大型回转窑力学性能分析及轴线检测系统研究

摘要：本文对回转窑的力学性能进行分析，并介绍一种基于摄像头采集数据的轴线检测系统。利用连续梁理论和筒体理论，结合位移函数和边界条件理论分析了筒体和支承系统的受力，并进行有限元分析各部分受力，得到了各部分应力分布。同时介绍了摄像头采集轴线水平和垂直偏差的原理，通过数据处理与传输模块发送到上位机动态显示，整套系统在实验室模拟效果较好。本系统安装便捷、成本低，可在大型检测中得到推广。

关键词：回转窑 有限元分析 应力分布 摄像头 检测系统

引言

回转窑属于大型加工工业设备，由筒体、支承系统组成。回转窑的运动条件有限制，长期运转需要较大的强度 和刚度，筒体表面的应力高达几十兆帕[1]，在支承部位，接触面积小，载荷集中，压强极高，很容易变形。回转窑的应力强度可按照材料力学连续梁的理论[2]，抽象出较简单的模型，还需要考虑许多的复杂的受力负载过程。回转窑力学分析很重要，各档位受力优化限制很有意义。

大型回转窑轴线检测有很多方法，回转窑的动态检测对分析轴线变化、筒体位置变化尤为重要。较为成熟的检测方法有非接触测量法、李学军等人提出的时域分析法[3]、 方向键法[4]，武汉工业大学张云发明了了一种 “ ”测量系统[5]，提高了轴线检测的精度，并在企业得到了推广。这些检测方法受到制造安装等方面的限制，存在一定的缺点。文献[6]分析了轴线的优化指标，文献[7]设计了一种回转窑椭圆度的测量装置，文献[8]研究了筒体轴向的弯曲变形和筒体的表面圆柱变形等问题，分别从不同的角度对回转窑的安全指标进行检测。本文基于回转窑力学性能分析，采用摄像头作为检测传感器，并在实验室模拟检测，收到一定的效果，检测方法可以推广。

1.回转窑力学性能分析

回转窑包括筒体和支承系统，筒体长径比较大，可抽象为连续梁模型。在考虑变形的情况下，筒体可视为环形变截面的超静定梁来计算载荷。回转窑的支承系统主要通过多个档位的托轮及轮带，支承系统的受力压强等量受到接触面积的影响，在与筒体接触的地方载荷较大，筒体损坏较为严重。

1.3.2有限元模型建立

利用有限元分析，求解各部分受力情况。

首先对模型进行有限元网格划分，利用不同的划分方法来划分筒体轴向和轮带轴向，划分为若干区域。在支承部位存在较高的集中力，网格加密处理，主要包括两托轮与筒体接触部分和物料与筒体接触部分。

其次需要施加边界约束。回转窑的窑头和窑尾可看做自由边界，根据接触区半宽计算公式，在轮带与托轮的接触区施加径向约束；轮带与挡轮接触区施加垂直于接触面方向的约束；约束环向刚性转动，在筒体部分表面施加环向约束，远离出料口端部表面。

最后施加载荷。根据1.1-1.3节的分析知，回转窑的载荷可分为三类。第一，回转窑筒体、物料、耐火砖等重力；第二，大齿圈作为动力来源，提供一定的转矩载荷；第三，摩擦阻力载荷，主要包括各档位的摩擦阻力，施加到模型，并保证模型处于平衡状态。

2.回转窑轴线检测系统

这里开发一种基于摄像头循迹的轴线检测系统，能够克服安装难，成本高等问题，在一定的精度范围内实现检测，在实验室试验效果较好。

2.1摄像头检测优点

2.1.1实现无损检测

无损检测是在不损坏或不影响被测对象使用性能的前提下，利用物理性质，如光照、电磁等对零件、设备等进行检测的技术。随着工业和检测技术的发展，无损检测将成为检测系统的主要检测方式。摄像头作传感器的检测可看做是利用光线采集数据，目前发展较快的利用光线的技术是射线检测。

2.1.2检测范围广、效率高

摄像头作为采集数据装置，凭借其较大的视野可以检测到更多的数据，虽然存在死角，但对于需要检测的水平和垂直直线度来说已经足够了。另外相对于传统检测系统，无需安装其余形式的传感器，这大大提高了数据处理的效率。

在窑的一周上粘贴感应条，材料具有一定的塑性，颜色为黑色和白色，黑色为小块。摄像头检测的影响为图4下部的影像，根据检测边界可确定y方向的中心线，即L/2的位置。若筒体转动角速度为 ，摄像头固定部分距理想筒体最高点为 ，则转动过程中，黑点从3位置转到2位置的时间通过计数可以得到联立上式可求得 偏移量 和边缘点的曲率半径 ，由此便确定了该档位处的回转中心。

整个筒体的检测原理主要是寻找感应条的位置，则感应条所在截面的回转中心可根据上面求单个截面的原理计算。筒体感应条的位置可排布在各个档位或等距排布，摄像头可视范围可视作正态分布，如图2（b）右下角图所示，所以感应条位置确定，便确定了各个感应条的回转中心，而各回转中心的连线即是筒体的回转轴。

2.3系统构成及结果

实验室模拟回转窑的轴线检测，硬件系统主要包括信号采集部分的摄像头，数据处理模块、数据传输模块等，具体包括 芯片一块、串口通讯设备、 发送与接收节点、上位机显示模块等。筒体有两种，圆柱和椭圆筒。直圆柱半径50cm，长1000cm，椭圆柱长轴长60cm，半长轴40cm，长1000cm。实验室模拟的目的是保证在相同的情况下，正圆柱与椭圆柱轴线重合情况，取样时间为4小时，一小时为一间隔，取平均值。根据检测原理，系统需要对采集的数据处理，并通过上位机动态显示。由原理知检测感应条移动时间、间距等，计算偏移位置和偏移量，发送到上位机显示。多次连续采样后即实现动态处理与动态显示。3.总结

大型回转窑是水泥、冶金等加工工艺的重要装备，回转窑的受力和轴线变化受到广泛关注。本文对回转窑受力进行理论分析，利用筒体理论等知识，并作合理假设，利用Pro/E进行有限元分析。对于轴线检测，本文采用摄像头采集数据，对数据处理并发送到上位机动态显示，设计了一整套收集-处理-显示的系统，在实验室搭建的模拟筒体上进行试验，采集了一些数据。这个系统运行良好，实现了轴线的动态检测。

4.参考文献

[1]周贤，刘义伦，赵先琼，等，回转窑筒体应力分布研究[J]，湘潭矿业学院学报， 2002（4）： 42-45；

[2]刘鸿文，材料力学[M].4版，北京：高等教育出版社， 2004：74-79；

[3]李学军，刘义伦，周国荣，等，回转窑运行轴线动态测量时域分析法[J].有色金属，2001， 53 （2）： 45-48；

[4]李学军 朱萍玉，回转窑运行轴线检测研究[J]，制造业自动化，2001，23（8）：32-34；

[5]张云，一种回转窑轴线测量的方法和测量系统，中国发明专利号：90101485.0；

[6]李学军，刘义伦，肖友刚，李小斌，大型多支承回转窑运行轴线的调整优化[J]，中国有色金属学报，2002，5：897-901；

[7]张云，蔡长青，一种回转窑椭圆度的测量装置[J]，水泥工程，2006，5：60-65；

[8]张云，郑维云，回转窑筒体轴向弯曲变形和表面圆柱变形动态检测方法[J]，水泥工程，2011，2：66-69；

[9]周瑞平，姚世卫，张昇平，李冰融，三弯矩方程的理论研究及在轴系校中中的应用[J]，武汉理工大学学报，2005，5（27）：76-79；

[10]冯锡兰，等，工程力学[M]，北京航天航空大学出版社，2012，6：270-275；

[11]芝伦，弹性力学[M]，下册，北京：高等教育出版社，2006，197-200；

[12]王和慧，谢可迪，陈一凡，等，大型回转窑筒体结构的力学行为分析[J]，机械强度，2020，32（4）：606-616；

[13]王和慧，程静，周金水，大型回转窑支承系统的力学行为分析[J]，机械强度，2012，34（1）：077-085；

5. 作者简介

马家威，男，本科，主要从事机械设计制造及其自动化等方面的研究。

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