運(yùn)轉(zhuǎn)中回轉(zhuǎn)窯托輪和輪帶外表面修復(fù)方法研究

張 云，葉志勇

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 建材行業(yè)回轉(zhuǎn)窯檢測(cè)技術(shù)中心，湖北 武漢 430070)

回轉(zhuǎn)窯是水泥、冶金等行業(yè)的大型核心設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯負(fù)載全部由托輪和輪帶承擔(dān)[1]。在重載、高溫、粉塵惡劣條件下長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于窯墩基座下沉、托輪位置變化等原因，導(dǎo)致托輪和輪帶接觸表面經(jīng)常發(fā)生各類失效，如點(diǎn)蝕、裂紋、局部剝落、掉塊等狀況。而當(dāng)液壓擋輪長(zhǎng)期停止工作時(shí)輪帶和托輪僅在一個(gè)位置始終保持接觸磨損，而軸向其它未接觸部件不發(fā)生磨損，這種不均勻磨損會(huì)使托輪和輪帶工作面出現(xiàn)明顯的凹凸變形，徑向外表面呈現(xiàn)出鼓形、馬鞍形或波浪狀、錐形等現(xiàn)象[2]。其主要后果有：①托輪和輪帶局部接觸，甚至傾斜，局部過(guò)載，軸瓦經(jīng)常過(guò)熱，甚至“燒瓦”，導(dǎo)致停窯；②凹凸?fàn)畹哪p變形阻礙窯體沿軸線的正常上下移動(dòng)，甚至造成液壓擋輪機(jī)件損壞而停窯；③掉塊或波浪形、多邊形的磨損變形導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中托輪和輪帶接觸表面發(fā)生碰撞，引起回轉(zhuǎn)窯的劇烈振動(dòng)或震動(dòng)[3]，嚴(yán)重影響回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行加工外圓修復(fù)，去除工件徑向外表面凸起，恢復(fù)圓柱度。顯然，停窯修復(fù)成本過(guò)高，而目前國(guó)內(nèi)不停窯的修復(fù)方式主要有：①人工操作簡(jiǎn)易車床進(jìn)行托輪車削外圓修復(fù)，其加工精度低，且耗時(shí)長(zhǎng)[4]。②使用砂輪剛性磨削外圓修復(fù)，其振動(dòng)大，特別是在加工輪帶時(shí)，由于輪帶存在較大徑向擺動(dòng)[5]，磨床組件容易損壞，且受砂輪寬度限制，修復(fù)效率受限。

砂帶磨削是一種利用高速運(yùn)動(dòng)的砂帶對(duì)工件表面進(jìn)行磨削、研磨和拋光的新型高效復(fù)合工藝。具有優(yōu)質(zhì)、高效率、低振動(dòng)的特點(diǎn)，已在精密加工中廣泛應(yīng)用[6]。然而目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)使用砂帶磨削進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯托輪或輪帶修復(fù)的報(bào)道，而國(guó)外已有實(shí)際應(yīng)用。為此設(shè)計(jì)了一種托輪與輪帶在線砂帶磨削機(jī)，采用電控系統(tǒng)來(lái)控制磨削頭工作臺(tái)的自動(dòng)十字移動(dòng)進(jìn)給加工，并研究了該設(shè)備空間位置的在線測(cè)量和安裝調(diào)整方法。

1 砂帶外圓磨削機(jī)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的砂帶磨削設(shè)備，由于砂帶寬度可合理選擇，磨削面積大，修復(fù)效率比砂輪磨削的效率高數(shù)倍；砂帶周長(zhǎng)遠(yuǎn)大于砂輪，磨削熱量小，散熱條件良好[7]；同時(shí)砂帶磨削為彈性接觸磨削，自適應(yīng)工件外形，設(shè)備振動(dòng)小。

圖1 托輪、輪帶表面砂帶外圓磨削機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

砂帶磨削機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它主要包括機(jī)架，機(jī)架上固定的工作導(dǎo)軌，以及工作導(dǎo)軌移動(dòng)工作臺(tái)上安裝的砂帶磨削裝置。機(jī)架可以通過(guò)螺桿等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磨削設(shè)備在水平面和垂直面的調(diào)整和固定。機(jī)架上安裝有沿被加工回轉(zhuǎn)體軸向(X方向)和沿徑向(Y方向)的方形導(dǎo)軌，兩者相互垂直。X方向使用伺服電機(jī)控制，Y方向可以選擇手動(dòng)或電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)對(duì)工作臺(tái)的移動(dòng)位置控制，其X和Y方向移動(dòng)進(jìn)給加工精度為0.1 mm。移動(dòng)工作臺(tái)上固定的磨削裝置具有三輪結(jié)構(gòu)，直徑最大的為主動(dòng)輪，其作為接觸輪進(jìn)行磨削；中間的調(diào)偏輪具有鼓形徑向外表面，用于砂帶的調(diào)偏，并配合彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)砂帶張緊。根據(jù)托輪和輪帶修復(fù)加工要求，本磨削機(jī)選擇粗顆粒磨料砂帶，采用恒進(jìn)給磨削，砂帶磨削速度為25～30 m/s，磨削進(jìn)給深度為0.1～0.5 mm。另外，根據(jù)不同回轉(zhuǎn)窯托輪和輪帶高度不同，本磨削機(jī)選擇安裝垂直電控升降臺(tái)進(jìn)行設(shè)備整體高度的調(diào)整。

2 動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)體軸線空間位置測(cè)量

2.1 托輪軸端面動(dòng)態(tài)測(cè)量方法

武漢理工大學(xué)回轉(zhuǎn)窯檢測(cè)中心采用一種中國(guó)發(fā)明專利測(cè)量方法[8]來(lái)測(cè)量確定動(dòng)態(tài)托輪軸線位置，其原理如圖2所示。建立一個(gè)平行于回轉(zhuǎn)窯軸線的基準(zhǔn)鉛垂面MM′，在托輪軸向兩側(cè)分別架設(shè)全站儀，分別從O點(diǎn)測(cè)量基準(zhǔn)面內(nèi)M、M′點(diǎn)，以及托輪軸端面回轉(zhuǎn)中心L、R點(diǎn)(使用軸孔定心器定位)，得到平距SM、SOM′、SL、SR，高差HM、HM′、HL、HR，水平角0°、αM′、αL、αR(沿M點(diǎn)水平角置零)；同理，從O′測(cè)量M′、L′、R′、M點(diǎn)，得到相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。設(shè)M、M′高差為h0，平距S0。

圖2 動(dòng)態(tài)托輪軸線測(cè)量示意圖

則可以通過(guò)解圖3所示的三角形，得到L點(diǎn)到基準(zhǔn)垂面MM′的距離kL，L到MN所在垂面距離Y2,具體計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～式(5)。

(1)

(2)

P=(S0+SML+SM′L)/2

(3)

(4)

(5)

圖3 解三角形分析示意圖

同理可求得L′、R、R′到基準(zhǔn)面的距離KL′、KR、KR′(水平面內(nèi))，以及R到MN所在垂直面的距離YR；L′、R′到M′N′所在垂直面的距離YL′、YR′。從而確定托輪在水平面和垂直面內(nèi)的傾角，實(shí)現(xiàn)空間位置測(cè)量。如圖2所示左托輪軸線，水平面內(nèi)的傾角(歪斜度)為：

tanθ=(KL′-KL)/(S0-YL-YL′)

(6)

垂直面內(nèi)的傾角(傾斜度)為：

(7)

2.2 回轉(zhuǎn)窯輪帶軸線動(dòng)態(tài)測(cè)量法

輪帶軸線與回轉(zhuǎn)窯軸線在空間基本平行，可以采用武漢理工大學(xué)發(fā)明的一種回轉(zhuǎn)窯三點(diǎn)十字對(duì)徑直接遠(yuǎn)距離測(cè)量法[9]來(lái)測(cè)量確定動(dòng)態(tài)輪帶軸線位置。其實(shí)際綜合測(cè)量誤差≤±1.5 mm，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，在此不做贅述。

3 磨削機(jī)的定位調(diào)整

使用磨削機(jī)磨削前，必須保證磨削機(jī)導(dǎo)軌(X方向)與被加工回轉(zhuǎn)體軸線空間平行，即在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)與被磨削體動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)軸線傾角相同。如圖4所示，建立一條平行于回轉(zhuǎn)窯軸線水平投影的基準(zhǔn)線，其上設(shè)兩個(gè)標(biāo)靶M、M′，在靠近托輪旁架設(shè)磨削機(jī)，在其X導(dǎo)軌上固定兩個(gè)標(biāo)靶G、G′(GG′平行于X導(dǎo)軌)；用全站儀測(cè)量G、G′、M、M′相關(guān)參數(shù)，X導(dǎo)軌長(zhǎng)度SGG′=L1是固定的，KG′、KG表示G′、G到MM′所在基準(zhǔn)垂面的距離。KG′、KG的計(jì)算同式(1)～式(4)。

圖4 導(dǎo)軌安裝定位測(cè)量示意圖

則導(dǎo)軌在水平面內(nèi)歪斜度為：

sinγ=(KG′-KG)/L1

(8)

垂直面內(nèi)傾斜度為：

sinη=(HG′-HG)/L1

(9)

要保證磨削機(jī)X導(dǎo)軌與托輪(或輪帶)運(yùn)轉(zhuǎn)空間軸線平行，只需保證：

γ=θ，η=β

(10)

磨削機(jī)安裝定位時(shí)，首先進(jìn)行水平面內(nèi)歪斜度的調(diào)整。設(shè)備上設(shè)有角度微調(diào)裝置(如圖1所示)，機(jī)架與導(dǎo)軌連接面如圖5所示，機(jī)架上開設(shè)有弧形孔槽和定位圓孔O，以及用于容納導(dǎo)軌底部凸塊的矩形槽，連接螺栓穿過(guò)弧形孔槽與導(dǎo)軌連接。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺栓帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)軌底部凸塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)導(dǎo)軌在安裝機(jī)架上以定位圓孔O為中心，沿弧形槽做小幅度的圓周擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌在水平面內(nèi)歪斜度的調(diào)整。在垂直面調(diào)整X導(dǎo)軌傾斜度時(shí)，將電子坡度儀置于X導(dǎo)軌上，使用剪式千斤頂或液壓裝置使機(jī)架一側(cè)升高[11]，沿X方向傾斜形成斜面，并使用螺栓鎖緊固定。然后通過(guò)機(jī)架底部的調(diào)整墊鐵進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)電子坡度儀顯示傾角與托輪(或輪帶)的動(dòng)態(tài)軸線在垂直面傾角β相同時(shí)，即完成導(dǎo)軌垂直面內(nèi)傾斜度的調(diào)整。整個(gè)調(diào)整過(guò)程中和結(jié)束后，可以使用如圖4所示方法進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。

圖5 磨削機(jī)在水平面的歪斜調(diào)整裝置示意圖

4 結(jié)論

通過(guò)比較分析目前國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)窯已有的不同修復(fù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定選用砂帶外圓磨削來(lái)修復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)中托輪和輪帶的圓柱體表面。設(shè)計(jì)的專用磨削機(jī)采用電控系統(tǒng)來(lái)控制工作臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨削頭在軸向X方向和徑向Y方向?qū)к壸詣?dòng)進(jìn)給控制，其移動(dòng)和加工精度為0.1 mm。

磨削機(jī)X軸向?qū)к壟c被修復(fù)旋轉(zhuǎn)體軸線的空間平行是在線安裝設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題。介紹一種托輪與輪帶軸線和磨削機(jī)X軸向?qū)к壍目臻g位置在線測(cè)量及調(diào)整方法，該測(cè)量方法實(shí)際應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯測(cè)量已經(jīng)7年，實(shí)踐證明對(duì)動(dòng)態(tài)托輪軸心空間點(diǎn)和回轉(zhuǎn)窯輪帶軸線的測(cè)量精度可達(dá)到1.5 mm[10]，能較高精度地保證磨削機(jī)X軸向?qū)к壟c被修復(fù)托輪(或輪帶)軸線空間平行，從而保證修復(fù)后托輪(或輪帶)徑向表面圓柱度和直線度，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李學(xué)軍.大型多支承回轉(zhuǎn)窯健康維護(hù)理論與技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2003.

[2] 張衛(wèi)京.回轉(zhuǎn)窯托輪裝置的修復(fù)與調(diào)整方法[J].廣東科技,2014(20):176-178.

[3] 江旭昌.回轉(zhuǎn)窯托輪調(diào)整[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社,2012.

[4] 丁義軍.回轉(zhuǎn)窯托輪的現(xiàn)場(chǎng)加工[J].中國(guó)設(shè)備工程,2011(9):53-54.

[5] 吳志強(qiáng),唐利華.一種大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的在線磨削裝置[J].水泥,2016(8):70-71.

[6] 王維朗,潘復(fù)生,陳延君,等.砂帶磨削技術(shù)及材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,20(2):106-108.

[7] 黃云,黃智.現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社,2009.

[8] 張?jiān)?動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)窯托輪軸線和筒體軸線的測(cè)量方法及儀器:中國(guó)，ZL 201210157545.4[P].2014.

[9] 張?jiān)?回轉(zhuǎn)窯筒體動(dòng)態(tài)軸線和彎曲的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方法及測(cè)量系統(tǒng)：中國(guó)，ZL 201210157543.5[P].2014.

[10] 張?jiān)?吳昊,劉磊.兩類回轉(zhuǎn)窯三點(diǎn)測(cè)量方法及誤差的分析[J].水泥,2015(4):34-37.

[11] 付亞為,張?jiān)?托輪砂帶磨機(jī)設(shè)計(jì)及空間位置測(cè)量與調(diào)整[J].現(xiàn)代制造,2017(18):148-149.