水泥生產線旋轉設備監測技術
引言
近十年我國水泥工業飛速發展，5000t/d新型干法水泥生產線及其以上規模已經成為主流，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效益的重要決定因素。避免這些設備隨機性故障地發生已經成為水泥企業關注的重點。單憑直覺的耳聽、眼看、手摸的方式以及定期監測方式、在線檢測離線分析監測方式來監測水泥生產設備是否安全已經不能滿足現代水泥工業的需要，代替這種方式的是自動在線監測方式，其既可避免設備突發性故障又無需專業人員現場操作。在線監測技術，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。該技術是在狀態監測及故障分析基礎上發展起來的，是實現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。水泥企業以旋轉機械為主，本文著重介紹旋轉機械設備監測技術的發展及用于水泥工廠中的監測系統。
1旋轉機械狀態監測技術的發展
1.1發展歷程
旋轉機械是工業上應用最廣泛的機械。許多大型旋轉機械，如：離心泵、電動機、發動機、發電機、壓縮機、汽輪機、軋鋼機、回轉窯等，都是工業企業的關鍵設備。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展，出現了大量的強度、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生，如新疆某兩支撐回轉窯在2008年年初就發生了斷裂事故。
大型旋轉機械狀態監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，機械設備的狀態監測與故障診斷技術在許多發達國家開始研究。隨著電子計算機技術、現代測試技術、信號處理技術、信號識別技術與故障診斷技術等現代科學技術發展，機械設備的監測研究跨入系統化的階段，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，進入了蓬勃發展的階段。例如：日本的“旋轉機械健康管理系統”，美國的“可移動診斷中心”，丹麥的2500型振動監測系統等，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。先進的狀態監測系統把體現機械動態特性的振動、噪聲作為主要監測和分析的內容。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特性的數據處理，該類主機不僅價格昂貴而且對工作環境要求苛刻，因而通常采用離線監測與分析的方式。
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化，使數據處理速度大為提高，為在工業現場直接應用狀態監測技術創造了條件。丹麥、美國、德國、日本等發達國家的專家學者對旋轉機械工作狀態監測技術進行了深入研究，研制出不同系統。該類系統以丹麥B&K公司的2520型振動監測系統、美國BENTLY公司的3300系列振動監測系統、美國亞特蘭大公司的M6000系統為代表已經達到較高的水平。在功能上比較典型的系統之一是丹麥B&K公司的2520型振動監測系統(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系統可認為是至今為止有報道的功能最齊全的監測與診斷系統。
我國在工業部門中開展狀態監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，一般都購置了監測系統。而在自行研制的國產設備上，若選用國外的監測系統，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、高等院校和企業開始自行或合作研究旋轉機械狀態監測技術，無論在理論研究、測試技術和儀器研制方面，都取得了成果，并開發出相應的旋轉機械狀態監測系統。如：武漢理工大學、哈爾濱工業大學等。
武漢理工大學國家建材行業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能夠方便及時地在線發現會發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測系統，該系統解決了生產實際中的動態測量難題，可對回轉窯運行軸線進行實時監測控制；哈爾濱工業大學等單位聯合研制的3MD-Ⅰ微機化“汽輪發電機組振動監測與故障診斷系統”，以及后來進一步開發的汽輪機故障診斷專家系統3MD-Ⅱ、3MD-Ⅲ，其主要功能有：軸振動監測，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。
從技術發展過程看，現代監測技術已經從以傳感器技術和動態測試技術為基礎，以信號處理技術為手段的常規技術階段發展到人工智能技術為設備監測和故障分析的智能化階段。
1.2 發展趨勢
機械設備運行狀態的監測技術，已經從單憑直覺的耳聽、眼看、手摸，發展到采用現代測量技術、計算機技術和信號分析技術的先進的監測技術，諸如超聲波、聲發射、紅外測溫等，層出不窮。人工智能、專家系統、模糊數學等新興學科在機械狀態監測技術中也找到用武之地。
在機械動態信號分析方法和應用技術上，新近的發展有：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。
典型的狀態監測方式主要有3種：離線定期監測方式、在線檢測離線分析的監測方式和自動在線監測方式。最先進的當然是自動在線監測方式。該方式不僅能實現自動在線監測設備的工作狀態，及時進行故障預報，而且能實現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展及其在實際中的應用、數據處理軟件的大量開發，旋轉機械狀態在線監測技術正向多目標、多層次監測和網絡化方向發展。
2水泥工業旋轉設備監測技術舉例
30年來，水泥工業在世界范圍內飛速發展，現代監測技術在水泥工廠得到了廣泛應用，尤其是工藝過程的監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的工業在線粒度分析系統；基于x射線分析原理的在線生料控制系統等。在水泥廠旋轉設備的監測方面，相關機構做了大量的科研開發和實踐工作，本文以回轉窯的監測為例進行介紹。
2.1回轉窯運行軸線的實時監測系統
回轉窯是冶金、化工、建材等行業的關鍵設備，在低速、重載、高溫、露天環境下運行，其運行軸線是衡量其機械運行狀態的重要指標，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、滾圈表面出現點蝕、掉渣、鱗片狀脫落，楔狀掉塊，甚至發生托輪壓裂、托輪軸扭斷、燒瓦等設備事故，對企業造成重大經濟損失。
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測量和動態測量，冷態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，其尺寸會發生變化，因此目前運用較多的回轉窯軸線測量系統是采用動態測量。
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有：
（1）.波蘭首創了輪帶位置測量系統；
（2）.丹麥 FLS公司研制了激光輪帶測量系統；
（3）.加拿大Hartco公司研究的筒體位置測定系統；
（4）.德國 polysius公司提出的Polscan托輪位置測量系統；
（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”并在此之后不斷進行改進，現在 KAS-3型動態窯軸線檢測裝置已經研究開發成功，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間隙以及筒體表面的溫度。
這些檢測系統雖然都有各自優點，并且也解決了生產實際中的動態測量難題，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檢測系統的基礎上開發了一套回轉窯運行軸線的實時監測系統，來對回轉窯運行軸線進行實時監測控制。
2.2回轉窯筒體輪廓激光掃描測量系統
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“紅窯”事故，如果不及時處理會燒穿筒體鋼板，引發重大事故。因此水泥生產企業迫切需要一種測量裝置能夠方便及時地發現會發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問題，此測量方法精度和效率都很低，容易引發事故，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。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。
該系統具有以下優點：(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) 本系統可適應高溫、多塵、惡劣環境；(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。但不見其在實時監測方面的報道。盡管如此，其對窯筒體的變形監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生之前，業主采用了該系統，筆者想該事故是應該可以避免的。
3結束語
旋轉機械設備監測技術是以設備及其系統為對象，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。為了滿足現代水泥工業安全高效生產，科研人員開發了許多先進的旋轉設備狀態監測系統，這些系統的推廣應用，必然會提高我國水泥企業運營和管理水平，實現設備的高效運轉和促進企業的節能降耗工作。