引言
回转窑在建材、冶金等行业中用途广泛，是生产环节的核心装备，其安全稳定运行备受企业重视。回转窑重要的工作特征之一是其中心线理论上运行在一条直线上，且多个支承装置均匀受力。实际生产中，回转窑的运行环境十分恶劣，长时间高负荷的连续运转以及环境中的飞砂会导致窑中心线发生偏移，从而引发许多问题。为了确保回转窑长期稳定运转，人们必须定期检测窑中心线的垂直偏差。
传统的检测方法中，测量窑中心线垂直偏差时，需要检测人员长期在轮带下方作业。通过测量一档、二档、三档轮带最低点相对高程，再结合各档轮带直径和轮带间隙，依靠几何方法计算各档支撑部位窑筒体中心相对高度，然后以一档和三档为基准，计算二档理论位置与实际位置的差值，得到窑中心线垂直偏差。但是，有些窑型的轮带下方空间并不宽敞，检测人员难以进入且需长时间在轮带下方作业，旋转设备以及热辐射都会给操作人员带来安全风险。
为了降低检测人员的劳动强度，提高测量精度，本文介绍了一种新型测量装置，不仅融合了传统的间接测量法的优势，还在关键步骤上实现了机械装置替代人工。
回转窑筒体中心线在冷态安装时要求是一条直线，但在恶劣环境中长期的连续运行会导致轮带以及托轮的不均匀磨损，严重时回转窑产生的剧烈振动，会导致基座沉降，以及温度对轮带顶部与窑筒体间隙的影响，甚至一个小小的轮带垫板都会改变窑中心线的位置。
而当窑中心线垂直偏差过大时，会引发很多设备问题，中心线不正会造成回转窑运转阻力增大，引起电耗升高；此外由于回转窑甩动造成受力不均，加剧回转窑外部机械配件磨损和回转窑内部耐火材料损坏，减少配件使用寿命；严重时会造成筒体产生疲劳裂纹，导致筒体开裂、耐火砖掉落、设备损坏等停窑故障。开停窑、更换配件、更换耐火材料等会降低回转窑的正常运转率，减少经济上的收入，导致不必要的损失。
因此，定期对回转窑中心线垂直偏差进行检测及校正意义十分重大。
对回转窑中心线垂直偏差进行检测的传统方法有直接测量法和间接测量法。
2.1 直接测量法
直接测量法是通过经纬仪和水准仪创建坐标系，从而明确传感器支架在空间坐标系中的位置，随后使用3个激光位移传感器测量仪器与筒体被测点之间的距离，通过支架坐标和激光位移传感器测得的结果求出三个测点的坐标，从而计算出筒体中心（见图1）。该测量装置尽管原理易懂，操作简单，但是在测量过程中测量仪器容易受到振动和温度的影响。
图1 直接测量法原理
2.2 间接测量法
间接测量法采用测地学方法来观测托轮轴心位置，同时测定托轮、轮带的直径以及轮带间隙等参数，最后根据轮带、托轮和筒体间的几何关系计算出窑筒体的中心线的偏差量。该方法能够准确测量各个托轮轴心的在三维坐标系上的位置，便于实现回转窑托轮调整从而实现对窑中心线垂直偏差的调整。但该测量方法对操作人员的素质要求较高，测量结果的准确性与操作人员的水平密切相关，且一些操作存在安全风险，测量原理见图2所示。
图2 间接测量法原理
3.1 创新的动因
直接测量法和间接测量法各有优势和缺点，综合起来看，市场更需要一种携带便捷、测量精确、劳动强度低、应用水平高的检测装置。在间接测量法的基础上，推出动态回转窑轴线检测方法，并设计了配套的新型测量装置——动态回转窑轴线检测装置，对有安全隐患的需要人长期在轮带下方贴近作业（见图3）的步骤进行了替换。
图3 在三档轮带下狭小的空间里实施间接测量法
3.2 动态回转窑轴线检测装置的结构与使用方法
3.2.1动态回转窑轴线检测装置的结构
动态回转窑轴线检测装置采用镁铝合金材质的带水平气泡的单反相机三脚架，将中轴以上用来固定相机的部分切割去除，并同时在中轴杆顶端位置处打孔，通过螺栓与圆柱空心铸件配合，圆柱形铸件上端敞口，下端留一个圆孔以固定T型尺，同时保证圆孔的直径小于弹簧的直径，在T型尺高端固定水平方向的气泡装置。这样，通过保持装置上方的T型尺与轮带接触（见图4），将原本需要人长时间蹲在轮带下方的步骤替换掉，只需要保证装置上的刻度没有歪斜。
图4 动态回转窑轴线检测装置T型尺与轮带接触
3.2.2使用方法
动态回转窑轴线检测装置的使用主要步骤包括：测量相对距离；固定脚架的安装；气泡找平；调节中轴；读取示数和计算数据。
（1） 测量相对距离。测量之前在T型尺上绑定带刻度的直尺，随后测量T型尺高端到直尺上刻度的长度（如T型尺高端到刻度500的距离为350，那么所有的读数减去150才是其离T型尺高端的距离），确定相对距离才能将读数转化为其到T型尺高端的距离，当T型尺与轮带接触时，便可确定所读的点与轮带的距离。
（2）固定脚架。工作人员进入轮带下方，展开脚管，调节到合适的角度，拉伸到合适高度。粗脚管的支撑更稳定，所有操作以确保三脚架能平稳地放置在一个水平面上为准，并锁紧脚管和中轴。
（3）气泡找平。脚管锁紧后，先粗找平，把三个腿踩死，看气泡离哪个腿最近或最远，松开那条腿的板扣式脚管伸缩开关，调节长短，让气泡移动到中心，随后锁紧板扣式脚管伸缩开关。
（4）调节中轴。通过升降中轴摇把，使T型尺与轮带表面实现最大限度地接触（见图5），同时保持弹簧压缩量在合理范围，随后固定中轴旋钮。
图5 读数示意图
（5）读取示数。水准仪找平并读取垂直基准点上卡尺的刻度后，读取本装置上卡尺的刻度，记录；调整水准仪的高度，重复以上操作再测量一次数据并记录。
读数时要选择合适的位置，最大程度避免回转窑基础振动对水准仪读数的影响，遇到水准仪架设地点振动较大时，应多次更换地点，找到水准仪中数值较为稳定的地方读数，同时也可通过降低三脚架高度，甚至选择等高的不在窑上的其他位置，如煤磨站等地方进行读数。水准仪放置在三脚架上时，同时要用中心螺旋手把将水准仪固定，同时三脚架也应该安放稳固，选取的测量位置要使水准仪尽量避免阳光直接照射，调平后进行读数（见图5）。
注意，操作中尽量保持被读数装置的稳定性，升降中轴时应平缓，当T型尺快要与轮带接触时，放慢升起速度，先保持微接触，随后逐渐缓慢抬升，直至完全接触，从而保证数据的真实性与可靠性。
（6）计算数据。将现场收集的数据输入到计算表格中，通过水准仪测量出二、三档以及一、二档之间的高差，结合轮带顶部间隙以及回转窑测量的基础数据从而计算出一、三档之间的高差，如图6，同时测量二、三档和一、二档之间基准点的高差。同时统计其他对回转窑垂直中心线有影响的物理量，如轮带与筒体的顶部间隙、基准点之间的高差等窑的运行参数，通过数据拟合计算，得到二档处理论和实际高度的差值，如图7，即为△d，这就是通过计算得到的回转窑垂直中心线垂直偏差。
图6 垂直中心线测量原理图
图7 垂直中心线计算原理图
3.3 应用案例
对海螺水泥GY2#窑进行测量，结果列入表1。根据每档测量的两组基准点标高、T型尺上刻度数据，结合各档之间高差、窑运转的基础数据、托轮和轮带的实际参数以及轮带间隙，通过综合函数计算，得出GY2#窑的垂直中心线垂直偏差，结果为+2.5 mm（见图8），即二档最低点的高度比依靠几何方法将一、三档的最低点连线所计算出的理论结果高2.5 mm，这为调窑工作提供了数据支撑，避免了之前完全依靠经验判断回转窑中心线偏差的弊端。
表1 集团旗下GY2#窑测量结果
图8 窑中心线垂直偏差示意图
人工读数有一定的误差性，且对经验的要求较高，如果对动态回转窑轴线检测装置做一些改进，在弹簧下方放置压力传感器（见图9），来监测位移的变化。根据胡克定律，固体材料受力之后，材料中的应力与应变（单位变形量）之间成线性关系，即F＝kx。所以弹簧的压缩量就是△X，压力传感器将△X这个变化量通过电信号输出，即可实现中央控制室的实时监测。
图9 弹簧下方放置压力传感器
综上所述，本文在间接测量法的基础上，创新性地研制出动态回转窑轴线检测装置，代替了工作人员长时间在轮带下方贴近作业的工序。使用该装置时，为了确保数据的可靠性，安装装置时尽量避开有严重点蚀凹坑的轮带表面；最好在脚管处放置重物固定，防止轮带转动带动装置倾倒；尽量多次测量，在轮带不同位置测量；应在窑态稳定的情况下进行测量。从科技发展现状来看，该测量方法可与现代科技结合，有望对窑实现实时监测，为回转窑的数字化智能化控制创造条件。
来源：《安徽芜湖海螺建筑安装工程有限责任公司》
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