洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法

李瑞建，劉艷芳，宋永吉

（1.山東奧諾能源科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東小鴨集團(tuán)洗滌機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.航電中和山東醫(yī)療技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250104）

0 引言

回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)作為干燥硝銨產(chǎn)品的重點(diǎn)設(shè)備，大多數(shù)型號(hào)為3 200 mm*3 200 mm，干燥機(jī)的筒體材質(zhì)采用Q235-A，筒體的厚度范圍在15 mm～18 mm之間，內(nèi)壁采用螺栓固定[1]。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的流轉(zhuǎn)方式通常為逆流方式，兩端進(jìn)氣，中間安裝了導(dǎo)流通道裝置，氣體多數(shù)由中間抽出[2]。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)設(shè)有空氣加熱儀器，加熱通道內(nèi)的空氣，使得硝銨入口一側(cè)的空氣溫度能夠達(dá)到80℃左右，保證出口的空氣溫度大于115℃。洗煤廠內(nèi)需要使用干燥機(jī)的產(chǎn)品，其干燥的整體過程通常分為兩部分：干燥預(yù)處理與直接干燥。一般情況下，硝銨濃度較高的一端為預(yù)干燥部分；硝銨濃度較低的一端為直接干燥部分[3]。在所有產(chǎn)品在進(jìn)入轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的通道前，需經(jīng)過濕潤(rùn)處理，將產(chǎn)品經(jīng)過高溫加熱后順流換熱處理，在到達(dá)干燥機(jī)通道中部時(shí)，加速氣體在出口處的導(dǎo)流處理，再進(jìn)入直接干燥段進(jìn)行逆流換熱處理，最終將硝銨產(chǎn)品輸出設(shè)備[4]。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)底部設(shè)有鞍座板，其主要作用是負(fù)責(zé)載荷的傳遞，將干燥機(jī)筒體內(nèi)的載荷運(yùn)輸傳遞到滾圈當(dāng)中，減少干燥機(jī)筒體與滾圈之間的摩擦與損害[5]，干燥機(jī)的運(yùn)行相對(duì)較為平穩(wěn)，出現(xiàn)故障的情況較少。然而現(xiàn)階段，由于更換了鞍座板，導(dǎo)致鞍座板與干燥機(jī)滾圈之間摩擦增大，滾圈出現(xiàn)斷裂的情況較多[6]。干燥機(jī)設(shè)備斷裂的裂紋特點(diǎn)大致包括4種：鞍座板縱向出現(xiàn)長(zhǎng)短不一的裂紋、筒體的邊緣位置出現(xiàn)縱向分布裂紋、焊縫連接位置橫向出現(xiàn)較短的裂紋、干燥機(jī)通道中間部位導(dǎo)流焊縫出現(xiàn)少數(shù)不明顯裂紋[7]?；诹鸭y分布位置與特點(diǎn)的不同，產(chǎn)生的設(shè)備故障問題也不同，對(duì)干燥機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)存在不同的威脅[8]。

綜上所述，提出的洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法，通過智能定位斷裂點(diǎn)的位置，獲取干燥機(jī)故障的位置以及相關(guān)信息，保證洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，提高洗煤廠的生產(chǎn)效率。

1 洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法設(shè)計(jì)

1.1 滾圈斷裂原因分析

在設(shè)計(jì)洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法前，首先要分析滾圈產(chǎn)生斷裂的原因，獲取滾圈斷裂的來源。干燥機(jī)斷裂產(chǎn)生裂紋的位置存在一定的差異，根據(jù)干燥機(jī)筒體的受力情況來看，筒體的整個(gè)重量是基于滾圈轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至托輪[9]。滾圈所在的位置，筒體的重力主要作用在兩端的托輥上，筒體自身的橫截面形狀呈現(xiàn)圓形，然而，在物料重力作用下，筒體的橫截面會(huì)出現(xiàn)逐漸變形為橢圓形，通常表現(xiàn)在干燥機(jī)筒體與滾圈的間隙中，筒體與滾圈上方的間隙相對(duì)而言較大，下方不存在間隙[10]。即筒體與滾圈間隙上方的曲率半徑較大，筒體受到彎曲應(yīng)力的作用較強(qiáng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的滾圈出現(xiàn)斷裂，產(chǎn)生了部分?jǐn)嗔腰c(diǎn)。隨著時(shí)間的變化，應(yīng)力作用出現(xiàn)了周期變化，即為循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)應(yīng)力的不斷作用，導(dǎo)致干燥機(jī)筒體達(dá)到了疲勞極限，常見現(xiàn)象就是干燥機(jī)筒體出現(xiàn)裂紋或者滾圈出現(xiàn)斷裂。

干燥機(jī)筒體邊緣位置出現(xiàn)裂縫的主要原因在于筒體受到循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生振動(dòng)。受到高溫加熱的影響，筒體的出口處溫度高于入口處，過高的溫度使轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的性能下降，形成干燥機(jī)疲勞斷裂。長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)，造成筒體開裂，筒體靠近振動(dòng)的位置，受到的驅(qū)動(dòng)約束較小，產(chǎn)生裂紋的可能性較高。

干燥機(jī)出口處滾圈與鞍座板的距離較大，間隙也相對(duì)較大，在安裝與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，干燥機(jī)筒體軸線的截面圓度維護(hù)工作相對(duì)而言較為困難，導(dǎo)致滾圈的受力作用增強(qiáng)。在滾圈的出口側(cè)存在平鍵缺失的情況，滾圈與鞍座板之間缺乏固定的連接，定位相對(duì)較困難，筒體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中容易產(chǎn)生滑動(dòng)，增加筒體與設(shè)備之間的磨損，增大了滾圈與筒體的間隙，降低了滾圈對(duì)干燥機(jī)的加強(qiáng)作用。根據(jù)干燥機(jī)滾圈筒體的運(yùn)行狀態(tài)能夠判斷出設(shè)備的干燥段，獲取空氣溫度與筒體溫度之間關(guān)系，干燥機(jī)筒體的疲勞程度受到兩種溫度的共同影響，導(dǎo)致干燥機(jī)滾圈的斷裂較為嚴(yán)重。

1.2 建立斷裂點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型

為了有效地改善由于滾圈斷裂對(duì)干燥機(jī)運(yùn)行造成的不良影響，綜合考慮干燥機(jī)滾圈斷裂的原因，建立斷裂點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型。

由于轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的筒體體積較為龐大，內(nèi)部通道的構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，為了獲取干燥機(jī)的構(gòu)造信息，采用仿真分析的方式對(duì)洗煤廠內(nèi)干燥機(jī)進(jìn)行規(guī)劃，建立科學(xué)的模型方案。構(gòu)建模型首先要考慮干燥機(jī)外部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，通過仿真計(jì)算方法分析計(jì)算結(jié)果是否滿足洗煤廠實(shí)際的工程需要。在筒體建模過程中，熱空氣容易與一些雜物混合，生成混合體共同進(jìn)入干燥機(jī)的通道內(nèi)，混合體產(chǎn)生的重力對(duì)干燥機(jī)通道的影響較小，暫且忽略不計(jì)，干燥機(jī)其他零部件之間單獨(dú)存在，沒有相互受力的情況。

設(shè)置在斷裂點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型中，干燥機(jī)底部的抄板數(shù)量為265塊，在仿真計(jì)算中要加上抄板的重力。對(duì)于干燥機(jī)各個(gè)部件之間的連接，采用螺紋連接的方式，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)將部件作為一個(gè)整體，減少網(wǎng)絡(luò)的劃分操作。利用PRO/E三維建模軟件，構(gòu)建干燥機(jī)斷裂點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型，依據(jù)仿真分析軟件對(duì)模型中的數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行導(dǎo)入操作。由于轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)在運(yùn)行時(shí)，呈現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)方式，干燥機(jī)的筒體存在一定的對(duì)稱性。因此，本研究基于筒體的對(duì)稱性，構(gòu)建的模型對(duì)于計(jì)算精度的要求較高，同時(shí)，在計(jì)算中不考慮接觸熱阻的影響，需保證干燥機(jī)各個(gè)單元之間相互連接。

將斷裂點(diǎn)定位模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用自動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)，結(jié)合仿真分析精度，盡量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化。首先，調(diào)整模型中精度較高區(qū)域的網(wǎng)格密度，在模型中生成具有一定特性的網(wǎng)格元素；設(shè)置迭代過程，保證數(shù)學(xué)模型能夠自適應(yīng)網(wǎng)格劃分指定的結(jié)果，在網(wǎng)格劃分結(jié)束后，指定干燥機(jī)設(shè)備各個(gè)部件的自適應(yīng)度。

網(wǎng)格劃分完畢后，預(yù)處理模型邊界的條件。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的筒體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常以9.6 r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制筒體的進(jìn)料端橫向位移，調(diào)節(jié)筒體的位移路線，保證其在滾圈上進(jìn)行移動(dòng)。固定干燥機(jī)出料端的運(yùn)行軌跡以及半徑大小，對(duì)干燥機(jī)的對(duì)稱面實(shí)行對(duì)稱約束操作，完成干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)定位模型的建立。

1.3 計(jì)算干燥機(jī)滾圈強(qiáng)度

由于轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的滾圈與筒體承受重力與熱載荷的共同作用，傳統(tǒng)的滾圈強(qiáng)度計(jì)算方式，無(wú)法對(duì)滾圈以及筒體受到的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，因此，本研究采用校核計(jì)算方式，計(jì)算洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈的強(qiáng)度。

設(shè)置干燥機(jī)受到外加載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力為P，P必須與內(nèi)外載荷力之間保持平衡，不受到限制。設(shè)置干燥機(jī)總體薄膜應(yīng)力為Pm、局部的薄膜應(yīng)力為Pl、受到重力作用形成的彎曲應(yīng)力為Pb；受到部件約束產(chǎn)生的二次應(yīng)力為Q；峰值應(yīng)力為F，由于干燥機(jī)局部的結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，受到的重力強(qiáng)度過大會(huì)導(dǎo)致滾圈出現(xiàn)斷裂裂紋。干燥機(jī)滾圈的周期性載荷S的計(jì)算公式為：

其中，m表示重力強(qiáng)度的常數(shù)向量，通過計(jì)算獲取到滾圈運(yùn)行的周期性載荷，根據(jù)載荷計(jì)算結(jié)果，利用分析算法，計(jì)算滾圈的應(yīng)力值P：

滾圈的應(yīng)力值應(yīng)當(dāng)小于應(yīng)力強(qiáng)度值，增加滾圈的彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，計(jì)算干燥機(jī)滾圈強(qiáng)度M的最大值與最小值：

由于干燥機(jī)內(nèi)的物料隨熱空氣在通道內(nèi)流動(dòng)，干燥機(jī)實(shí)際工作受到的載荷與重力作用不受到影響。在考慮轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的自重作用下，計(jì)算筒體與滾圈受到的摩擦力大小、啟動(dòng)干燥機(jī)的瞬間，計(jì)算此時(shí)的扭矩。在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)靜止不動(dòng)時(shí)，滾圈受到兩端拖輪的支撐作用，位移的距離受到了約束，由于滾圈與拖輪之間的接觸面積無(wú)法測(cè)量，所以無(wú)法獲得準(zhǔn)確的滾圈應(yīng)力。結(jié)合上述構(gòu)建的滾圈斷裂點(diǎn)定位模型，加入滾圈抄板的重量，共同進(jìn)行分析。在只受到重力作用的情況下，轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的受力主要集中在滾圈以及支撐板上，此時(shí)，滾圈強(qiáng)度的最大等效力達(dá)到5.96 MPa，其他部件受到的等效應(yīng)力相對(duì)較小。

1.4 定位滾圈斷裂點(diǎn)的運(yùn)行軌跡

為了更好地獲取到轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)的信息，通過上述計(jì)算出干燥機(jī)滾圈能夠承受的強(qiáng)度極值，根據(jù)滾圈強(qiáng)度極值，判定滾圈斷裂點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，并定位滾圈斷裂點(diǎn)的運(yùn)行軌跡。將轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的筒體周圍進(jìn)行劃分，劃分為10份，對(duì)各個(gè)部位進(jìn)行編號(hào)處理，利用百分表，記錄干燥機(jī)設(shè)備各個(gè)部位的原始跳動(dòng)值指標(biāo)，見表1。

表1 干燥機(jī)設(shè)備原始跳動(dòng)值指標(biāo)

如表1所示，作為干燥機(jī)設(shè)備各個(gè)部位的原始跳動(dòng)值指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)值，找出干燥機(jī)設(shè)備磨損嚴(yán)重的部位，計(jì)算滾圈的強(qiáng)度大小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定滾圈是否存在斷裂現(xiàn)象。

根據(jù)洗煤廠的實(shí)際情況與現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，調(diào)整轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的墊板，控制筒體的同心度，將干燥機(jī)進(jìn)料端的擋塊拆除，采用環(huán)規(guī)儀器測(cè)量干燥機(jī)墊板處的圓度以及貼合率。根據(jù)干燥機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸的不同，出料端與進(jìn)料端的滾圈內(nèi)徑大小也不同，通常情況下，設(shè)置出料端口的滾圈內(nèi)徑與墊板的尺寸相近，依靠墊板調(diào)整干燥機(jī)滾圈的同心度以及內(nèi)徑大小。在干燥機(jī)的滾圈原始跳動(dòng)值指標(biāo)出現(xiàn)大幅度變化時(shí)，利用軌跡測(cè)量?jī)x器，合理定位斷裂點(diǎn)的位置，完成洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本研究提出的洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法的有效性，進(jìn)行了如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境選取山西省某洗煤廠，干燥機(jī)采用型號(hào)為TM2541的回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)，筒體的厚度約為20 mm，滾圈內(nèi)筒體的厚度為48.5 mm，在筒體內(nèi)壁設(shè)置螺栓，固定通道內(nèi)的抄板，利用逆流閥門裝置，使熱空氣從兩端進(jìn)入，中間流出。用75℃高溫加熱硝銨產(chǎn)品，加熱后放入干燥機(jī)的干燥段，預(yù)干燥處理硝銨產(chǎn)品，將硝銨產(chǎn)品用水浸泡3 min，放入干燥筒的直接干燥段，將轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)通道內(nèi)的熱空氣導(dǎo)出，導(dǎo)出后進(jìn)行空氣逆流操作，設(shè)置輸出干燥機(jī)與空氣加熱器，在熱空氣流出時(shí)將硝銨產(chǎn)品輸出。通過鞍座板的傳遞作用，將熱空氣及產(chǎn)生的相關(guān)物質(zhì)傳遞至回轉(zhuǎn)體中，保持回轉(zhuǎn)體在拖輪上回轉(zhuǎn)。冷態(tài)處理干燥機(jī)矩形滾圈，控制滾圈在鞍座板位置進(jìn)行松套操作，通過公式（1）～（3）計(jì)算出滾圈斷裂點(diǎn)強(qiáng)度的最大值和最小值，并判斷洗煤廠干燥機(jī)的滾圈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2 結(jié)果分析

設(shè)置本研究提出的洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)的PTA定位方法為對(duì)照組，對(duì)比兩種定位方法滾圈的定位間隙測(cè)量值參數(shù)，見表2。

表2 兩種定位方法的測(cè)量值參數(shù)對(duì)比

從表2可知，提出的洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法，在跳動(dòng)值與間隙測(cè)量值方面，方差較小，從而提高了對(duì)洗煤廠干燥機(jī)斷裂點(diǎn)智能定位的準(zhǔn)確度，更加適用于洗煤廠企業(yè)干燥機(jī)的運(yùn)行工作。

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高洗煤廠干燥機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性，提出的洗煤廠轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)滾圈斷裂點(diǎn)智能定位方法，對(duì)于干燥機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用。根據(jù)干燥機(jī)的工藝條件以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了斷裂點(diǎn)定位模型，計(jì)算干燥機(jī)滾圈的強(qiáng)度極值，獲取到干燥機(jī)的載荷應(yīng)力分布以及特征。實(shí)驗(yàn)證明，此種定位方法測(cè)得的滾圈間隙測(cè)量值方差較小，在跳動(dòng)值與滾圈強(qiáng)度方面存在一定的優(yōu)勢(shì)。