激光跟踪仪在分段筒体安装中的应用.pdf

第 49 卷 2021 年第 6 期 通 用 编 辑 张 发 展 58  激光跟踪仪在分段筒体 安装中的应用 李书磊1,2，朱旭甫1,2，刘志广1,2，马 斌3 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 3中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039 摘要大型圆筒混合机筒体由于受加工尺寸及运输等条件限制，需要分段制造，现场进行定位焊接， 现场定位的精度直接影响设备的质量。通过使用激光跟踪仪现场测试表明，激光跟踪仪操作简单快 捷、测量精度高，可以精确地测量出大型分段筒体的同轴度及大齿圈的端面圆跳动，为大型圆筒混合 机分段筒体的加工及现场焊接提供了尺寸精准检测。 关键词激光跟踪仪；分段筒体；精准检测；圆筒混合机 中图分类号TD463 文献标志码B 文章编号1001-3954202106-0058-04 Application of laser tracker to installation of segmented drum LI Shulei1,2, ZHU Xufu1,2, LIU Zhiguang1,2, MA Bin3 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China 3CITIC Heavy Industries Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China AbstractThe drum of the large-scale drum mixer needs to be manufactured in section due to the limitation in size and transport etc., and then be transported to the site to carry out location welding. The precision of the location welding on site directly affected the quality of the drum mixer. The test with laser tracker on site showed the laser tracker was of simple and rapid operation as well as high measuring precision, and accurately measured the coaxiality of the segmented drum and the runout on end face of gear ring, which offered precious dimensional measurement for manufacture and on-site weld of the segmented drum of the large-scale drum mixer. Key Wordslaser tracker; segmented drum; precious measurement; drum mixer 作者简介李书磊，男，1981 年生，硕士，工程师，主要从事 烧结和轧制机械设备的设计和开发工作。 随 着钢铁工业的发展，设备的大型化、节能化 逐渐成为发展方向。烧结机规格已经从 260 m2 逐渐发展到 660 m2。圆筒混合机是烧结原料混合的主 要设备，因具有生产能力大、结构简单、日常维护量 小等优点而得到广泛采用。国内圆筒混合机的规格已 经由 φ3.2 m12 m 扩大到 φ5.1 m28 m， 根据国外资料 并配合转速传感器进行联锁保护，但其测量乳化基质 流量的重复性需强。 参 考 文 献 [1] 麦金洪．质量流量计的原理和应用 [J]．科技资讯，200628 36-37. [2] 齐 军，董 杰，赵珍珍，等．科里奥利质量流量计的原理 和应用 [J]．科技创新与应用，20128z93. [3] 林 坤，刘凤新，刘志刚．科里奥利质量流量计数字信号处理 方法的研究 [J]．计量技术，2008611-14. [4] 余学康，张玉林，梁新明．质量流量计在石化厂的实际应用 [J]．化工管理，20152069. [5] 赵 征．影响科氏力流量计的因素分析及应用探索 [J]．化工 管理，201824152. □ 收稿日期2020-12-18 修订日期2021-04-01 万方数据 第 49 卷 2021 年第 6 期 通 用 编 辑 张 发 展 59 介绍， 最大规格的筒圆混合机已达到 φ6.0 m36 m[1]。 现有小规格圆筒混合机筒体采用先将筒体分段组 焊、整体消除内应力，然后整体加工的工艺方法，这 种筒体结构有利于保证各加工尺寸公差要求。但随着 圆筒混合机的大型化，圆筒混合机筒体的尺寸和质量 已经远远超出加工设备所能达到的极限。另外，大型 圆筒混合机筒体的运输也是一个很大的难题。为适应 烧结工程大型化发展需要，有必要对大型圆筒混合 机筒体结构进行优化。在大型圆筒混合机筒体的结 构设计中研发出一种全新的分段筒体结构及组装方 法，即采用了分段加工、运输，现场进行焊接成整体 的方案。 通过近几年来大型圆筒混合机分段筒体结构加工 及装配实践发现，筒体中 2 个滚圈的同轴度和大齿圈 的端面圆跳动直接影响到现场筒体运转稳定性。2 个 滚圈同轴度及大齿圈端面圆跳动公差精度要求高、外 形检测难度大。为方便大型圆筒混合机尺寸检测，引 入了激光跟踪仪。激光跟踪仪集合了激光干涉测量技 术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技 术、现代数值计算理论等各种先进技术[2]，可以对空 间运动目标进行跟踪并实时测量目标的三维坐标[3]， 具有高精度、高效率测量，便于安装，操作简便等特 点，是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪 器。 1 圆筒混合机筒体结构 圆筒混合机如图 1 所示。筒体是圆筒混合机的主 体，起到承接物料和混匀的作用，是制造难度最大的 部件，其加工质量直接关系到设备的顺利运行和使用 寿命。传动装置由滚圈、筒体内附件等组成。 圆筒混合机筒体是用厚度不等的几段等内径筒节 对焊而成，中小型圆筒混合机筒体设计为 3 段式，结 构如图 2 所示。中间筒体上包含 2 个滚圈，两滚圈的 同轴度为关键位置公差，合格与否直接影响圆筒混合 机的运行。通常在重型卧式车床上完成中间筒体的加 工，靠机床加工精度保证 2 个滚圈的同轴度，在制造 厂内完成 3 段筒体的焊接后，再整体发往用户现场。 随着圆筒混合机规格越来越大，受加工机床规 格和运输尺寸的限制，圆筒混合机筒体分段加工、运 输、现场组焊成整体的工艺方法已成为其大型化发展 的必然选择。直径大于 4.6 m 的圆筒混合机筒体多采 用分段设计 一般为 8 段，如图 3 所示。相邻的筒节 间在连接处分别设有凸、凹法兰，止口定位 如图 4 所示[4]，每段筒体两端凸、凹法兰及 2 个滚圈均在制 造厂完成加工。以 φ5.1 m24.5 m 圆筒混合机为例， 安装规范要求现场设备调试完成后，筒体两滚圈同轴 度 ≤ φ1.5 mm，大齿圈端面圆跳动≤1.5 mm，径向 圆跳动≤ 1.5 mm。在制造厂内需将筒体及大齿圈预 组装检验合格后再分段发往用户现场，这样可以有效 1. 出料口筒体 2. 中间筒体 3. 进料口筒体 图 2 三段式筒体结构 Fig. 2 Structure of three-segment drum 1. 排料端筒节 2. 排料端滚圈筒节 3. 中间筒节Ⅲ 4. 中间筒节Ⅱ 5. 中间筒节Ⅰ 6. 齿圈架筒节 7. 进料端滚圈筒节 8. 进料端筒节 图 3 分段筒体结构 Fig. 3 Structure of segmented drum 1. 给矿溜槽 2. 给矿端滚圈 3. 筒体 4. 排矿端滚圈 5. 排矿溜槽 6. 排矿端操作平台 7. 排矿端托辊 8. 喷汽喷水装置 9. 传动装置 10. 大齿圈 12. 小齿轮装置 13. 给矿端托辊 图 1 圆筒混合机 Fig. 1 Drum mixer 万方数据 第 49 卷 2021 年第 6 期 通 用 编 辑 张 发 展 60 保证现场筒体的安装精度。2 个滚圈同轴度及大齿圈 圆跳动最终需要由现场安装调节来保证，这就对现场 筒体尺寸测量的可操作性和测量精度提出了更高的要 求。 2 激光跟踪仪的工作原理 激光跟踪仪适用于对大尺寸、结构复杂的设备进 行测量。激光跟踪仪测量系统如图 5 所示，主要由跟 踪头、控制系统、计算机、反射球及测量附件组成。 激光跟踪仪通过内置激光干涉器、红外线激光发 射器、光靶反射球来测量空间位置，通过光栅编码器 测量水平和俯仰角度，实现三维大体积现场测量。其 测量原理如图 6 所示，在球坐标系统中，设跟踪器的 旋转中心为 O 点，被测靶镜的中心为 P 点。用 2 个 角度编码器分别测量出 P 点的垂直角 β 和水平角 α， 用激光跟踪仪测量得到 O 点到 P 点的距离 d，则 P 点 的坐标 x，y，z 很容易用 α、β 和 d 计算得出[2] xd yd zd sincos sinsin cos , , o 1 3 激光跟踪仪在大型圆筒混合机筒 体施工中的应用 为某钢厂设计制造的 2 台 φ5.1 m24.5 m 圆筒混 合机，筒体净重达 210 t，为解决筒体制造及运输难 题，在设计时筒体分 8 段加工、运输，现场拼装调正 后再焊接。 3.1 激光跟踪仪在厂内预组装中的应用 为保证现场设备顺利安装调试，凸、凹法兰及 各筒节的外圆焊接坡口均在立式车床上一次加工完 成，确保每段筒节凸、凹法兰的加工精度。筒体和大 齿圈发货前需进行厂内预组装，并采用激光跟踪仪检 测两滚圈和大齿圈的尺寸。使用的激光跟踪仪精度为 5 m/m，经过目标跟踪形成的空间三维模型如图 7 所示。 激光跟踪仪检测过程如下选用合格的激光跟 踪仪和反射球，在 2 个滚圈外圆及大齿圈外圆标记若 干点位，手动移动反射球，测量所标记点位的空间坐 图 5 激光跟踪仪测量系统 Fig. 5 Measurement system of laser tracker 图 6 激光跟踪仪坐标测量原理 Fig. 6 Principle of laser tracker coordinate measurement 1. 筒节 X 2. 筒节 Y 3. 连接螺栓组件 图 4 筒节间止口连接结构 Fig. 4 Structure of stop connection between drum segments 图 7 激光跟踪仪建立三维模型进行预组装 Fig. 7 Establishment of 3D model with laser tracker for pre-assembly 万方数据 第 49 卷 2021 年第 6 期 通 用 编 辑 张 发 展 61 标。旋转筒体多次投影，电脑软件通过最小二乘法计 算出 3 处圆柱体的当量轴线。反射球放置在所测圆柱 的外表面，计算机通过所测点的空间坐标值和模拟运 算即可得到所测点的同轴度误差。 同样方法，将激光跟踪仪和反射球放置在两滚 圈外圆及大齿圈一侧端面记若干点位，手动移动反射 球，测量所标记点位的空间坐标，旋转筒体，多次投 影，电脑软件通过最小二乘法计算出两滚圈的当量轴 线。反射球放置在大齿圈端面，通过计算机通过所测 点的空间坐标值和模拟运算即可得到所测点的端面圆 跳动误差值。经过调整所测两滚圈与大齿圈尺寸均满 足图纸要求后，再拆装发货。 3.2 激光跟踪仪在现场检测中的应用 现场 8 段筒体通过凸、凹法兰和各段之间的紧 固件在现场进行组装后，使用激光跟踪仪对筒体尺寸 包括两滚圈同轴度 进行检测。所检尺寸不满足图纸 要求时，调整凸、凹法兰连接的紧固件进行微调，待 所检尺寸全部满足图纸要求后再对各筒节之间的熔透 性焊缝进行施焊，焊接完成后，再对筒体尺寸进行复 检，完全合格后再进行大齿圈的吊装。大齿圈安装到 位后再次利用激光跟踪仪对大齿圈端面圆跳动及径向 圆跳动进行检测，尺寸合格后才能进行其他部件的安 装[6-8]。 按照以上施工工艺方法，圆筒混合机筒体安装完 成后，2 个滚圈与大齿圈同轴度、大齿圈端面圆跳值 及径向圆跳动值等均满足图纸要求。激光跟踪仪检测 数据如表 1 所列。 4 结语 随着烧结设备大型化发展，圆筒混合机规格也越 来越大。筒体分段成为必然趋势。筒节之间的凸、凹 法兰结构，安装方法简单可靠，对接精度高，能显著 缩短现场筒节对接时间。激光跟踪仪在大体积检测中 的实用性、精准性和高效性，为大型圆筒混合机的精 准检测及安装提供了便利。分段筒体结构配合激光跟 踪仪的使用，有效保证了圆筒混合机的关键设计指标 的实现，为大型烧结机的达标达产奠定了基础。 参 考 文 献 [1] 刘志广， 李书磊，朱旭甫，等．烧结用大型圆筒混合机的选 型设计 [J]．冶金设备，202031-5. 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