一种监测和减少旋转体托轮在水平面歪斜的方法及系统

1.本发明属于大型旋转煅烧设备自动检测和监测领域，特别涉及一种对旋转体的托轮轴向力进行测量和调整的系统，具体是对一种2挡及以上多支撑回转窑托轮在水平面歪斜进行监测和调整校准的方法，以及对托轮轴向力进行在线检测和监测的仪器系统。


背景技术：

2.旋转体机械设备包括：回转窑、干燥旋转窑、冷却旋转窑等。回转窑是水泥、有色和黑色冶金、化工、耐火材料等工业的重要烧成设备，水泥回转窑一般由2挡及以上多挡托轮支撑筒体长期连续运行，窑体长度约70米。回转窑相对水平面都有微小安装斜度，故窑因重力会在各支撑托轮上产生轴向推力。为了避免回转窑轴向运动，所有托轮承受回转窑的轴向推力。为了使回转窑各托轮轴线与筒体中心线在空间平行，需要定期精密测量托轮轴线的空间位置。在窑长期运行中，由于窑墩和托轮基座的不均匀沉降、托轮空间位置的偏移和错误调整、窑筒体弯曲变形等原因，都会导致个别托轮轴向力的超载，致使该托轮轴瓦端面与其轴止推盘面接触摩擦发热而引起烧瓦故障，最后引发回转窑停产事故。以日产5000吨水泥回转窑为例，更换一个托轮的成本约30万元，更换一个托轮的工期至少2天左右，该窑停产一天产值损失约佰万元以上。托轮轴向力超载烧瓦停产这类故障约占窑总停产事故50％，它们给水泥回转窑企业造成巨大经济损失。
3.目前对回转窑及托轮轴线校准的主流技术是常规的空间位置测量，由于回转窑运转几年后，托轮已没有原始规则形状的表面作测量基准，调整托轮过程中也没有轴向力实时信息反馈，无法证明其调整的正确性，仅凭人为主观感觉来调整托轮在水平面的歪斜。故传统的空间位置测量精度一直不能满足托轮调整的实际需要。
4.目前国内外对托轮轴向力的监测技术研究甚少，国际上仅有美国菲利普斯窑服务公司(phillips kiln services inc.)申请了几个相关美国发明专利，其最近的代表作是美国专利局2013年9月26日公告的“托轮在水平面歪斜的调整方法及系统”(system and method for setting roller skew)美国发明专利号：us 20130247687al。该监测系统是在回转窑所有托轮外壳上(平行于托轮轴线)固定安装一个角度倾斜传感器，这些倾斜传感器各自与该监测系统的一个电脑处理机连接。该系统监测和调整回转窑托轮水平面歪斜及轴向力的方法原理是：
5.当回转窑顺时针旋转一个时间段，该系统的电脑处理机测量所有托轮在垂直面角度倾斜数据一个平均值，即第一推力数据值；当回转窑逆时针旋转相同一个时间段,该电脑处理机测量所有托轮在垂直面角度倾斜数据的另外一个平均值，即第二推力数据值；该电脑处理机算出所有每个托轮的第一与第二推力特性数据值之间的幅度差；按顺序调整回转窑序号1托轮的一个轴承水平面歪斜的位置，直到该托轮的第一与第二推力数据值之间的幅度差低于预定的阈值。这样按照顺序调整下一个托轮，直到所有每一个托轮在水平面都调整到轴推力的“中性位置”，即每个托轮轴线均与窑筒体中心线在空间都基本平行。
6.上述几个美国或欧州的现有专利技术，其存在的共同问题是：
7.(1)上述专利实施前提是回转窑必须能够双向旋转，但是在包括中国及国外在内的全世界90％以上的回转窑，它们只能向一个方向旋转，而不能双向旋转。因此上述专利均不能在全世界90％的回转窑上应用，其实用性受到极大限制。
8.(2)现有发明均使用角度传感器监测托轮在垂直面角度的倾斜变化，特别是要求角度倾斜传感器的最小测量精确度为1秒。由于回转窑托轮的工作在露天，现场存在露天阳光暴晒、大雨淋湿、空气潮湿、湿度变化较大、夏季70度高温和冬季低温-10度、灰尘和碎屑严重等非常恶劣环境，故该角度传感器既需要高精度又必须经久耐用。因此，该角度传感器制造价格必然高昂(至少0.5—1.0万元/个)。


技术实现要素：

9.本发明要解决的主要问题是：解决目前回转窑托轮校准方法和现有相关发明专利的不足，只需旋转体设备向一个方向旋转既可以实现托轮在水平面的精确校准，明显减少和消除托轮轴向力超载引起托轮轴瓦烧瓦停窑事故，适用任何类型回转窑设备。
10.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
11.一种监测或减少运转中旋转体多个托轮在水平面歪倾的系统，所述旋转体通过筒体外轮带被各轮带下部左右侧设置的托轮所支承，在轮带侧面以接触轮带的方式设置挡轮，挡轮设置有挡轮液压系统；其特征在于：
12.以不改变挡轮液压系统结构的方式，在旋转体的挡轮液压系统油路中安装1个压力传感器，该压力传感器设置为把所测压力信号通过无线或有线方式发给一个计算机系统；
13.以不改变旋转体结构的方式，把1个测距传感器平行于旋转体轴线安装到旋转体某一个固定结构件的端平面附近，该测距传感器设置为把所测旋转体轴向位移的位置通过无线或有线方式发给所述计算机系统；所述某一个固定结构件为某旋转体上套设的大齿圈或挡轮；
14.以不改变托轮结构的方式，把测量传感器分别安装到旋转体的每一个托轮外壳上、或每一个托轮的轴体旁、或每一个托轮的轮幅结构旁；
15.每一个所述测量传感器各自通过无线或有线方式与所述计算机系统连接，用于监测每一个托轮各自承受的由旋转体轴向力特载荷所产生的特性信号。
16.上述技术方案中，所述测量传感器是位移传感器或倾斜传感器；
17.当采用位移传感器时，则该每一个位移传感器均平行于各自托轮轴线安装在托轮某一侧轴向端面处，该端面处位于每一个托轮轴某一端的端平面、或在托轮轴体结构某一端的端平面、或在托轮轮幅结构某一端的端平面；以分别实时监测每一个托轮的轴向距离差值的函数信号，所述轴向距离差值为托轮轴中点与托轮轴向力“中性点”之间的差值；该函数信号中包含有距离差值及正负号，该距离差值的绝对值与旋转体在每个托轮上产生的轴向力载荷成正比；该距离差值的正负号用于判断每一个托轮对旋转体推力的方向；
18.当采用倾斜传感器时，则该每一个倾斜传感器均平行于各自托轮轴线安装在托轮外壳某个位置上；以分别实时监测每一个托轮的当前轴向倾斜角度与“理想零角度位置”的变化差值的函数信号，该函数信号中包含有轴向倾斜角度差值及倾斜角度的正负号，该轴向倾斜角度差值的绝对值与旋转体在每个托轮上产生的轴向力载荷成正比；该倾斜角度的
正负号用于判断每一个托轮对旋转体推力的方向；
19.所述位移传感器或倾斜传感器各自的数量至少与旋转体所有托轮的总数量相同。
20.上述技术方案中，所述测量传感器为位移传感器，计算机系统通过连接每一个位移传感器来分别实时监测每一个托轮的轴向距离差值的函数信号，所述轴向距离差值为托轮轴中点与托轮轴向力“中性点”之间的差值；其中，托轮轴向力“中性点”表示为(gl gh)/2，gh和gl分别是托轮与其高端轴瓦和低端轴瓦的间隙值；所述低端与所述高端沿着旋转体轴线方向设置。
21.上述技术方案中，所述的1个压力传感器不改变挡轮液压系统结构就能拆卸；所述测定旋转体轴向位置的1个测距传感器不改变旋转体结构就能拆卸；所述测量传感器均在不改变托轮结构前提下就能拆卸；所述的旋转体是一个具有≥2组的轮带及托轮组回转窑，左右侧托轮为一组。
22.上述技术方案中，所述测量传感器为非接触磁电、或激光、或光电感应类的位移传感器、或是接触式光栅容栅类、或电磁容栅感应类的位移传感器；或者是电子类倾斜角度传感器、或电解式倾斜角度传感器；
23.所述测距传感器是非接触磁电、或激光、或光电、或超声波感应类距离传感器，或是接触式光栅、或容栅类、或电磁容栅感应类的位移传感器；
24.所述的1个压力传感器是数字式压力传感器。
25.上述技术方案中，所述压力传感器和测距传感器及所有测量传感器均各自通过有线的物理信号、无线信号或其组合电子方式的线路与一个计算机系统连接通信；所述压力传感器和测距传感器及所有测量传感器均由可充电电池或有线电源供电。
26.一种监测运转中旋转体多个托轮在水平面歪倾的方法，其特征在于采用上述任一项所述的监测或减少运转中旋转体多个托轮在水平面歪倾的系统，该方法包括如下步骤：
27.以不改变挡轮液压系统结构的方式，在旋转体的挡轮液压系统油路中安装1个压力传感器，该压力传感器把所测压力信号通过无线或有线方式发给一个计算机系统；
28.以不改变旋转体结构的方式，把1个测距传感器平行于旋转体轴线安装到旋转体某一个固定结构件的端平面附近，该测距传感器把所测旋转体轴向位移的位置通过无线或有线方式发给所述计算机系统；所述某一个固定结构件为某旋转体上套设的大齿圈或挡轮；
29.以不改变托轮结构的方式，把测量传感器分别安装到旋转体的每一个托轮外壳上、或每一个托轮的轴体旁、或每一个托轮的轮幅结构旁；
30.每一个所述测量传感器各自通过无线或有线方式与所述计算机系统连接，用于测量旋转体的每个托轮各自承受的旋转体的轴向推力载荷对应的特性信号；
31.当该测量传感器采用位移传感器时，所述特性信号用于表征该托轮轴中点与其轴向力“中性点”的差值的函数信号，当该托轮轴中点》轴向力“中性点”的轴向位置时，表示运转中托轮给轮带及旋转体向低端轴推力，托轮自身处在高端位置，需要被调整而向低端移动；
32.当该测量传感器采用倾斜传感器时，则所述特性信号用于表征该托轮轴“中性零角度方位”与其轴向倾斜角度变化的函数信号，当旋转体对该托轮产生轴向推力时，用该倾斜传感器测量该托轮轴所承受轴向力倾斜角度的差值及方向；该轴向倾斜角度差值的绝对
值与旋转体在该托轮上产生的轴向力载荷成正比；该倾斜角度的正负号用于判断每一个托轮对旋转体推力的方向；当倾斜传感器测出该倾斜角度朝向托轮低端方向，则表示旋转体把该托轮推向低端移动，该倾斜角度的方向即为正。
33.一种减少运转中旋转体多个托轮在水平面歪倾的方法，其特征在于采用上述任一项所述的监测或减少运转中旋转体多个托轮在水平面歪倾的系统，该方法包括如下步骤：
34.以不改变挡轮液压系统结构的方式，在旋转体的挡轮液压系统油路中安装1个压力传感器，该压力传感器把所测压力信号通过无线或有线方式发给一个计算机系统；
35.以不改变旋转体结构的方式，把1个测距传感器平行于旋转体轴线安装到旋转体某一个固定结构件的端平面附近，该测距传感器把所测旋转体轴向位移的位置通过无线或有线方式发给所述计算机系统；所述某一个固定结构件为某旋转体上套设的大齿圈或挡轮；
36.以不改变托轮结构的方式，把测量传感器分别安装到旋转体的每一个托轮外壳上、或每一个托轮的轴体旁、或每一个托轮的轮幅结构旁；
37.每一个所述测量传感器各自通过无线或有线方式与所述计算机系统连接，用于测量旋转体的每个托轮各自承受的旋转体的轴向推力载荷对应的特性信号，
38.当该测量传感器采用位移传感器时，则所述特性信号用于表征该托轮轴中点与其轴向力中性点的差值的函数信号，当轴向中点处在轴向力“中性点”的高端方向，表示运转中托轮给轮带及旋转体向低端的轴推力，托轮自身处在高端而需要调整托轮的水平面歪斜；
39.所述低端与所述高端沿着旋转体轴线方向设置，所述水平面歪斜所在的水平面方向垂直于所述旋转体轴线方向；
40.通过调整所有托轮在水平面歪斜的角度方位，使每个托轮的实时托轮轴中点均处于托轮“中性点”低端下坡方的合适范围内；
41.当该测量传感器采用倾斜传感器时，则所述特性信号用于表征该托轮轴“理想中性零角度方位”与其轴向倾斜角度的变化的信号，当旋转体对该托轮产生轴向推力时，用该倾斜传感器测量该托轮轴所承受轴向力倾斜角度的差值及方向；该轴向倾斜角度差值的绝对值与旋转体在该托轮上产生的轴向力载荷成正比；该倾斜角度的正负号用于判断每一个托轮对旋转体推力的方向；当倾斜传感器测出该倾斜角度朝向托轮低端方向，则表示旋转体把该托轮推向低端移动，该倾斜角度的方向为正，即托轮轴向中点处于其“中性点”低端下坡方的合适范围内。
42.所述减少运转中旋转体多个托轮在水平面歪倾的方法，还包括根据所述压力传感器发给所述计算机系统的压力值信号进行判断调整的步骤，当该压力值被控制在设定压力范围内，按照每个支撑轮带的顺序对每个托轮进行如下步骤的调整：
43.(a)在第一轮带处，针对该轮带的一个托轮的至少一个轴承，调整该轴承在水平面歪斜的方向，直到使该托轮轴向中点被移动到其轴向力“中性点”的低端合适范围内；
44.在第一轮带处，针对该轮带的另一个托轮的至少一个轴承，调整该轴承水平面歪斜的方向，直到使该托轮轴向中点被移动到其轴向力“中性点”的低端合适范围内；
45.(b)重复上述步骤(a)，按照第二轮带、第三轮带的轮带序号，顺序地针对各轮带的托轮分别进行操作，直到完成各轮带处所有托轮的至少一个轴承在水平面歪斜的方向调
整；且所有托轮的轴向中点均被移动到其轴向力“中性点”位置的低端合适范围内，即旋转中所有托轮都给旋转体向高端方向一定的轴向推力。
46.优选压力传感器发给所述计算机系统的压力值被控制在合适压力4-6mpa范围内，按照上述步骤对每个托轮进行调整。
47.上述技术方案中，通过调整托轮某一侧的高端螺栓或低端螺栓，调整或减少该侧托轮在高端或低端的水平面歪斜。
48.本发明与现有相关专利技术相比，产生的有益效果是：
49.1.适用性广泛。本发明只需旋转体设备向一个方向旋转，不需双向旋转。因此本发明适用所有旋转体包括任何类型回转窑设备。
50.2.有托轮轴向力实时反馈功能，测量原理简单。本发明的测量原理是根据力学的作用力与反作用力成对原理，当运转中托轮在水平面有微小歪斜而推动窑体向上坡方时，托轮自身则处在下坡方。故使用位移传感器可方便监测每个托轮轴向力比例值和判断其方向。本发明操作简单，与操作员技能无关，便于普及应用。
51.3.抗干扰和性价比更高。使用位移传感器比用倾斜传感器监测托轮轴向力比例值和判断方向，更加简便可靠，抗干扰性和价格性能比更高。在回转窑现场环境：露天阳光暴晒、大雨淋湿、潮湿度变化大、温度-10度至80度变化、灰尘和碎屑严重恶劣条件下，通常工业位移传感器均能长期正常工作。在达到同样监测精确和抗干扰性条件下，位移传感器比倾斜传感器的成本约降低为其十分之一；位移传感器抗干扰和可靠性均提高2-5倍以上。
52.4.增加多参数监测和综合功能。增加监测旋转体挡轮液压系统的压力值，使各托轮在水平面歪斜调整各自的轴向力与挡轮液压总压力建立了实时反馈的联系；增加监测窑体轴向位置参数，当窑将超过其正常轴向位移范围时，可以预先自动报警，防止窑发生意外掉落严重事故。
53.5.即安装即使用。该系统所有的测量传感单元均可以由可充电电池供电，且它们均各自通过无线电子信号方式与一个计算机系统连接通信。该系统省去现场安装有线布线烦杂的工作量，避免有线通信电缆线可能损坏造成的测量数据错误，提高该系统可靠性降低维护成本。
54.综上所述，相对于传统的托轮空间位置校准测量技术，本发明的监测和调整方法是一个革命性的根本改变,具有托轮轴向力实时反馈功能，校准精度提高5倍以上。相比现有发明，本发明方法及系统即有监测挡轮液压系统压力和窑体轴向位置功能,又有托轮轴向力的实时反馈功能。本发明方法及系统在减少回转窑托轮水平面歪倾的调整中，成为一个有多参数的反馈、即安装即使用、操作简便有效、成本低廉的监控系统和调整工具。如果应用本发明校准和调整窑托轮后，将明显减少或消除托轮因轴向力超载引起其轴瓦发热“烧瓦”停产事故，对保障窑长期安全运行有重要工程意义。
附图说明
55.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
56.图1为回转窑结构和本发明的监测系统布置示意图(右视图)。
57.图2为本发明的监测系统连接布置示意图(俯视图)。
58.图3为本发明回转窑重力在其右侧托轮上轴向力及位移传感器测量示意图。
59.图4为本发明回转窑右侧托轮结构及测量轴向力的位移传感器安装示意图。
60.附图中各附图标记对应如下：1—回转窑、2—轮带、3—左托轮、4—右托轮、5—筒体、6—窑轴线、7—液压挡轮、8
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大齿圈、9—测距传感器、10—窑墩、11—基座、12
‑‑
液压油路压力传感器、13
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左侧轴向力测量传感器、14
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右侧轴向力测量传感器、15
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高端右侧螺栓、16
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低端右侧螺栓、17
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上端轴瓦、18
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下端轴瓦、19
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托轮轴线、20
‑‑
监测系统、21—微机系统、22
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通信线路，23
‑‑
外壳。
具体实施方式
61.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
62.如图1所示，见图1，回转窑1主要由筒体5、轮带2、左托轮3和右托轮4(见附图2俯视角度的左托轮3a-3d，右托轮4a-4d)、液压挡轮7、大齿圈8等组成。多个轮带2活套在筒体5外，整个回转窑1通过轮带2被托轮组支承着，左托轮3和右托轮4安装在基座11上，它们固定在窑墩10上。
63.见图3，回转窑1的筒体5是与水平面成α倾角安装，在旋转中筒体5内部物料在重力作用向下流动。由于回转窑1重力g在窑轴线6方向的分力f作用，各托轮都承受到不同的轴向推力，其中托轮4承受到轴向力f1。见图2，一个或多个液压挡轮7接触轮带2的侧面，以限止筒体5因重力从托轮上滑动落下。
64.见图1、图4，在不改变所有托轮结构情况下，在窑体右侧的所有托轮4(或其外壳上)旁，平行每一个右托轮轴线19安装位移测量传感器14；同理，见图2，在窑体左侧的所有托轮3(或其外壳上)旁，平行每一个左托轮轴线安装测量传感器13和测量传感器14(见附图2俯视角度的左左托轮轴线安装传感器13a-13d和14a-14d)。
65.这些测量传感器13和测量传感器14也可以是常规的倾斜度传感器，或是应变力传感器，它们均可以测得该托轮轴向力f1所对应的特性信号。在如图4的托轮4中，倾斜度传感器14一般放置在托轮下端轴瓦18的外壳23上。
66.当然，这些测量传感器13和测量传感器14应优先选择非接触式(磁电、或激光、或光电感应类)、或是接触式(光栅、或电磁容栅感应类)位移传感器等。例如，见图4，在窑右侧某托轮4旁平行于托轮轴线19的低端某位置，安装一个位移传感器14作为轴向力的测量位移传感器，它可测得该托轮轴向力f1所对应的特性信号。
67.举例，见图3，gh和g
l
分别是托轮4与其上端轴瓦17和下端轴瓦18的间隙值。该托轮轴推力的中性位置是(g
l
gh)/2。通过位移传感器14可监测托轮4的轴低端与下端轴瓦18之间的低端间隙g
l
。当运转中托轮4给轮带2(及筒体5)向高端轴推力时，则托轮4自身则处在低端。此时位移传感器14实测的低端间隙g
l
应为g
l
《(g
l
gh)/2。
68.见图4，通过调整高端右侧螺栓15或低端右侧螺栓16，就可以在水平面对托轮4的歪斜(高端歪斜s1或低端歪斜s2)做微小调整，一旦该托轮越过其轴推力的中性位置(g
l
gh)/2，托轮产生的推力方向就会被逆转，此时托轮本身会开始向其高端方向移动。此时位移传感器14实测的低端间隙应该为g
l
》(g
l
gh)/2。按照同理，通过调整所有托轮在水平面歪斜的角度方位，可以使每个托轮的实时低端间隙均为g
l
《(g
l
gh)/2，即其轴向中点均处于其“中性点”低端下坡方的合适范围内，则每个运转托轮都给回转窑1向高端上坡方向一定的轴向推力。
69.见图2，通信线路22通过物理有线信号和无线信号两者联合、或二者选其一方式，把微机系统21与所有测量托轮轴向力的位移传感器13和位移传感器14连接起来。这样计算机系统21就可以监测每一个托轮轴向力载荷所对应的各个特性信号。
70.在不改变液压挡轮7结构情况下，在其油路中安装1个液压油路压力传感器12，它通过(无线或有线)通信线路22给一个微机系统21发出所测压力信号。在不改变窑体1结构情况下，平行于窑轴线6把1个测距传感器9(它可以是非接触式磁电、或激光、或光电、或超声波感应类、或是接触式容删和光删或磁电感应类位移传感器)安装到回转窑1的筒体5某固定结构件(例如在大齿圈8或挡轮7)的某1个端平面附近，它把所测回转窑1的筒体5的轴向实时位置信号通过(无线或有线)通信线路22发给一个微机系统21。
71.通信线路22优先选择无线发射器和无线接收器的方式来把计算机系统21与所有测量传感器组件连接起来。监测系统20连接的所有测量传感器组件均由可充电电池或有线电源供电。
72.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。