摘 要： 回转窑是水泥等工业生产中的核心设备，托轮支承力是否均衡合理对设备的安全运行与寿命至关重要。由于窑体结构和工作条件的复杂性，使得通过测量获取每个托轮的实际载荷具有较大难度。以三档支撑的干法水泥生产回转窑为例，在分析托轮瓦座结构和受力特点的基础上设计了托轮载荷测试方案并进行了验证性测量。试验结果表明测试灵敏度偏低，但是方法可行。
关键词： 托轮; 支承系统; 支承力; 应变电测法
Support force measurement method for riding wheel of rotary kiln
（1. Collage of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Huhhot 010051， China;
Abstract： The rotary kiln is a core equipment in cement and some industrial production. It is important whether the roller support force is balanced and reasonable or not for service lifetime and safe operation of the equipment. As the complexity of the kiln structure and working conditions， it is very difficult to measure the actual load of each riding wheel. Taking a dry cement rotary kiln with three?support as an example， based on the analysis of riding wheel bearing seat structure and stress characteristics， the testing scheme of riding wheel load was designed， the validation measurement was carried out. The test results show that the method is feasible though the measurement sensitivity is insufficient.
Keyword： riding wheel; support system; support force; strain electrometric method
0 引 言
回转窑是水泥、建材、冶金、化工等工业生产中的核心设备，其正常运转是确保企业安全、高效生产的关键。回转窑由多档支承系统支撑，支承系统的破坏不仅使生产效率降低、产品质量受到影响，而且维护成本增加，严重时会引发机械故障及安全事故。如中国铝厂河南分公司的回转窑，其运转率高达82%， 而每年用于检修的费用近3 000万元。通常情况下，回转窑停产一天造成的生产损失达到数十万元，事故损失是正常停窑检修的数十倍[1]。因此，支承系统的稳定对于回转窑的安全运行起决定作用。
从回转窑的整体结构来看，托轮装置的正常运行是支承系统稳定的关键。实际运转中，托轮承受着来自窑体径向上的压力，长期处在高温、冲击、振动、露天等复杂环境中，对窑体的材料性能及各构件的运行状态产生影响。具体表现为：
（1） 窑体的轴向中心线的直线度受损，偏差过大，致使轮带与局部托轮接触区域压力过大，受力不均;
（2） 窑体不能沿轴向正常地往复窜动，使大齿圈、托轮和轮带的工作表面磨损不均匀，产生变形。各因素之间的相互耦合，致使各挡支承系统的受力状态变得复杂，而长期不均匀的接触和磨损容易引起轴瓦发热，严重时造成烧瓦或翻瓦，或发生托轮断轴、止推环被推断等故障现象。据统计，某公司因回转窑托轮轴瓦发热故障一年内停窑638.04 h，占停窑故障总时间的49.4%，其年经济损失高达400万元以上，严重制约着公司生产的正常进行[2]。为减少安全事故，避免生产中的安全隐患，对测量托轮受力的方法进行有效分析是十分有现实意义的，而支承力的测量作为分析托轮受力的重要参数，是衡量支承系统安全性能的重要指标。
从国内外的文献来看，研究测量托轮受力的方法有以下几种。传统的方法大多采用经验法来判断，即根据窑体的新旧程度，选择压铅丝法、观察托轮表面的亮暗程度或油膜厚度来判断[3]，这些方法操作步骤简单，只能定性的判断，不能定量说明。随着理论技术的发展，学者们在理论方面研究支承力的计算方法，最先采用的是平均法，紧接着提出三弯矩方程法、力矩分配法等初等材料力学原理计算方法[4]，这些方法求解过程复杂繁琐，计算误差较大。随后，杨建刚等应用传递矩阵计算多支点超静定轴的支承力[5];宁英吉运用广义阶梯函数推导变刚度梁变形的函数方程[6]，这些方法在一定程度上简化理论推导，但结构和载荷等约束条件进行简化，增大求解误差，测量值得精度低，远离实际值。在此基础上，李学军研究出复杂载荷下超静定梁的程序化求解方法[7]，该方法通用性好，适于任意复杂超静定问题，但计算过程中仍需要简化筒体结构，使得结果不准确。到目前为止，从理论和实际分析角度来看，仍然没有一种方法能够将支承力的测量方法广泛运用于实际中。本文提出一种测量支承力的方法，尝试了对托轮支承力的测量。 1 测试方案的设计
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图1 回转窑的整体结构图
图2 筒体及支承装置结构示意图
在测量托轮受力之前，应充分了解回转窑等设备的使用条件及工作环境，分析并判断构件的主要受力位置，从而选择合适的方法进行测量。高温、多噪声及较强磁场干扰的环境，使得测试方法的选择受到限制。实际工程结构检测中，应变电测法作为一种成熟的测量方法，已被广泛地运用于机械工程领域，即把应变片粘贴在被测构件的受力部位，构件受到力的作用发生形变，应变片输出的变化则通过电阻应变仪的分析转换得到所测的应变值。电测法不仅适应环境能力较强，而且传感元件小、测量结果可靠、有很高的灵敏度和测量精度等特点，对测试分析实际构件的应力、应变具有良好的适应性。本文将实现对被测构件受力大小的实际测量，得到相应的应变值，利用应变与力之间的关系计算支承力的大小。测试方案的实现过程如图3所示。
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图3 测试方案流程
（1） 测量位置的选取。从窑体的整体受力角度可知，窑体作用在托轮方向上的力即支反力，通过托轮轴将力传递到大底座上。为了准确测量力的大小，测量位置的选取应沿力的方向，且该区域受力稳定均匀。实际分析中发现，作用在底座的受力区域，受现场环境的冲击、振动等因素的影响，力分布复杂，很难选取合适的位置进行贴片，如图4所示。
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图4 支承结构整体示意图
通过分析支承系统的结构特点，发现轴承底座的侧位面板上存在力作用的区域，如图5所示，而轴承座上的其他部位，力的方向不能确定，不容易判断其受力是否均匀，实际操作中必然会加大测量难度，增大输出误差。故选取图5中所示区域作为贴片位置以实现支承力的测量。
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图5 支承力作用区域
（2） 桥路方式的选择。本文利用应变片薄、小、灵敏度高的特性，实现窑体对托轮的压力作用下产生的微小形变的测量，为计算支承力的大小提供重要依据。在测试过程中，应变片组成的任何桥路的输出均会受到贴片环境、电阻应变仪等因素的影响。
仪器在工作环境中产生的零漂和温漂会随着时间的改变而不断增大，其数值上与输出的应变值相差甚小，致使测量结果粗糙，相对误差增大。在一定程度上降低分辨率，严重影响测量结果。根据电桥理论分析可知，全桥的连接方式不仅能够有效地提高灵敏度、精度及分辨率，而且可以利用自身桥路特性实现温度补偿，避免外界干扰，确保测量结果的稳定性及可靠性，为实际测量提供更为准确的分析效果。
（3） 仪器的选择。实验测试中，为避免长导线增大电桥桥臂初始电阻，采用必创科技公司的SG403/404无线应变传感器节点实现数据分析转换。无线数字信号传输方式不仅消除了长导线传输带来噪声干扰，减少外界对测量电路损失，而且整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力，体积小巧，操作方便，工作效率高。
2 测试验证及总结
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图6 实际粘贴示意图
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图7 电桥接线方式示意图
当窑体不工作时，将窑体与托轮分离，在轴承底座进行贴片。此时，测试电桥不受任何外力，电桥本身输出电压为：
根据上述分析可知，[ΔR20，ΔR40，ΔR10，][ΔR30]推断出[ΔU0]。电桥的输出的经过仪器的分析转换进行放大，可以判断输出变化量为正值，即可得：
由上可知[Δε0]符合理论推导。通过查阅相关资料，可以确定支承系统的各项参数，根据力在结构中的转换关系实现力的标定，求出支承力的大小。通过实验发现，实际的操作过程中仍然存在不足之处，需要进一步完善，以使该方法广泛的用于测量大型构件受力的大小。具体总结如下：
（1） 实际的测试系统中，各装置重量均在吨级以上，改变各装置的状态如加载、卸载等方式均存在一定难度，且在操作上耗费时间、人力。在长期的生产工作中，装置的状态会随之发生变化，很难还原初始状态。因此，对于大型重物的测量需要把握测试的初始状态，即找到可参考的标准状态，避免装置上的重复操作，从而有效分析测试系统的变化特点。
（2） 为了实现现场的长期监测，要确保应变片工作的稳定性及可靠性。首先，应变片的粘贴需要严格按照贴片流程进行操作，如打磨、除污、焊接等步骤，确保胶层均匀，避免粘贴不良或固化不充分出现零漂或蠕变，机械滞后变大，数据分析重复性和线性不好。再者，做好有效防护措施应对天气变化及工作环境的影响，防止应变片受潮和腐蚀物质的侵蚀及机械损伤。
（3） 测试过程中，提高灵敏度对于分析受力变化起着重要的作用，选择改变供桥电压等方式提高灵敏度能够更加准确的反映工作状态。
3 结 语
应变测试方法在一定程度上能够有效地测量托轮受力的大小，运用过程中需要根据被测结构的性质及工作环境的不同而设计合适的方案，通过对其不足不断地改进和完善，使其能够在更多领域得到充分发展。
参考文献
[2] 周永安，叶平，张永忠.回转窑受力计算及载荷影响系数[J].煤矿机械，2003（12）：16?18.
[3] 蒋冬青，张明，刘明红.回转窑运行中出现的问题及解决措施[J].新世纪水泥导报，2006（1）：44?47.
[5] 杨建刚，周世新，黄葆华，等.多支撑汽轮发电机组轴承载荷灵敏度计算与分析[J].中国机电工程学报，2000，20（7）：79?82.
[7] 李学军.大型多支承回转窑健康维护理论与技术研究[D].长沙：中南大学，2003.
