摘 要

回转窑轮带位置的测量，是回转窑轴线直线度检测的重要环节之一，对其进行研究对回转窑的检测具有重大意义。本文首先对回转窑的功能结构以及重要性做了分析介绍，之后通过资料查阅，研究学习目前国内外轮带位置检测技术方法的发展状况，对几种国内外轮带位置的检测方法进行了研究分析，对这些方法的原理、操作方式以及优缺点进行了分析介绍，了解这些技术方法的同时，也发现目前的轮带位置测量方法还有诸多不足之处，还需要进一步的完善。

在前面对国内外轮带位置测量技术方法研究的基础上，本文提出了一种新的轮带位置三维测量方法。此方法采用“三点法”原理，使用全站仪和辅助测量的机械装置进行测量，利用全站仪的自动目标识别功能，配合球棱镜及辅助测量的机械装置滚轮标靶，快速的测量出运行中轮带上的点的坐标。之后通过坐标系转换，三维降二维的方法，将所测得的点的坐标放在同一平面中处理，最后通过数据处理计算得出轮带的中心位置坐标。此方法全程使用全站仪进行自动测量，大幅度减少了人工测量工作量的同时，提高测量精度，而且仪器设备简单，操作方便、快捷、安全，为轮带位置的测量提供了一种全新的方法。

本文提出了新的测量方法外，对测量使用的仪器装置进行了选择与设计。全站仪选用了徕卡公司的徕卡TS60型全站仪，该全站仪功能强大，是目前世界上最为先进的全站仪之一。机械装置对滚轮标靶进行了设计，主要包括滚轮、滚轮套筒、滚轮轴、支撑杆以及棱镜基座的设计。这些仪器装置的选择与设计配合新方法能够在测量中起到事半功倍的效果。

关键词：回转窑；轮带位置；三维测量；测量方法

Abstract

Rotary kiln wheel belt position measurement is one of the important links in the axis straightness measurement of rotary kiln. The research on it is of great significance to the detection of rotary kiln. Firstly, the function structure and importance of rotary kiln are analyzed and introduced. Then, by consulting data, the development status of wheel position detection technology at home and abroad is studied and analyzed. Several wheel position detection methods at home and abroad are studied and analyzed. The principles, operation modes, advantages and disadvantages of these methods are analyzed and introduced, and the technical methods are understood. At the same time, it is found that there are still many shortcomings in the current wheel position measurement methods, which need to be further improved.

On the basis of the research on the technology and methods of wheel position measurement at home and abroad, a new three-dimensional measurement method of wheel position is proposed in this paper. This method adopts the principle of "three-point method", uses the total station and the mechanical device of auxiliary measurement to measure, uses the automatic target recognition function of the total station, cooperates with the spherical prism and the roller target of the mechanical device of auxiliary measurement, and quickly measures the coordinates of the points on the wheels in operation. Then, the coordinates of the measured points are processed in the same plane by coordinate system transformation and three-dimensional reduction. Finally, the coordinates of the central position of the wheel belt are calculated by data processing. This method uses total station for automatic measurement, greatly reduces the workload of manual measurement, improves the measurement accuracy, and the instrument is simple, easy to operate, fast and safe. It provides a new method for the measurement of wheel position.

In addition to the new measurement method, the selection and design of instruments and devices used in the measurement are carried out. Leica TS60 Total Station of Leica Company is selected as the total station instrument. The total station instrument has powerful functions and is one of the most advanced total station instruments in the world. The mechanical device designs the target of the roller, which mainly includes the design of the roller, the roller sleeve, the roller axle, the support rod and the prism base. The selection and design of these instruments and devices can achieve twice the result with half the effort.

Key Words: rotary kiln; wheel position; three-dimensional measurement; measurement method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 回转窑概述 1

1.1.1 回转窑应用与发展 1

1.1.2回转窑结构 1

1.1.3 回转窑相关检测技术 3

1.2 研究目的与意义 3

1.2.1 研究目的 3

1.2.2 研究意义 3

1.3 主要研究内容 4

第2章 回转窑轮带位置测量方法介绍 5

2.1 美国Philips公司“直接测量法” 5

2.2德国Polysius公司“轮带位置测量法” 6

2.3丹麦F.L.S公司“激光轮带位置测量法” 6

2.4波兰GEOSERVEX公司“光测悬垂法” 7

2.5北京机械工业学院“基于三点法的回转窑轴线在线测量系统” 7

2.6武汉理工大学“KAS-3型回转窑中心线动态测量法” 8

2.7 本章小结 9

第3章 新型回转窑轮带位置三维测量方法 10

3.1轮带的工况 10

3.2测量原理 10

3.3 测量方法 11

3.4关键问题解决 14

3.4.1 坐标系转换合并 14

3.4.2柱面坐标处理 18

3.5 本章小结 19

第4章 测量仪器装置的选择与设计 20

4.1 全站仪 20

4.2 滚轮测量标靶 23

4.2.1 滚轮测量标靶总体结构 23

4.2.2 滚轮装置设计 23

4.2.3 滚轮轴 25

4.2.4支撑杆 26

4.3 棱镜基座 27

4.5 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪 论

1.1 回转窑概述

1.1.1 回转窑应用与发展

回转窑是建材行业中一个重要的原料反应设备。1824年，英国人J艾普斯发明了间接式操作的立式土窑；1883年，因为生产力的发展，效率低下的立式土窑满足不了发展的需求，德国人Dietzsch对其进行了改进，发明了可连续操作的多层立窑，大大提高了工作效率；1885年，英国工程师E.Ransome在前人的基础上发明了回转窑，并将其投入了生产，随后相继在英国、美国取得了专利。此后，回转窑技术开始走向全世界，迅速在建材、化工、冶金等多个行业中推广和应用^[1]。

回转窑是个具有一定斜度且多点支持并可以回转的长管状物，在实际生产中，回转窑通过低速回转运动，使窑内物料混合均匀，加热充分，在密闭的环境中充分发生物理化学反应。回转窑最先应用于水泥行业，从诞生到至今，100多年的时间里，回转窑技术跟随着时代发展与进步，经历了无数次重大革新，技术日趋成熟完善，应用于各行各业，它给水泥行业带来了革命性的转变和飞速的发展，同时被众多工业领域广泛应用，在相应的生产领域中处在关键位置，尤其是在水泥行业，其是水泥生产过程的主要设备，是水泥厂的“心脏”^[2]。回转窑经历了100多年的发展，尽管本质上没有什么改进，但其结构特征却因各种条件因素不断在改进与完善，从最初的的直径小、产量低、效率低到现在的日产万吨，回转窑发展实现了重大飞跃。

1.1.2回转窑结构

随着时代的发展与进步，机器设备的发明如泉水喷涌而出，但在相应的生产领域，回转窑的关键地位还是无可动摇，到目前为止也还没出现可以替代的设备。回转窑主要有四大功能：作为物理化学反应器、作为燃料燃烧装置、作为热交换装置、作为输送设备。而回转窑的功能都是依托于它的结构实现的。回转窑运用于各行各业，不同的行业，对其设计要求也不同，主要是外形结构和尺寸设计不同，但其主要结构组成大致是一样的。

回转窑属于大型、长回转圆筒类设备，其实物图如图1。

图1.1 回转窑实物图

从整个结构来看,一般回转窑主要分为几个部分：筒体、轮带、支撑装置、传动装置和窑头窑尾密封装置。下面简单介绍一下各个部分的结构组成和作用^[3]：

（ 1）筒体

筒体是回转窑的主体，其直径一般3-7米，长度最大可达两百多米，其是由大约40mm厚的钢板卷制而成，有如钢管状。筒体以一定角度倾斜放置，内部有耐火材料（窑衬），保护筒体和减少热量损失，使得物料在筒体内混合均匀，物理化学反应充分。筒体的结构决定了回转窑的多种功能用途。

（2）轮带

轮带是空套在筒体上的铁圈，其通过筒体旋转带动做回转运动，因此，轮带又称为滚圈。轮带与筒体非固定连接，而是通过一系列铁板隔开，使之与筒体间存在一定的间隙，同时要保证间隙的大小，间隙太大会使轮带与筒体之间相互移动，加剧筒体变形，加大磨损；间隙太小则会使得筒体因为热胀过快而发生 “缩颈现象”， 使筒体发生变形，导致内部耐火材料遭到破坏。轮带位置和间隙的大小对回转窑的平稳运行具有重大意义。

（3）支撑装置

为了保证回转窑“直”而“圆”，因此需要支撑装置进行保证。支撑装置有两大部分组成：托轮支撑装置和挡轮支撑装置。

托轮支撑装置与轮带直接接触，承担回转窑的全部重量并给筒体起到定位的作用，它由托轮轴承组和水泥基座墩组成。托轮支撑装置对窑轴线的调节极其重要。

挡轮支撑装置主要是调节和控制回转窑轴向的移动，一般为液压挡轮装置。其保证了回转窑轴向的移动和轮带与托轮的均匀磨损。

（4）传动装置

传动装置主要是齿轮传动装置，大齿圈固定在筒体上，电动机经过减速器驱动小齿轮，小齿轮与大齿圈啮合，从而带动筒体旋转。传动装置必须保证传动的平稳，传动不平稳会使筒体振动，加剧磨损和引发事故。

（5）窑头窑尾密封装置

回转窑生产需要密封环境，因此，要在筒体的两端要加密封装置才能达到生产条件。密封装置安装在筒体与窑头罩和窑尾烟室结合处的缝隙，保证气密性的同时防止筒体内物料泄漏。

1.1.3 回转窑相关检测技术

回转窑作为水泥企业的关键生产设备，在实际生产中占有重要地位。回转窑属于大型机械设备，长期处于恶劣的运行环境，其运行状况很大程度上影响着企业的经济效益，而回转窑设备大而重，必须长期连续运行，不易维修更换，因此，对回转窑进行检测和维护对企业来说至关重要。随着回转窑广泛应用的发展，不仅在其结构尺寸方面有了重大改进，在其检测技术方面也有了长足的进步。一开始是一静态检测为主，然而静态检测要在停机的状态下进行，对于回转窑来说，尤其是大型日产万吨的回转窑，停机一天就会造成极大的经济损失。这就促进了人们对回转窑动态检测的研究，最终实现了技术的重大突破，回转窑检测技术由静态向动态跨越。回转窑的检测技术主要包括几个项目：回转窑轴线检测、筒体检测、轮带检测、托轮检测和大齿圈检测。这些检测全面的覆盖了回转窑的主要组成部分，在此就不一一详细介绍。本文主要研究轮带位置的检测方法。

1.2 研究目的与意义

1.2.1 研究目的

回转窑轮带位置的3维测量就是测量轮带的水平、垂直位置，轮带与筒体间隙。轮带的水平、垂直位置反映的是轮带在空间坐标系中的位置，通过测量轮带轮带的直径、轮带外工作面边缘与基准线和坐标系的位置关系、及其在水平和垂直直径方向上的跳动等来得出轮带的空间变化位置^[4]。通过查阅相关资料，对回转窑轮带位置的检测技术进行了解和比较，对相关的方法进行研究解读，并在此基础上设计出一种新的轮带位置的3维测量方法。

1.2.2 研究意义

回转窑是相关生产领域的核心生产设备，对企业的生产效益有着举足轻重的影响地位。然而回转窑长期在高温重载的恶劣环境下运转，难免会出现各种状况，而回转窑大而重，不便于更换维修，因此提前的检测维护十分重要。而回转窑的轮带在整个设备中起着至关重要的作用，它承载回转窑的全部重量，保证回转窑的平稳运行。轮带的位置发生变化超出限定值，就会对设备造成损坏，引发事故，给企业生产带来巨大损失。因此，对轮带位置检测的研究，有助于设备的维护和调整，为企业降低风险，对企业的经济效益有着重要意义。

1.3 主要研究内容

熟悉回转窑基本结构和回转窑轮带筒体位置测量要求，了解动态回转窑轮带筒体测量技术的国内外发展状态；了解熟悉远距离动态3维测量方法和圆柱形筒体表面数个原始数据的中心点和中心线的处理方法，选择测距扫描传感仪器类型；根据现有测量方法，研究选择设计回转窑激光测距扫描仪器，研究相关测量方案和方法。

第2章 回转窑轮带位置测量方法介绍

回转窑轮带位置的测量，主要测量参数包括三点：一是轮带外圆的直径；二是轮带在运行过程中的水平和垂直位移；三是轮带中心和筒体中心的间隙；测得三个数据后便可以计算出筒体中心的位置，计算出筒体中心的位置我们便可以测量出窑的轴线，从而对窑进行调整和维护。回转窑轮带位置的测量方法，现在用的基本上全是动态测量法，目前国内外主流的几种轮带位置测量法主要是以三点法为基础，分析学习这些测量方法，深入了解国内外在这方面测量技术上的研究进展，为新方法的研究做好知识积累。下面介绍几种轮带位置的测量方法。

2.1 美国Philips公司“直接测量法”

美国Philips公司的直接测量法^[5]，以数学模型“不在同一直线上的三个不同点确定圆心”为基础的三点定心法，通过水准仪、全站仪及激光传感器直接测量出轮带的圆心三维位置。测量示意图如图2.1。

图2.1 直接测量法测量示意图

首先通过全站仪和水准仪建立起三维坐标系，放置传感器，使传感器的位置与X轴平行，通过全站仪测出传感器的位置坐标。3个激光位移传感器测量传感器至轮带表面的位移。通过传感器的位置坐标和激光传感器的参数以及其所测量得到的数据可以计算出轮带表面3个点的位置坐标值，由此可计算出轮带的中心位置坐标。

直接测量法直接测量轮带的三维位置，不需要测量轮带的直径，减少了测量过程中的间接误差。装置结构简单，操作方便，理论测量精度较高，安全性也比较高，但仪器十分昂贵，同时，在实际的测量中，激光传感器容易受窑的振动和温度影响，导致实际测量精度不高。

2.2德国Polysius公司“轮带位置测量法”

德国Polysius公司的测量方法^[6]，采用的是间接测量的方法。该方法是基于测地学的方法，通过全站仪，采用前向交叉法来测定托轮的轴心，即用两台全站仪进行交互测量，相互瞄准，根据内部的坐标的计算转换进行坐标定位，由此得到托轮的轴心位置。然后通过周长测量仪测出托轮和轮带的直径，并用轮带间隙测量仪测出轮带的间隙，最后通过轮带、托轮和筒体的几何关系计算出轮带的中心位置，从而计算出窑的轴线位置。测量方法示意图如图2.2。

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