分析与管理，进行回转窑运行轴线最合理调整，保证回 转窑处于最佳运行状态，为实现对回转窑健康维护提供理论与技术指导。 2 1支承载荷分配与轴线关系 大型多支承回转窑重达千吨、长过百米，支承组数2 9 档，是一种重 载、大扭矩、多支点、超静定运行系统，其总体结构如图2 - 3 所示。回转窑 每档支承由两个托轮和滚圈组成，滚圈支承在分别与垂直方向成3 0 0 角安装 的两轮上，筒体活套在各档滚圈里，支承系统示意图如图2 3 所示。回转窑 一8 一 硕士学位论文 第二章回转窑健康维护原理 窑体处在高温、冲击、振动、露天的工 作环境下，运行时力学状态极为复杂， 但主要决定于运行轴线的状态。设备运 行中，由于不均匀的热膨胀、磨损等原 因，其运行轴线不断变化，支承载荷分 配也就不断恶化，到一定的程度需及时 做出调整，否则将导致一系列机械故障， 带来巨大的经济损失。生产中为实现对 k 工一 ii x x 1 yr y 厂、 ：伊nj 黎骖 回转窑设备的科学管理和优化调控，保 图2 - 3回转窑支承系统示意图 证回转窑安全、高效地运行，需要准确、及时地掌握它的支承载荷分配情况。 因此建立回转窑支承系统载荷分配模型，准确掌握支承载荷分配与轴线偏差 的关系，寻求一种回转窑支承载荷程序化求解的通用方法，成为本章回转窑 健康维护原理的重要内容。 2 1 1回转窑支承载荷分配建模 以回转窑理想轴线为工轴，垂直方向为y 轴，水平方向为z 轴建立坐标 系。如图2 - 4 所示，在垂直面内建立回转窑支承载荷求解通用力学模型。 设简体的抗弯刚度沿x 方 向分成s 段等刚度段，中间 变刚度截面s 一1 个。第k 段 两端的变刚度截面坐标为 靠- l 、黾，其抗弯刚度为 e l k 。将载荷按等刚度段分 类、编号，设第k 段内作用 有k 个集中力砌，其作用 面坐标为；个均布力 q 蔚，其两作用端坐标为 图2 4 回转窑支承载荷求解通用力学模型 一9 一 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 嘞、+ k 。设回转窑支承档数为m ，令n = m + l ，则回转窑包括窑头和窑 尾共有n + 1 个支承，依次排列为0 , 1 ，2 ，刀。设第f 个支承坐标为x 尉，它位于 第七( j ) 段梁内，承受的支承载荷为蜀，支承偏差为y e 。窑头、窑尾的转角 为岛、“。当窑头、窑尾偏差小于允许偏差量时，有r = 0 、r = o ，窑头、 窑尾为悬臂端，y o 、y 。需要求解出；当窑头、窑尾偏差大于允许偏差量时， 让y o 、y 。等于允许最大偏差，窑头、窑尾为简支支承，凡、焉为未知；当 所有载荷为0 时，垂直面模型便转化为水平面模型；当某档支承出现负载 荷时，去掉该档支承，其余条件不变重新计算。可见建立的回转窑支承载 荷求解力学模型具有很好的通用性。 对图2 4 所示的回转窑通用力学模型，定义求解向量： x = 眦，0 0 ，r ，r i ，r 2 ，r - l ，兄，吼。】t ，y t 代表窑头偏移；y w 代表窑尾偏移。x 共 有n + 5 个未知数，需n + 5 个方程进行求解。按求解向量x 顺序排列，写成 如下矩阵形式为4 63 ： l4 j j 00 l 1 4 0 刀4 0 2 2 彳a 兰j 。x = 丑口+ 曰， 2 - 1 i。i 。 解式( 2 1 ) 可得： x = 彳- j b 口+ 彳丑， ( 2 2 ) 定义支承偏差向量l ，：陟。：，y m 】t ，支承载荷向量r ，= k 。，b ：，】t ， 由式( 2 2 ) 得出载荷与偏差的线性关系通式4 们： r ，= k o + k y ( 2 3 ) r ：= k z ( 2 - 4 ) 上式中向量k 。为支承载荷分配常数向量，它是支承偏差为0 时各支承的载 荷分配值；矩阵k 为支承系统的刚度矩阵，它反映回转窑支承载荷对支承偏 差固有的响应特性。 以如表示各档左边托轮的支承力，r b , 表示各档右边托轮的支承力，g f j 表示滚圈重力，下标i 表示各支承档位。每档两托轮的支承力的合力在z 方 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 向与y 方向分量分别为r 。和如， f 标i 表不文承档位，根据图2 - 3 的力学模 型由力学关系有( 由于轴向力和传动摩擦力与支承系统支承力相比很小，可 忽略不计) ： 孚如+ 譬如= 如+ g f f 沼5 ) 一吾尺撕+ 三尺酗= r 州 ( 2 - 6 ) 联立上式解得： 如= 孚+ 如+ 孚g f f ( 2 - 7 ) 耻鱼3 肌y 孚瓯 ( 2 - 8 ) 在z 方向与y 方向分别建立回转窑的程序化求解力学模型，求出各档支承合 力在z 方向与y 方向分量如和心，由式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 可得到各托轮上的载 荷分配。以m 表示回转窑支承档数，定义左边托轮支承力向量 r 。= 陋小心：，】t ；右边托轮支承力向量r 。= 阮。，民：，】t ，滚圈 重量向量g i = 【g ，。，g ，：，g f 册】t 。展开得回转窑托轮力计算线性公式： r 。：，- 7 3 - k 。+ 粤g i ) + 譬k y + k z ( 2 - 9 ) _3 3 r 。= ( 等k o + 鱼3g i ) + - 压3 - k y - k z ( 2 - 1 0 ) 2 1 2 回转窑支承载荷分配程序化求解 采用m a t l a b 和d e p h i 语言混合编程开发了回转窑支承载荷分配建模模 块。支承载荷分配建模求解通用系统软件结构如图2 - 5 所示，主要包括参数 输入、计算处理和结果显示3 个模块。 1 参数输入： 支承载荷分配建模求解计算前必须进行参数设置，参数设置包括了支 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 承位置支承、刚度、集中力、均布力、滚圈 参数等五项参数设置。同时界面以示意图的 形式显示出各个物理量的特征。 2 数据的计算和结果显示： 参数设置完毕后，点击计算按钮， 计算程序是在m a t l a b 语言环境下设计，利用 了m a t l a b 对数据处理计算的优势。系统运行 完后便得出托轮支承力计算线性公式。显示 结果包含：支承力计算线性公式，刚度系数 系数矩阵 线性计算公式 矩阵。通过该模块可进行窑的支承载荷建模，广1 h l= ：i 根据得出的线性公式可方便的计算出回转窑 图2 - 5 求解系统软件结构 各档托轮支承力。 2 2主体部件健康状态与轴线关系 目前由于对该设备运行的力学机理不是很清楚，对设备运行状态的检测 与预测没有系统、成熟的技术，企业生产中对该设备的管理与维护普遍采用 的是计划维护与事后维护体制，在一些技术手段好的企业实行计划维护、状 态维护和事后维护并存的体制。在目前的技术手段条件下，绝大多数回转窑 企业的状态维护技术水平还是相当的落后，检测与诊断主要依靠有经验的技 术人员凭人的感官、经验方法获取特征参数、凭积累的经验做出判断。总的 说来，目前对回转窑的维护体制还是属于一种早期的、低水平的设备管理制 度，生产中由于维护不到位造成的经济损失严重。实现对设备管理的健康维 护( 状态维护和预知维护) 是设备管理制度的发展方向，对回转窑这种流程生 产工业中的核心设备实现设备健康维护尤为重要。根据经验，回转窑生产中 最易发生的故障是托轮断轴、压裂。在状态维护中，通过对运行轴线的检测、 轴瓦油温的检测，判断回转窑工作状态的受力是否合理；通过对简体温度的 扫描，发现简体内窑衬的脱落、压溃等情况；通过对支承系统的振动检测， 诊断支承轴是否存在疲劳裂纹；通过对设备的巡检，发现筒体、滚圈、托轮 出现的表面裂纹等常见故障。综合以上这些检测结果，判别回转窑的运行状 一1 2 一 硕士学位论文 第二章回转窑健康维护原理 态和健康状态，制定维修计划和进行运行状态优化调整。在预知维护中，通 过对运行轴线的检测，预测托轮、托轮轴的健康状态；通过对支承系统的振 动检测，预测支承系统各托轮轴的疲劳断裂。根据这些预测结果，制定维修 计划和进行运行状态优化调整。回转窑健康维护体制所需实施的检测与诊断 技术中，简体温度扫描、轴瓦温度检测和人工巡检是目前回转窑生产企业普 遍能采用的技术手段。对轴线的在线检测与优化调整、主体部件的健康状态 建模与预测等是目前尚未有的技术，是实施回转窑健康维护需要解决的关键 问题。 2 2 1托轮支承轴健康状态建模 托轮支承组件由托轮、托轮轴和支承轴承组成，托轮加热后压装在轴上， 轴支承在两端的滑动轴承上，支承组件安装示意图如图2 - 6 所示。托轮轴的 疲劳裂纹一般出现在托轮端面轴的高应力集中部位，如图2 - 6 所示轴肩位置。 图中厶为支承到轴肩的距离，三：表示托轮固定在轴上的长度。回转窑筒体、 图2 - 6 托轮支承组件示意图图2 - 7 托轮及轴受力示意图 窑衬、物料等所有回转部分上千吨的载荷，通过滚圈施加到支承托轮上。滚 圈与托轮之间靠摩擦力进行传动，带动托轮轴和托轮克服轴端的摩擦力矩而 转动。托轮组件受力示意图如图2 7 所示，图中尺为分配到该托轮上的载荷； e 表示滚圈与托轮之间产生的摩擦力；g 表示托轮与托轮轴重力；n 表示轴 端支反力，与铅垂方向的夹角为口ge 表示轴端摩擦力，表示摩擦系数， 一1 3 一 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 有e = 。由于轴两端对称，两端的支反力和摩擦力相等，图中只画出了 轴一端的受力情况。以支反力n 和摩擦力最方向建立r - 孝坐标，由r 、孝方 向的力学平衡关系有： 2 n = r c o s ( 3 0 0 一口) - f 2 s i n ( 3 0 0 - a ) + c , c o s a( 2 11 ) 2 互= 一g s i n ( 3 0 0 - a ) 一f 2 c o s ( 3 0 0 - a ) + g s i n a( 2 - 1 2 ) 由摩擦力e 产生的力矩与托轮轴两端e 产生的力矩平衡，设托轮半径为r 2 ， 设托轮轴半径为吒，有如下关系式： 岛r 2 - - 2 互1 ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 3 ) 有： e = 三置盖等 口 将式( 2 - 1 2 ) 代入式( 2 1 3 ) 有： e = 三案嚣等 弘 联立式( 2 - 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 可得： g s i n a r s i n ( 30 0 一口) g c o s a + r c o s ( 3 0 0 一口) +一(301 q c o s ( 3 0 0 一口)土+ 生洲3 0 0 一口) + o 一口)二+ 1 s i n ( 3 0 0 一口) 吃，2 解上式得： 仪= o 七a r c s i n 热= 嗍裟 如 ，2 z ( 2 1 6 ) 定义托轮轴轴线方向为x 轴，在，7 一x 和孝一x 平面内托轮轴受力图如图2 - 8 所示。q 玎。为托轮轴厶段在，7 方向上的均布载荷，g 叩：表示托轮轴厶段的均布 1 4 - - 硕士学位论文 第二章回转窑健康维护原理 载荷；q f l 表示托轮轴厶段在孝方向上的均布载 荷，如：表示托轮轴厶段的均布载荷；以g l 表 示托轮轴的重量，g ，表示托轮重量，托轮与 托轮轴的重力g = g t + g 2 。g 吁l 、g 叩2 、9 刳和2 表达式为： g 。 l2 瓦葛s 口 目- 1 吼i 川川。 日 r “r 一 1 l ri 吼 吼- “l ， 口 t ，“i “。 ， ，i 1 上1 t 图2 - 8 托轮轴受力图 = 等等+ c 丽g i + i g 2 一警等掣 弛：- - l 1 s i i l 口 g 副2 丽锄口 一半+ ( z - g 酉1 + 争口一警等簧宁 根据托轮及托轮轴的上述受力分析，以托轮轴左端支承为x 轴0 点，可 写出托轮轴的弯矩和扭矩表达式。 ( 1 ) 当0 x l l 时： m 口( x ) ： k 一要g 吁，x 2 m e ( x ) ：互x 一昙g a z ： r ( 功= 互 ( 2 ) 当厶 xsl l + 三2 时： ( 加舨一三厶( 2 x 一厶) 一知：( z 一厶) 2 m e ( x ) = 互石一1 。厶( 2 x 一厶) 一弘1 ：o 一厶) 2 m m ，1 一等( 川) 一1 5 一 硕士学位论文 第二章回转窑健康维护原理 ( 3 ) 当厶+ 三2 x 2 厶+ 三2 时： m 玎( x ) = n ( 2 a + 三2 一功一j 1g 棚厶( 2 厶+ 三2 一x ) 2 蜂( x ) = f l ( 2 l i + 工2 一x ) 一弘1 。厶( 2 厶+ 三：一曲2 t ( x ) = 一e 1 上式中r 表示扭矩，m 叩( x ) 表示，7 一x 平面内弯矩，m f ( x ) 表示孝一x 平面内弯 矩，以m ( x ) 表示合弯矩有： m ( x ) = m ；( x ) + m ；( x ) 根据材料力学理论，托轮轴轴线方向各截面的最大弯曲应力q 搬和最 大剪切应力删都在其表面，它们的表达式分别为： 仃懈( x ) ：4 m 了( x ) f 一( x ) ：2 t ( x 丁) 上式中，表示圆截面半径，轴的中间部分，= r 2 ；轴其余部分，= ，l 。一般，2 是 ，1 的3 4 倍；同时在托轮端面轴肩位置由于轴尺寸的变化，存在应力集中， 所以这个位置为危险截面。设危险截面表面上的最大弯曲应力大小为q 嗽； 最大剪切应力大小为互呶。根据第三强度理论，托轮轴表面弯扭合成的等效 等幅对称应力为： o d ；盯二+ 4 0 p ，) 2 上式中纯为剪切应力不对称循环度系数，对于钢结构的零件，舛= 1 3 。同 时考虑到零件的应力集中、零件尺寸、表面状态的影响，对于钢结构的托轮 轴其等效应力幅为： 卟c 去u 2 + 扣 陋 式中，k 为有效应力集中系数，为尺寸影响系数，以为表面状态影响系 数，各系数根据托轮轴具体结构由相关手册查得。以o r 一。表示托轮轴材料的 一1 6 硕士学位论文第二章回转窑健康维护原理 疲劳极限，万表示安全系数，则托轮轴疲劳强度判据的表达式为： n o d 口一1 式( 2 19 ) d p ，盯一。表示托轮轴材料的疲劳极限；n 。为对应疲劳极限的循环次 数，一般取n 。= 1 0 7 次；n d 表示应力c r d 作用下的极限的循环次数；七为材料 的疲劳特性常数，对于钢结构后= 5 。对于具体的回转窑，其结构参数不变。 从前面分析结合式( 2 - 1 7 ) 、式( 2 - 1 8 ) 和式( 2 - 1 9 ) ，托轮轴损伤量只与载荷r 有 关，可见托轮轴疲劳损伤量d 与载荷r 和轴线偏差都成对应函数关系。以玩 表示左侧各托轮轴疲劳损伤量，巩表示右侧各托轮轴疲劳损伤量。定义左 侧托轮轴疲劳损伤向量d 。= 【d 口。，见：，d 删】t ；右侧托轮轴疲劳损伤向量 d b = 慨。，d b ：，d b 肿】t 。由式( 2 19 ) 、式( 2 2 0 ) 可得支承系统各托轮轴疲劳损伤 量与轴线偏差的函数关系： 。d ：羔譬z z j 亿2 。， b = ( y ，) 、。 以s 。表示左托轮轴剩余寿命向量，s b 表示右托轮轴剩余寿命向量， s = b 巾s 口：，s a m 】t ，s 。= s b l , ：，$ b m 】t ，、s b i 表示各托轮轴剩余寿命；e 为元素均为1 的mx l 向量。d j 、d b j 表示第歹次运行中支承系统托轮轴单次 循环受到的损伤；