水泥生產(chǎn)線旋轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)測技術(shù)
引言
近十年我國水泥工業(yè)飛速發(fā)展，5000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線及其以上規(guī)模已經(jīng)成為主流，機(jī)械設(shè)備大型化已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。這些設(shè)備的安全高效運(yùn)行已經(jīng)成為水泥企業(yè)效益的重要決定因素。避免這些設(shè)備隨機(jī)性故障地發(fā)生已經(jīng)成為水泥企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。單憑直覺的耳聽、眼看、手摸的方式以及定期監(jiān)測方式、在線檢測離線分析監(jiān)測方式來監(jiān)測水泥生產(chǎn)設(shè)備是否安全已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)的需要，代替這種方式的是自動在線監(jiān)測方式，其既可避免設(shè)備突發(fā)性故障又無需專業(yè)人員現(xiàn)場操作。在線監(jiān)測技術(shù)，是研究的新興課題之一，著重考慮的是預(yù)測設(shè)備的時(shí)間依存性故障和改變設(shè)備的維護(hù)方式。該技術(shù)是在狀態(tài)監(jiān)測及故障分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是實(shí)現(xiàn)以先進(jìn)的預(yù)知維護(hù)取代以時(shí)間為基礎(chǔ)的預(yù)防性維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。水泥企業(yè)以旋轉(zhuǎn)機(jī)械為主，本文著重介紹旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及用于水泥工廠中的監(jiān)測系統(tǒng)。
1旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展
1.1發(fā)展歷程
旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的機(jī)械。許多大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如：離心泵、電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、軋鋼機(jī)、回轉(zhuǎn)窯等，都是工業(yè)企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。近二十年來，我國的機(jī)械設(shè)備也朝著輕型化、大型化、重載化和高度自動化等方向發(fā)展，出現(xiàn)了大量的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、振動、噪聲、可靠性，以及材料與工藝等問題，設(shè)備損壞事件時(shí)有發(fā)生，如新疆某兩支撐回轉(zhuǎn)窯在2008年年初就發(fā)生了斷裂事故。
大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究是國家重點(diǎn)的攻關(guān)項(xiàng)目，目的是提高大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的產(chǎn)品質(zhì)量，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟(jì)損失。20世紀(jì)50年代，各種類型和性能的傳感器和測振儀相繼研制成功，并開始應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實(shí)際。20世紀(jì)60~70年代，數(shù)字電路、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、“信號數(shù)字分析處理技術(shù)”的形成，推動了振動檢測技術(shù)在機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用。20世紀(jì)70~80年代，機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國家開始研究。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測試技術(shù)、信號處理技術(shù)、信號識別技術(shù)與故障診斷技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測研究跨入系統(tǒng)化的階段，并把實(shí)驗(yàn)室的研究成果逐步推廣到核能設(shè)備、動力設(shè)備以及其它各種大型的成套機(jī)械設(shè)備中去，進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。例如：日本的“旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康管理系統(tǒng)”，美國的“可移動診斷中心”，丹麥的2500型振動監(jiān)測系統(tǒng)等，都具備了機(jī)組信號數(shù)據(jù)的采集、分析、計(jì)算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專項(xiàng)診斷軟件。先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)把體現(xiàn)機(jī)械動態(tài)特性的振動、噪聲作為主要監(jiān)測和分析的內(nèi)容。由于振動、噪聲是快速的隨機(jī)性信號，不僅對測試系統(tǒng)要求高，而且在分析中要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，國內(nèi)外在20世紀(jì)80年代用小型計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理機(jī)做為主機(jī)完成機(jī)械動態(tài)特性的數(shù)據(jù)處理，該類主機(jī)不僅價(jià)格昂貴而且對工作環(huán)境要求苛刻，因而通常采用離線監(jiān)測與分析的方式。
20世紀(jì)90年代以來，高檔微機(jī)不斷更新且價(jià)格迅速下降，適合數(shù)字信號處理的計(jì)算方法不斷優(yōu)化，使數(shù)據(jù)處理速度大為提高，為在工業(yè)現(xiàn)場直接應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)造了條件。丹麥、美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家的專家學(xué)者對旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研制出不同系統(tǒng)。該類系統(tǒng)以丹麥B&K公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)、美國BENTLY公司的3300系列振動監(jiān)測系統(tǒng)、美國亞特蘭大公司的M6000系統(tǒng)為代表已經(jīng)達(dá)到較高的水平。在功能上比較典型的系統(tǒng)之一是丹麥B&K公司的2520型振動監(jiān)測系統(tǒng)(vibrati on monitor-type2520)，主要功能有：自動譜比較并進(jìn)行故障預(yù)警報(bào)警；對6％和23％恒百分比帶寬譜進(jìn)行速度補(bǔ)償；幅值增長趨勢圖顯示；三維譜圖顯示；振動總均方根值（振動烈度）計(jì)算；支持局域網(wǎng)。美國IRD公司的IQ2000系統(tǒng)可認(rèn)為是至今為止有報(bào)道的功能最齊全的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。
我國在工業(yè)部門中開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測技術(shù)研究的工作起步于1986年，在此之前從國外引進(jìn)的大型機(jī)組，一般都購置了監(jiān)測系統(tǒng)。而在自行研制的國產(chǎn)設(shè)備上，若選用國外的監(jiān)測系統(tǒng)，由于價(jià)格異常昂貴而難以接受。20世紀(jì)80年代中后期以來，我國有關(guān)研究院所、高等院校和企業(yè)開始自行或合作研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，無論在理論研究、測試技術(shù)和儀器研制方面，都取得了成果，并開發(fā)出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。如：武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。
武漢理工大學(xué)國家建材行業(yè)回轉(zhuǎn)窯檢測技術(shù)中心研制出了回轉(zhuǎn)窯筒體輪廓激光掃描測量系統(tǒng)能夠方便及時(shí)地在線發(fā)現(xiàn)會發(fā)生耐火磚脫落的地方，從而避免損失，提高回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率和檢修的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；武漢理工大學(xué)回轉(zhuǎn)窯檢測中心研制的回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了生產(chǎn)實(shí)際中的動態(tài)測量難題，可對回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制；哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ微機(jī)化“汽輪發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”，以及后來進(jìn)一步開發(fā)的汽輪機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ，其主要功能有：軸振動監(jiān)測，包括軸心軌跡分析、軸向串動、軸振動位移峰-峰值計(jì)算；殼體振動監(jiān)測；頻譜分析，包括頻率細(xì)化、階比譜分析、階跟蹤譜、三維功率譜分析；自動預(yù)、報(bào)警；故障特征提取及診斷。
從技術(shù)發(fā)展過程看，現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)從以傳感器技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)為基礎(chǔ)，以信號處理技術(shù)為手段的常規(guī)技術(shù)階段發(fā)展到人工智能技術(shù)為設(shè)備監(jiān)測和故障分析的智能化階段。
1.2 發(fā)展趨勢
機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)從單憑直覺的耳聽、眼看、手摸，發(fā)展到采用現(xiàn)代測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號分析技術(shù)的先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，諸如超聲波、聲發(fā)射、紅外測溫等，層出不窮。人工智能、專家系統(tǒng)、模糊數(shù)學(xué)等新興學(xué)科在機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中也找到用武之地。
在機(jī)械動態(tài)信號分析方法和應(yīng)用技術(shù)上，新近的發(fā)展有：采用空間域?yàn)V波的預(yù)處理、采用Vold－Kalman濾波的多軸階比信號分析技術(shù)、適于非平穩(wěn)信號的基于Wigner－Ville分布分析、小波(wavelet)變換方法、混沌分析方法、智能?傳感與檢測技術(shù)、以及與VXI總線儀器平臺相關(guān)的技術(shù)等。
典型的狀態(tài)監(jiān)測方式主要有3種：離線定期監(jiān)測方式、在線檢測離線分析的監(jiān)測方式和自動在線監(jiān)測方式。最先進(jìn)的當(dāng)然是自動在線監(jiān)測方式。該方式不僅能實(shí)現(xiàn)自動在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)報(bào)，而且能實(shí)現(xiàn)在線地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析判斷；由于能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行智能化的比較和判斷，中等文化水平的值班工作人員經(jīng)過短期培訓(xùn)后就能使用。該方式不需要人為更換測點(diǎn)，不僅不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術(shù)人員參與分析和判斷；但是軟硬件的研制工作量很大。隨著人工智能理論的發(fā)展及其在實(shí)際中的應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理軟件的大量開發(fā)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)正向多目標(biāo)、多層次監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
2水泥工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備監(jiān)測技術(shù)舉例
30年來，水泥工業(yè)在世界范圍內(nèi)飛速發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)在水泥工廠得到了廣泛應(yīng)用，尤其是工藝過程的監(jiān)測和生產(chǎn)質(zhì)量的控制，如采用激光衍射原理，整合全自動取樣和干法分散系統(tǒng)的工業(yè)在線粒度分析系統(tǒng)；基于x射線分析原理的在線生料控制系統(tǒng)等。在水泥廠旋轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測方面，相關(guān)機(jī)構(gòu)做了大量的科研開發(fā)和實(shí)踐工作，本文以回轉(zhuǎn)窯的監(jiān)測為例進(jìn)行介紹。
2.1回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)
回轉(zhuǎn)窯是冶金、化工、建材等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，在低速、重載、高溫、露天環(huán)境下運(yùn)行，其運(yùn)行軸線是衡量其機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，由于溫度、載荷引起的變形、支承零件磨損以及基礎(chǔ)的不均勻沉陷等因素，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行軸線會偏離理論軸線。當(dāng)運(yùn)行軸線偏差達(dá)±10mm時(shí)，支承彎矩和筒體應(yīng)力約增加3倍，托輪上的壓力約增加一倍。實(shí)際生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線偏差一般都超過±10mm，多的可達(dá)±40mm。筒體應(yīng)力增加，會使筒體過早產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至因筒體應(yīng)力過大而引起筒體斷裂；托輪壓力增大，會導(dǎo)致托輪、滾圈表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、掉渣、鱗片狀脫落，楔狀掉塊，甚至發(fā)生托輪壓裂、托輪軸扭斷、燒瓦等設(shè)備事故，對企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
因此要保證回轉(zhuǎn)窯的長期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須要保證窯運(yùn)行軸線的準(zhǔn)直。回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線的測量可以分冷態(tài)測量和動態(tài)測量，冷態(tài)測量是指在停車狀況下，并且是待窯冷卻后進(jìn)行的，然而，當(dāng)窯啟動運(yùn)轉(zhuǎn)和烘烤升溫后，其尺寸會發(fā)生變化，因此目前運(yùn)用較多的回轉(zhuǎn)窯軸線測量系統(tǒng)是采用動態(tài)測量。
為了檢測回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行軸線偏差，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了有益的研究和探索，目前比較成熟的測量系統(tǒng)有：
（1）.波蘭首創(chuàng)了輪帶位置測量系統(tǒng)；
（2）.丹麥 FLS公司研制了激光輪帶測量系統(tǒng)；
（3）.加拿大Hartco公司研究的筒體位置測定系統(tǒng)；
（4）.德國 polysius公司提出的Polscan托輪位置測量系統(tǒng)；
（5）.中南大學(xué)研究提出了一種零位移方向鍵相測量法；
（6）.武漢理工大學(xué)在上世紀(jì)80年代末推出了成本低、操作方便，適合國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯用戶使用的“KAS-01回轉(zhuǎn)窯軸線測量系統(tǒng)”并在此之后不斷進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)在 KAS-3型動態(tài)窯軸線檢測裝置已經(jīng)研究開發(fā)成功，該測量儀由一個(gè)直徑測量傳感器，一個(gè)霍爾接收開關(guān)，一個(gè)水平和垂直方向上的激光位移傳感器，一臺經(jīng)緯儀，一臺水準(zhǔn)儀和一個(gè)導(dǎo)軌尺及滑標(biāo)，一個(gè)周長采集器和一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。該測量儀不但能直接測定筒體或者輪帶位置，還能自動測定輪帶動態(tài)間隙以及筒體表面的溫度。
這些檢測系統(tǒng)雖然都有各自優(yōu)點(diǎn)，并且也解決了生產(chǎn)實(shí)際中的動態(tài)測量難題，但是只能是定期或者周期性地對回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線進(jìn)行檢測，不能長期地實(shí)時(shí)反映回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行狀況，因此武漢理工大學(xué)回轉(zhuǎn)窯檢測中心在KAS－3檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，來對回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行軸線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制。
2.2回轉(zhuǎn)窯筒體輪廓激光掃描測量系統(tǒng)
在窯的長期生產(chǎn)過程中，由于窯筒體變形會引起耐火磚脫落，而窯體襯磚的脫落會引發(fā)“紅窯”事故，如果不及時(shí)處理會燒穿筒體鋼板，引發(fā)重大事故。因此水泥生產(chǎn)企業(yè)迫切需要一種測量裝置能夠方便及時(shí)地發(fā)現(xiàn)會發(fā)生耐火磚脫落的地方，從而避免損失，提高回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率和檢修的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
對于回轉(zhuǎn)窯的筒體輪廓測量裝置，目前根據(jù)所查資料，國外測窯公司有相關(guān)測量裝置，但其造價(jià)昂貴，應(yīng)用受到一定限制。國內(nèi)幾乎沒有研制出相關(guān)產(chǎn)品，其測量方法主要就是靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來判斷哪里可能會出現(xiàn)問題，此測量方法精度和效率都很低，容易引發(fā)事故，造成損失。
針對目前國內(nèi)外該技術(shù)上的不足，武漢理工大學(xué)國家建材行業(yè)回轉(zhuǎn)窯檢測技術(shù)中心研制出了回轉(zhuǎn)窯筒體輪廓激光掃描測量系統(tǒng)。并在2007年6月份在湖北華新水泥廠首次試用，取得比較好的效果。
該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 新型遠(yuǎn)距離激光位移傳感器，光電集成一體化，無需外接控制器，抗異光干擾能力強(qiáng)；(2) 本系統(tǒng)可適應(yīng)高溫、多塵、惡劣環(huán)境；(3) 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)處理，界面直觀，友好，既可以查看筒體的截面圖也可以查看展開圖；(4)該系統(tǒng)為遠(yuǎn)距離測量，免去了操作人員受高溫的影響。但不見其在實(shí)時(shí)監(jiān)測方面的報(bào)道。盡管如此，其對窯筒體的變形監(jiān)測功能是毫無疑問的，如果前文說到的新疆某廠窯筒體在斷裂事故發(fā)生之前，業(yè)主采用了該系統(tǒng)，筆者想該事故是應(yīng)該可以避免的。
3結(jié)束語
旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備監(jiān)測技術(shù)是以設(shè)備及其系統(tǒng)為對象，建立在檢測技術(shù)、信號處理、識別理論、決策預(yù)報(bào)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種現(xiàn)代學(xué)科成就基礎(chǔ)上的一門新學(xué)科，在設(shè)備安全運(yùn)行、合理使用、適時(shí)維修、性能評價(jià)以及產(chǎn)品質(zhì)量控制上獲得了廣泛的應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。為了滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)安全高效生產(chǎn)，科研人員開發(fā)了許多先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，必然會提高我國水泥企業(yè)運(yùn)營和管理水平，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和促進(jìn)企業(yè)的節(jié)能降耗工作。