水泥生產線旋轉設備監(jiān)測技術

引言

近十年我國水泥工業(yè)飛速發(fā)展，5000t/d新型干法水泥生產線及其以上規(guī)模已經成為主流，機械設備大型化已經成為不爭的事實。這些設備的安全高效運行已經成為水泥企業(yè)效益的重要決定因素。避免這些設備隨機性故障地發(fā)生已經成為水泥企業(yè)關注的重點。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)測水泥生產設備是否安全已經不能滿足現(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，是研究的新興課題之一，著重考慮的是預測設備的時間依存性故障和改變設備的維護方式。該技術是在狀態(tài)監(jiān)測及故障分析基礎上發(fā)展起來的，是實現(xiàn)以先進的預知維護取代以時間為基礎的預防性維護的關鍵技術。水泥企業(yè)以旋轉機械為主，本文著重介紹旋轉機械設備監(jiān)測技術的發(fā)展及用于水泥工廠中的監(jiān)測系統(tǒng)。

1旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展

1.1發(fā)展歷程

旋轉機械是工業(yè)上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉機械，如：離心泵、電動機、發(fā)動機、發(fā)電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機、回轉窯等，都是工業(yè)企業(yè)的關鍵設備。近二十年來，我國的機械設備也朝著輕型化、大型化、重載化和高度自動化等方向發(fā)展，出現(xiàn)了大量的強度、結構、振動、噪聲、可靠性，以及材料與工藝等問題，設備損壞事件時有發(fā)生，如新疆某兩支撐回轉窯在2008年年初就發(fā)生了斷裂事故。

大型旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術研究是國家重點的攻關項目，目的是提高大型旋轉機械的產品質量，減少突發(fā)性事故，避免重大經濟損失。20世紀50年代，各種類型和性能的傳感器和測振儀相繼研制成功，并開始應用于科學研究和工程實際。20世紀60~70年代，數字電路、電子計算機技術的發(fā)展、“信號數字分析處理技術”的形成，推動了振動檢測技術在機械設備上的應用。20世紀70~80年代，機械設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術在許多發(fā)達國家開始研究。隨著電子計算機技術、現(xiàn)代測試技術、信號處理技術、信號識別技術與故障診斷技術等現(xiàn)代科學技術發(fā)展，機械設備的監(jiān)測研究跨入系統(tǒng)化的階段，并把實驗室的研究成果逐步推廣到核能設備、動力設備以及其它各種大型的成套機械設備中去，進入了蓬勃發(fā)展的階段。例如：日本的“旋轉機械健康管理系統(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，都具備了機組信號數據的采集、分析、計算、顯示、打印、繪圖等功能，并配有專項診斷軟件。先進的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)把體現(xiàn)機械動態(tài)特性的振動、噪聲作為主要監(jiān)測和分析的內容。由于振動、噪聲是快速的隨機性信號，不僅對測試系統(tǒng)要求高，而且在分析中要進行大量的數據處理，國內外在20世紀80年代用小型計算機或專用數字信號處理機做為主機完成機械動態(tài)特性的數據處理，該類主機不僅價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90年代以來，高檔微機不斷更新且價格迅速下降，適合數字信號處理的計算方法不斷優(yōu)化，使數據處理速度大為提高，為在工業(yè)現(xiàn)場直接應用狀態(tài)監(jiān)測技術創(chuàng)造了條件。丹麥、美國、德國、日本等發(fā)達國家的專家學者對旋轉機械工作狀態(tài)監(jiān)測技術進行了深入研究，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)為代表已經達到較高的水平。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：自動譜比較并進行故障預警報警；對6％和23％恒百分比帶寬譜進行速度補償；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）計算；支持局域網。美國IRD公司的IQ2000系統(tǒng)可認為是至今為止有報道的功能最齊全的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。

我國在工業(yè)部門中開展狀態(tài)監(jiān)測技術研究的工作起步于1986年，在此之前從國外引進的大型機組，一般都購置了監(jiān)測系統(tǒng)。而在自行研制的國產設備上，若選用國外的監(jiān)測系統(tǒng)，由于價格異常昂貴而難以接受。20世紀80年代中后期以來，我國有關研究院所、高等院校和企業(yè)開始自行或合作研究旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測技術，無論在理論研究、測試技術和儀器研制方面，都取得了成果，并開發(fā)出相應的旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。如：武漢理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等。

武漢理工大學國家建材行業(yè)回轉窯檢測技術中心研制出了回轉窯筒體輪廓激光掃描測量系統(tǒng)能夠方便及時地在線發(fā)現(xiàn)會發(fā)生耐火磚脫落的地方，從而避免損失，提高回轉窯的運轉率和檢修的質量標準；武漢理工大學回轉窯檢測中心研制的回轉窯運行軸線的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了生產實際中的動態(tài)測量難題，可對回轉窯運行軸線進行實時監(jiān)測控制；哈爾濱工業(yè)大學等單位聯(lián)合研制的3MD-Ⅰ微機化“汽輪發(fā)電機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”，以及后來進一步開發(fā)的汽輪機故障診斷專家系統(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-峰值計算；殼體振動監(jiān)測；頻譜分析，包括頻率細化、階比譜分析、階跟蹤譜、三維功率譜分析；自動預、報警；故障特征提取及診斷。

從技術發(fā)展過程看，現(xiàn)代監(jiān)測技術已經從以傳感器技術和動態(tài)測試技術為基礎，以信號處理技術為手段的常規(guī)技術階段發(fā)展到人工智能技術為設備監(jiān)測和故障分析的智能化階段。

1.2 發(fā)展趨勢

機械設備運行狀態(tài)的監(jiān)測技術，已經從單憑直覺的耳聽、眼看、手摸，發(fā)展到采用現(xiàn)代測量技術、計算機技術和信號分析技術的先進的監(jiān)測技術，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)、模糊數學等新興學科在機械狀態(tài)監(jiān)測技術中也找到用武之地。

在機械動態(tài)信號分析方法和應用技術上，新近的發(fā)展有：采用空間域濾波的預處理、采用Vold－Kalman濾波的多軸階比信號分析技術、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、以及與VXI總線儀器平臺相關的技術等。

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。最先進的當然是自動在線監(jiān)測方式。該方式不僅能實現(xiàn)自動在線監(jiān)測設備的工作狀態(tài)，及時進行故障預報，而且能實現(xiàn)在線地進行數據處理和分析判斷；由于能根據專家經驗和有關準則進行智能化的比較和判斷，中等文化水平的值班工作人員經過短期培訓后就能使用。該方式不需要人為更換測點，不僅不需要專門的測試人員，也不需要專業(yè)技術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)展及其在實際中的應用、數據處理軟件的大量開發(fā)，旋轉機械狀態(tài)在線監(jiān)測技術正向多目標、多層次監(jiān)測和網絡化方向發(fā)展。

2水泥工業(yè)旋轉設備監(jiān)測技術舉例

30年來，水泥工業(yè)在世界范圍內飛速發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)測技術在水泥工廠得到了廣泛應用，尤其是工藝過程的監(jiān)測和生產質量的控制，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。在水泥廠旋轉設備的監(jiān)測方面，相關機構做了大量的科研開發(fā)和實踐工作，本文以回轉窯的監(jiān)測為例進行介紹。

2.1回轉窯運行軸線的實時監(jiān)測系統(tǒng)

回轉窯是冶金、化工、建材等行業(yè)的關鍵設備，在低速、重載、高溫、露天環(huán)境下運行，其運行軸線是衡量其機械運行狀態(tài)的重要指標，由于溫度、載荷引起的變形、支承零件磨損以及基礎的不均勻沉陷等因素，在運轉過程中，回轉窯的運行軸線會偏離理論軸線。當運行軸線偏差達±10mm時，支承彎矩和筒體應力約增加3倍，托輪上的壓力約增加一倍。實際生產中，回轉窯運行軸線偏差一般都超過±10mm，多的可達±40mm。筒體應力增加，會使筒體過早產生疲勞裂紋，甚至因筒體應力過大而引起筒體斷裂；托輪壓力增大，會導致托輪、滾圈表面出現(xiàn)點蝕、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、燒瓦等設備事故，對企業(yè)造成重大經濟損失。

因此要保證回轉窯的長期正常運轉，必須要保證窯運行軸線的準直?；剞D窯運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行的，然而，當窯啟動運轉和烘烤升溫后，其尺寸會發(fā)生變化，因此目前運用較多的回轉窯軸線測量系統(tǒng)是采用動態(tài)測量。

為了檢測回轉窯的運行軸線偏差，國內外許多學者進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）.中南大學研究提出了一種零位移方向鍵相測量法；

（6）.武漢理工大學在上世紀80年代末推出了成本低、操作方便，適合國內回轉窯用戶使用的“KAS-01回轉窯軸線測量系統(tǒng)”并在此之后不斷進行改進，現(xiàn)在 KAS-3型動態(tài)窯軸線檢測裝置已經研究開發(fā)成功，該測量儀由一個直徑測量傳感器，一個霍爾接收開關，一個水平和垂直方向上的激光位移傳感器，一臺經緯儀，一臺水準儀和一個導軌尺及滑標，一個周長采集器和一臺計算機系統(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，并且也解決了生產實際中的動態(tài)測量難題，但是只能是定期或者周期性地對回轉窯運行軸線進行檢測，不能長期地實時反映回轉窯的運行狀況，因此武漢理工大學回轉窯檢測中心在KAS－3檢測系統(tǒng)的基礎上開發(fā)了一套回轉窯運行軸線的實時監(jiān)測系統(tǒng)，來對回轉窯運行軸線進行實時監(jiān)測控制。

2.2回轉窯筒體輪廓激光掃描測量系統(tǒng)

在窯的長期生產過程中，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，如果不及時處理會燒穿筒體鋼板，引發(fā)重大事故。因此水泥生產企業(yè)迫切需要一種測量裝置能夠方便及時地發(fā)現(xiàn)會發(fā)生耐火磚脫落的地方，從而避免損失，提高回轉窯的運轉率和檢修的質量標準。

對于回轉窯的筒體輪廓測量裝置，目前根據所查資料，國外測窯公司有相關測量裝置，但其造價昂貴，應用受到一定限制。國內幾乎沒有研制出相關產品，其測量方法主要就是靠工程師的經驗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。

針對目前國內外該技術上的不足，武漢理工大學國家建材行業(yè)回轉窯檢測技術中心研制出了回轉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：(1) 新型遠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；(2) 本系統(tǒng)可適應高溫、多塵、惡劣環(huán)境；(3) 基于LabVIEW的數據處理，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)為遠距離測量，免去了操作人員受高溫的影響。但不見其在實時監(jiān)測方面的報道。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)，筆者想該事故是應該可以避免的。

3結束語

旋轉機械設備監(jiān)測技術是以設備及其系統(tǒng)為對象，建立在檢測技術、信號處理、識別理論、決策預報及計算機技術等多種現(xiàn)代學科成就基礎上的一門新學科，在設備安全運行、合理使用、適時維修、性能評價以及產品質量控制上獲得了廣泛的應用，并取得了明顯的經濟和社會效益。為了滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)安全高效生產，科研人員開發(fā)了許多先進的旋轉設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的推廣應用，必然會提高我國水泥企業(yè)運營和管理水平，實現(xiàn)設備的高效運轉和促進企業(yè)的節(jié)能降耗工作。