CN110132022A - 一种基于红外对射传感器的炉辊监测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调节的基于红外对射器的炉辊变形监测报警装置，炉辊一端为动力输入端，另一端为自由端，所述炉辊变形监测装置安装于一列炉辊自由端的两侧，分别为红外发射部接收部，所述发射/接收部包括减震基座、滑动板、减震台、升降机构、红外发射器、红外接收器、处理电路模块和声光报警器，红外发射器发出水平光束到接收器，当炉辊产生变形或断辊时会遮挡光束，接收到的电信号频率图发生改变，与基准信号频率无法匹配，声光报警器报警，滑动板和丝杆升降机构能控制对射器的具体位置，实现对不同变形量的监测；减震台可大幅度减小炉体工作时给传感器传递的纵向和横向的振动，本发明可进行炉辊变形的监测和报警，保证炉窑运行的安全。

Description

一种基于红外对射传感器的炉辊监测的方法及装置

技术领域

本发明属于监视输送设备技术领域，更具体地，涉及一种基于红外对射传感器的炉辊监测的方法及装置。

背景技术

高温炉窑中产品放置在许多条间隔很密的水平耐火辊上，辊子在动力源的带动下不断旋转，靠辊子的转动使从窑头传送到窑尾完成产品的预热、升温、保温和冷却过程。炉底辊依靠材质本身在高温时的特性保持稳定，但是在高温时长时间的转动和运行中会产生鼓包结瘤的现象，也不可避免地发生弯曲变形，当炉底辊弯曲变形后会有很大的安全隐患，弯曲变形后的炉底辊不可能保持相同的转动频率，因此各辊道面标高会不在同一基准线上，造成各个辊道载重不均，变形严重地辊道会独立地将产品托起，导致其严重超载，超载会使辊道出现裂纹直至断裂。

因此监测炉辊变形，进行断辊报警是炉子工作时十分必要的，必须及时地停运并更换炉辊，防止出现工件卡在窑炉内，从第一根断裂辊棒到后面的辊棒大面积断裂、工件大量损坏等严重情况。但炉辊监测由于辊子数量较多、炉内温度极高等原因十分不便。目前比较常用的方法有如下几种：

1、中国专利201521051624.2公开了一种触碰式辊棒检测装置，采用在每个辊棒被动端安装辊棒压头，辊棒转动到某一角度时，压头与辊棒承托台上的金属触点接触，产生脉冲信号，长时间不产生脉冲信号的辊棒即为断裂辊棒，但这种方式的缺点是所需安装的装置数量和控制线较多，成本较高，且长时间转动会使金属触点于辊子子接触不良，造成误报警情况。

2、中国专利201521096273.7公开了一种采用寻址无线检测传感器实现辊道窑炉辊棒运转监测的装置，接收主机放置于该多个辊棒上方来接收寻址无线传感器测量到辊棒的转动数据，经过数据处理系统处理和识别，若数据处理系统接收到故障信号,会触发报警装置报警。由于炉边工作环境较为恶劣,存在复杂的电磁干扰，无线传输故障率较高，因此这种方法存在缺陷。

3、中国专利201410035798.3公开了一种利用可编程对射器进行断辊的检测方法，通过电子窑炉炉辊上方和前方的位置设置对射点，在遮挡时电路被阻断发出警报。使用对射器方法十分便携，能一次性监测一排炉辊的断裂情形，成本较低，但是固定位置检测没有普适性，且安装位置要求较高，移动调整时也较为麻烦。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于红外对射传感器的炉辊监测的方法及装置，可进行炉辊变形的监测和报警，保证炉窑运行的安全。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于红外对射传感器的炉辊监测的方法，将红外发射器安装在炉辊自由端的上方，位于炉壁的最左/右侧，从第一根炉辊开始发射光束，另一侧最后一根辊子上方的同一高度安装有红外接收器，其中包含吸波材料，当炉辊发生变形或断辊时，其自由端会发生翘起，变形程度达到一定时阻挡光束的发射与接收，接收器吸波材料接收到的红外光强度不足，与另一组基准发射器/接收器收到的电信号频率无法匹配，从而发出警报。

进一步地，将这种监测方法用于高温炉窑必须要克服炉体工作时振动的影响，才能保证红外传感器的工作要求得以满足，以免发生误报或者不报警的情况。

进一步地，根据处理工件的材料特性，形状尺寸等要求炉辊弯曲变形的影响程度大不相同，一般炉辊的弯曲变形在炉子对不同工件完成预热、升温、保温和冷却等工作中，其达到需报警换辊的变形极值也大不相同。这种情况下需要根据具体加工精度的要求、工作安全的考虑选择报警的变形范围，因此需要调节红外光束的高度来实现。实际安装中炉辊轴向位置监测的变形量也不同，越靠近自由端末端弯曲越大，因此红外对射需要调节轴向位置。

为实现这种多要求的监测方法，本发明提供一种炉辊变形监测报警装置，包括：减震基座、滑动板、减震台、升降机构、红外发射器/接收器、发射器/接收器夹具。减震基座固定于地面上，滑动板和减震基座由导轨连接，滑动板上螺接减震台并可带动其一起滑动，减震台在竖直和横向极大减小了炉体本身传递的振动，其上固定有丝杆升降机构，升降机构的螺母副与夹具螺钉连接，夹具里的隔热层固定住红外发射器实现对射。通过滑动板在基座上导轨的轴向滑动，通过升降机构竖直方向的移动调整红外发射器/接受器位置，通过上下减震台闭合夹紧的减震球实现纵向减震，通过焊接在上减震台的四个环形分布的筒状调谐质量阻尼器将降低横向振动，通过夹具里隔热减震层的夹紧实现隔热功能。

进一步地，所述减震基座固定在地面上，其上表面具有T形台导轨，所述滑动板底部有同样形状的凹槽和T形导轨相配合，实现轴向的滑动，基座和滑动板T形导轨两侧对称设有长条状的圆角矩形通孔，用于螺母螺栓夹紧和固定。

进一步地，所述减震台包括上减震台，下减震台，减震球，横向减振支架，其上下减震台为两圆柱形平台，分别设有上下对齐的四个凹槽，上下凹槽形成放置四个减震球的容纳腔，闭合时能露出1/6-1/3的减震球，上下减震台分别与减震球用螺钉连接从而实现间接连接围合。

进一步地，所述减震球颈部套有一层横向减震垫圈，上下表面分别固连有一层竖直方向的减震垫圈与与凹槽形状匹配直接接触，并具有与减震球同轴心和同直径的柱形孔，安装时一同螺接，具有良好减震效果。

进一步地，所述上减震台四个凹槽中间具有凸起块，下减震台具有相同形状的凹槽，两者围合后凸起块与凹槽可以合并，可保证水平方向上下减震台的配合，限制了其位移。

进一步地，所述横向减振支架由环形等距的四个筒状调谐质量阻尼器和圆形环架组成，筒状调谐质量阻尼器（TMD）由两根弹簧，一根粘滞阻尼器，一个质量块组成，粘滞阻尼器和两根弹簧平行分布，弹簧对称分布于两侧，阻尼器铰接于圆柱形质量块的一端表面中心，这样的结构使对称的一对筒状调谐质量阻尼器分别减少x和y方向横向振动，弹簧和粘滞阻尼器相当于并联使用其总刚度k根据公式来计算，是一根弹簧刚度的四倍，其中f为从上减震台以上所有结构的模态频率，也是粘滞阻尼器频率的两倍，其中m为以一个质量块的质量的两倍。

进一步地，所述质量块为圆柱形实心铁块，其两侧设有可滑动的橡胶滚轮，其表面涂抹了润滑材料，减小了其在筒内振动时的摩擦。

进一步地，所述升降机构为所述升降机构由基座，蜗杆，蜗轮，丝杆，手轮，螺母块组成，采用蜗轮丝杆升降原理，利用手轮带动蜗杆作为主传动轴旋转并和蜗轮相匹配实现减速功能，再传动到丝杆只做旋转运动，最后使实现螺母副的轴向运动达到升降的目的，蜗轮蜗杆机构具有良好的自锁功能，而蜗杆作主传动轴在克服摩擦角阻力下可以经行正反转运动，使激光发射器可自由上下调节并保持稳定。

进一步地，所述红外发射器/接收器夹具螺接于螺母副上，并向两侧外部伸出，分别用于夹基准红外发射器/接收器和监测发射器/接收器，它由两圆柱形夹板构成，其中一边夹板可进行左右调节，通过螺栓螺母组穿过螺纹孔将第一夹板和第二夹板固定连接，适用于夹紧多种红外发射器。

进一步地，夹板内部具有隔热垫，为由软木层和橡胶层组成的复合结构，软木层为第一层，橡胶为第二层，且橡胶层内部设有防滑凹凸槽以便夹紧，满足了一般对射器对隔热条件的需求。

本发明的有益效果为：

1.本发明的监测方法可以监测一排辊子的变形情况，当有一根炉辊发生变形过大或断辊即可发出警报。

2.本发明的监测机构采用减震球和调谐质量阻尼器多方向减振，采用具有隔热材料的夹具，不仅成本低廉，而且效果良好，能实现高精度监测和长时间稳定运行的需求。

3、本发明具有很强的普适性，夹具宽度可调节，监测位置可由T形导轨和丝杆升降自由调节，可适用于多种对射传感器，可针对多种炉体进行检测。

附图说明

图1为本发明所述监测装置整体结构示意图；

图2为炉辊监测部的局部放大图；

图3为减震基座与滑动板配合右视图；

图4为减震基座与滑动板配合俯视图；

图5为减震支撑脚的内部结构示意图；

图6为减震台结构的爆炸视图；

图7为筒状调谐质量阻尼器从中面剖开后的等轴测图；

图8为升降机构的内部结构示意图；

图9为一侧夹具的结构示意图；

图10为本发明处理电路部分软件的流程图。

附图标记列表：

1、炉辊；101动力输入端；102、自由端；2、减震基座；21、T形导轨；22、第一腰形孔；23、减震支撑脚；231、支撑弹簧；232、减震弹簧；233、支撑杆；234、底座橡胶垫；235、伸缩缸；3、滑动板；31、T形凹槽；32、第二腰形孔；4、定位螺栓组；5、减震台；51、下减震台；511、下部第一型凹槽；512、第二型凹槽；52、减震球；521、横向减震垫片；522、竖向减震垫片；53、上减震台；531、上部第一型凹槽；532、凸起块；54、筒形调谐质量阻尼器；541、筒形外壳；542、减震材料层；543、弹簧；544、粘滞阻尼器；545、质量块；546、滚轮；55环架；6、升降机构；61、丝杆升降基座；62、手轮；63、蜗杆；64、蜗轮；65、丝杆；66、螺母块；7、夹具；71固定夹板；72、可移动夹板；73、软木层；74、橡胶软层；75、防滑凹凸槽；8、第一红外发射器；9、第一红外接收器；10、第二红外发射器；11、第二红外接收器；12、处理电路模块；13、声光报警器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

针对高温炉窑炉辊变形监测困难、现有方法成本较高、无法满足恶劣工作环境等影响，本发明提供一种适用于高温炉窑的可调节的基于红外对射器的炉辊变形监测报警装置，具有良好的可调节性、极强适应性以及工作稳定性。

如图1-2所示，本发明所述的炉辊监测报警装置，包括传输炉辊部、炉辊监测部，所述传输炉辊部分包括平行排列作为炉底的辊道1，所述一排平行炉辊的一端通过销钉连接到联轴器上作为动力输入端101，而另一端是由两个球轴承支撑的自由端102，伸出距离比球轴承位置长10-15cm，也为本发明装置所要监测的部分。所述炉辊检测部分安装在固定于地面的减震基座2上，所述炉辊监测部包括滑动板3、定位螺栓组4、减震台5、升降机构6、夹具7、第一红外发射器8、第一激光接收器9、第二红外发射器10、第二红外接收器11、处理电路模块12、声光报警器13。

局部放大图如图3所示，整体安装方法为：减震基座由四个具有减震结构的支撑脚23固定于地面（减震支撑脚23内部具有弹簧结构，底部有橡胶垫，减震效果好），减震基座2和滑动板3通过基座上的T形轨道21以及滑动板上的T形凹槽31配合辊子轴向方向的滑动，且两者由螺栓组4穿过第一圆角矩形通孔22和第二圆角矩形通孔32实现旋紧固连和定位。图3和图4中显示了滑动板3的形状，其T型凹槽31左右两侧对称为半空心结构，其上有M6螺纹孔以便于直接用螺钉将滑动板3、下减震台51螺接在一起。上减震台53与丝杠升降基座61同样使用螺钉连接。升降机构6上的螺母块66上设有M3螺纹孔，其能够与夹具实现螺接。夹具以一边为例，7通过固定夹板71和可移动夹板72中的螺栓实现夹紧红外发射器8的要求。

如图5-图9所示，具体部件使用方法如下：

如图5所示，减震基座2中减震支撑脚23起主要作用，其包括支撑弹簧231、减震弹簧232、支撑杆233 、橡胶垫234、以及与相配合的伸缩缸235，支撑杆233上端连接监测基座主体部分，下端设于伸缩缸235内，与支撑弹簧231一端相连接，支撑弹簧231的另一端焊接在伸缩缸25内部底部，减震弹簧232套于与伸缩缸235外侧，且支撑脚底部设有橡胶垫234，实现了良好减震作用。

减震台机构5包括上减震台53，下减震台51，减震球52，筒状调谐阻尼器54和环架55组成，上减震台设有四个等距环形分布的上部第一型凹槽531，下减震台设有对应位置的4个下部第一型凹槽511,当两者围合时形成放置四个减震球的容纳腔。减震球52包括橡胶球及两重减震垫圈，横向减震垫片521套在减震球颈部，竖向减震垫片522位于减震球上下表面，使用时将垫片提前安装于上下部凹槽531、511中的圆柱形槽中，将下减震台与减震球结合两减震垫片用M6螺钉连接，减震球位于上下第一型凹槽容纳腔支撑上减震台，上减震台同样用M6螺钉与减震球及相应垫片螺接，实现上下减震台定位；此外，下减震台在四个第一型凹槽中间有第二型凹槽512，上减震台有与之相同形状对应的凸起块532，围合时凸起块532嵌入第二型凹槽512中，保证了水平方向上下减震台的配合，限制了其位移，总体实现了上下减震的目的。

所述上减震台的外表面在圆心向四个减震球的方向上焊接有四个筒状调谐质量阻尼器54，并用圆形镂空环架55焊接在调谐质量阻尼器的另一边，提升了整体抗弯强度，保持机构运动同步，结构稳定。所述筒状调谐质量阻尼器54（TMD）由两根弹簧543，一根粘滞阻尼器544，一个质量块545组成，筒状调谐质量阻尼器54的筒形壳体541内有一层减震材料层542（橡胶涂层），减小质量块传递回的震动影响减震台工作稳定性。粘滞阻尼器544和两根弹簧543平行分布，粘滞阻尼器两头分别铰接于圆柱形质量块545的一端表面中心和筒形壳体底座，弹簧对称分布于阻尼器544两侧，焊接在质量块和筒形壳体底座。质量块545为圆柱形实心铁块，其两侧设有可滑动的滚轮546，表面涂抹润滑材料，减小了其在筒内振动时的摩擦。调谐质量阻尼器的横向对称分布将传递到上减震台53的横向振动转化为质量块545的振动，弹簧543上的弹性势能被粘滞阻尼器544的运动耗散为热能，从而达到给主结构吸振的目的。

升降机构6，手轮62转动带动蜗杆63转动传递给升降机构基座61内的蜗轮64，蜗轮64与丝杆65内啮合带动丝杆65做旋转运动，螺母块66在此作用下轴向运动，实现升降功能。因蜗轮蜗杆具有自锁性质，螺母块66上能承载一定重量，当蜗杆做主动件，克服自锁摩擦力时蜗轮蜗杆机构可进行正反转，满足调整升降位置、停止时保持稳定的条件。所述夹具7与螺母块66通过螺栓连接。

夹具7内侧下方设有可调节夹具板72，可调节夹具板72左右移动，用螺栓和螺母将其与固定夹板71固定夹紧不同型号的红外发射器。在两夹板内部设置有隔热减震层，第一层为软木层73，软木材料具有良好的弹性，隔热性，密封性。第二层橡胶软层74包裹于软木层上，其上分布有防滑凹凸槽75，以便夹紧激光对射器。

作为一实施实例，将减震基座依据炉辊自由端位置选取炉辊一侧合适位置固定；将滑动板与基座上的T形导轨对应安装；将下减震台螺接在滑动板上，由上下减震台利用凸块凹槽的围合、分别与减震球的螺钉连接组装完成，由测得的主机构模态频率确定TMD的弹簧与与粘滞阻尼器参数，组成调谐质量阻尼器后结合环架焊接在上减震台外表面；再将升降机构螺接在上减震台上表面；螺母块上固定好夹具后用螺栓夹紧两组红外发射器/。一列辊道另一侧同理安装好红外接收器，同时将处理电路和声光报警器用隔热板固定于炉壁上。滑动板和丝杆升降机构能控制对射器的具体位置，实现对不同变形量的监测；减震台可大幅度减小炉体工作时给传感器传递的纵向和横向的振动，机器启动前，用滑动板的横向移动和手轮旋转发射器和接收器调整到想要监测的变形高度，确保两者的高度和轴向位置一致，确保光束可以被完整接收到，即可开始监测炉辊的工作情况。机器启动后，基准红外发射/接受器在振动的工况下会收集到略有波动的电频率信号，同时监测红外发射/接受器也会在处理模块中实时接收另一电频率信号，利用软件实现对比功能，判断两者是否匹配，当两者差别超过给定范围时，声光报警器发出报警。

本发明未尽事宜为公知技术。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意改进所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于红外对射传感器的炉辊监测的装置，包括传输炉辊部分和炉辊变形监测部分，其特征在于：所述传输炉辊部分包括一列平行排列的炉辊，所述一列平行排列的炉辊的一端为动力输入端，所述炉辊的另一端为两个球轴承支撑的自由端，炉辊在自由端伸出距离比球轴承位置长10-15cm，所述球轴承连接在安装板上，安装板固连在炉壁上，所述炉壁两侧有两块监测机构基座固定于地面上，所述炉辊变形监测部分包括红外发射部、红外接收部、处理部，所述红外发射部、红外接收部分别安装在两处减震基座上，红外发射部上设有红外发射器，红外接收部上设有红外接收器，所述红外发射器与红外接收器结构、位置相对应，所述处理部设置在安装板上，处理部包括处理电路模块和声光报警器，所述红外接收器连接处理部。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外对射传感器的炉辊监测的装置，其特征在于：所述减震基座通过减震支撑脚固定于地面上，减震支撑脚内部具有弹簧结构和底部的橡胶垫组成的减震设计，且监测机构基座上表面有凸出的T形导轨，两侧对称分布有完全贯穿的腰形孔。

3.根据权利要求2所述的一种基于红外对射传感器的炉辊监测的装置，其特征在于：所述红外发射部包括两个红外发射器、发射器夹具、滑动板、减震台和升降机构，所述滑动板和T形导轨扣合，滑动板两侧设有腰形孔与圆角矩形孔通过螺栓连接，所述减震台设置在活动板上，所述减震台由上减震台、下减震台、减震球、横向减振支架组成；所述上减震台、下减震台为两圆柱形平台，其相对面上分别设有上下对齐的四个凹槽，所述减震球设置在上下凹槽内，所述减震球包括橡胶球及两重减震垫圈，一重为套在减震球颈部的横向减震垫圈，一重为设在减震球上下平面的竖向减震垫圈，所述竖向垫圈具有与减震球同轴心和同直径的柱形孔，所述上减震台、下减震台与减震球间通过螺钉连接，所述上减震台四个凹槽中间具有向下的凸起块，下减震台具有相同形状的凹槽，所述凸起块卡入凹槽内，所述横向减振支架由环形等距的四个筒状调谐质量阻尼器和圆形环架组成，所述上减震台的外表面在圆心向四个减震球的方向上焊接所述四个筒状调谐质量阻尼器，圆形环架环绕在调谐质量阻尼器的另一边，所述调谐质量阻尼器由外壳、两根弹簧，一根粘滞阻尼器，一个质量块组成，所述粘滞阻尼器和两根弹簧在外壳内平行分布，粘滞阻尼器铰接于质量块的一端表面中心，弹簧对称分布于两侧，所述质量块为圆柱形，其两侧设有可滑动的滚轮，所述升降机构由丝杆升降基座，手轮，蜗杆，蜗轮，丝杆，螺母块组成，所述蜗轮、蜗杆设置在丝杠升降基座内部，丝杠升降基座设置在上减震台上方，所述手轮带动蜗轮、蜗杆旋转并和丝杆相匹配，所述螺母块设置在竖直丝杆上，所述夹具固定在螺母块上，所述夹具两侧下方设有由固定夹板和可移动夹板构成的弹性夹结构，所述红外发射器设置在弹性夹内。

4.根据权利要求3所述的一种基于红外对射传感器的炉辊监测的装置，其特征在于：调谐质量阻尼器的外壳内壁设有减震材料层。

5.根据权利要求3所述的一种基于红外对射传感器的炉辊监测的装置，其特征在于：在弹性夹内部设置有隔热减震层，所述隔热减震层分为两层，第一层为软木层，第二层橡胶软层包裹于软木层上，其内侧面分布有防滑凹凸槽。

6.根据权利要求2所述的一种基于红外对射传感器的炉辊监测的装置，其特征在于：发射器夹具侧面设有一排横向排列的螺栓，所述可移动夹板可根据不同传感器大小，由螺母旋紧位置的改变进行左右调节。

7.一种基于红外对射传感器的炉辊监测的方法，其特征在于：将两组红外发射器安装在炉辊自由端的上方，位于炉壁的一侧，从第一根炉辊开始发射光束，另一侧最后一根辊子上方的同一高度安装有对应的两组红外接收器，红外接收器上包含吸波材料，当炉辊发生变形或断辊时，其自由端会发生翘起，变形程度达到一定时阻挡光束的发射与接收，红外接收器吸波材料接收到的红外光强度不足，当发现两组红外发射器/红外接收器收到的电信号频相较差值大于给定误差范围时，声光报警器产生报警效果。