CC BY
17
УДК 514.747:528.721.221.6
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВРАЩАЮЩИХСЯ АГРЕГАТОВ ПО ДАННЫМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Сергей Георгиевич Могильный
Приднепровская академия строительства и архитектуры, 49600, Украина, г. Днепропетровск, ул. Чернышевского, 24а, доктор технических наук, профессор кафедры землеустройства, строительства автодорог и геодезии, e-mail: mogilnysg@mail.ru
Андрей Аркадьевич Шоломицкий
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: sholomitskij@mail.ru
Андрей Васильевич Иванов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: geodata1000@gmail.com
Александр Владимирович Середович
ОАО «Институт «Нефтегазпроект», 625019, Россия, г. Тюмень, ул. Республики, 209, кандидат технических наук, руководитель группы наземного лазерного сканирования, e-mail: seredovichav@nipingr.ru
Елена Константиновна Лагутина
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: e.k.lagutina@ssga.ru
Алексей Владимирович Мартынов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер-геодезист, кафедра инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: martinovlg@gmail.com
Выполнен анализ литературных и интернет-источников по данной теме. Рассмотрены различные методики выверки вращающихся агрегатов с использованием данных лазерного сканирования. Приведена теория математической обработки измерений вращающихся агрегатов. Отмечается, что при «холодной» выверке вращающихся агрегатов по данным лазерного сканирования можно получить очень высокую точность определения геометрических параметров. Сдерживающим фактором этой технологии является недостаточная точность создания опорной геодезической сети и сшивки сканов. Приведены примеры производственных испытаний методики на цементных заводах Западной Сибири, проведенные в 2015-2017 гг. на двух восьмиопорных печах обжига клинкера. Показано, что по данным лазерного сканирования работающих вращающихся печей можно выполнить развертку данных сканирования и с высокой точностью определить характеристики вращающихся печей. Рассматриваются задачи, которые требуют дальнейших исследований и решения.
Ключевые слова: выверка, моделирование, анализ, геодезические измерения, прямолинейность оси, наземное лазерное сканирование, корректировка.
Введение
Для производства цемента и извести в технологических линиях непрерывного производства используются крупногабаритные вращающиеся агрегаты барабанного типа. Они представляют собой сложную конструкцию, которая в процессе эксплуатации подвержена нагрузкам и деформациям под влиянием температурных и силовых воздействий.
Одним из главных условий безаварийной и эффективной работы таких установок является точное выполнение проектного взаимного положения отдельных подвижных узлов агрегата, как то: прямолинейность оси вращения обечайки, взаимное положение опорных роликов и бандажей и их осей вращения и т. п. В процессе разогрева агрегата и длительной работы происходят смещения и износ деталей, что приводит к нарушениям проектных геометрических соотношений. Из-за износа и дефектов огнеупорной футеровки печи неравномерно нагревается обечайка и искривляется ось вращения печи [1]. Поэтому крайне актуальным является определение формы оси вращения в динамике, т. е. во время вращения агрегата, нагретого до рабочей температуры. Такая выверка называется «горячей». «Горячая» выверка появилась сравнительно давно [2], но только в последнее время она находит широкое применение, возможно в связи с появлением новых методов измерений и новых средств измерений, которые делают процесс полностью дистанционным [3, 4].
Однако без «холодной» выверки не обойтись, потому что после выполнения длительных ремонтных работ, связанных с остановкой печи, таких, как замена подшипников, роликов, бандажей или участков обечайки, необходимо выполнить холодную выверку. Это связано с тем, что во время ремонта или замены данные элементы изменили свое положение или размеры, что приведет к искривлению оси печи и сокращению последующего межремонтного периода.
Авторы статьи считают, что методы «горячей» и «холодной» выверки не исключают, а взаимно дополняют друг друга.
На данный момент существует множество различных вариантов холодной выверки [5-8], все они позволяют определить только геометрическую ось печи. Часть из них применима только к коротким агрегатам, так как дает приемлемую точность на коротких расстояниях, но в целом традиционные геодезические методы выверки вращающихся агрегатов [5, 6] не обеспечивают современных требований к точности выверки агрегатов. Точность нивелирования бандажей или бокового нивелирования, которые наиболее часто применяются при холодной выверке, составляет ±5 мм, причем такая точность достижима только при хороших условиях измерений. К тому же такая методика не дает информации о положении оси печи между бандажами и требует достаточно продолжительных измерений.
Если в сети Интернет выполнить поиск, по ключевым словам «выверка вращающихся печей», то можно найти множество ссылок, где предлагаются услуги как по «горячей», так и по «холодной» выверке вращающихся агрегатов,
например [9-11], однако материалы имеют рекламный характер и не позволяют судить о технологии и точности выполнения геодезических работ по выверке вращающихся агрегатов. Чаще всего упоминается о применении новейших лазерных систем, лазерных тахеометров или трекеров. Наиболее полно методика холодной выверки вращающейся печи с применением электронного тахеометра описана в [12-14]. Однако она имеет ряд недостатков. Один из главных недостатков - методика не является дистанционной, так как замерщик, находясь на лестнице, устанавливает марку на поверхности агрегата, при этом он находится на опасной высоте. Второй недостаток заключается в том, что такие измерения можно выполнить полностью только для агрегатов на низких опорах. Если высота опор будет выше 3 м, то измерения можно будет выполнить только для бандажей и очень ограниченной части обечайки, которую можно измерить с подбандажной площадки. Третий, общий недостаток для всех методов лазерной выверки, - отсутствие обоснования точности определения параметров вращающихся агрегатов. Исследования показали, что точность определения геометрических параметров вращающихся агрегатов в большей мере определяется геометрической схемой измерений, чем точностью измерения углов и расстояний электронного тахеометра [8].
Современные методы лазерных измерений вращающихся агрегатов (как при холодной, так и при горячей выверке [3, 4, 8]), очень хорошо себя зарекомендовали на практике. При правильно подобранных параметрах съемки они обеспечивают высокую точность и информативность. Однако у этих методов есть и недостаток, связанный с достаточно большим временем измерений. Современные тахеометры выполняют измерение расстояний на вращающуюся поверхность за 1,5-2 с, а при горячей выверке восьмиопорной печи в среднем измеряется 12 000 точек. В совокупности с созданием геодезической опорной сети и привязкой станций минимальное время измерений составляет 2,5 дня.
Существует методика линейного сканирования корпуса печи лазерными дальномерами [15, 16], однако она не позволяет определить кинематические характеристики вращающегося агрегата и даже достоверно определить геометрические характеристики.
Поэтому авторы статьи, пытаясь найти более быстрые способы измерений, решили выполнить эксперименты по сканированию вращающихся печей как в статике, так и в динамике. Вторым элементом исследований было определение зависимости точности определения параметров печи от числа измеренных точек на элементе.
Точность определения геометрических параметров вращающегося агрегата
Наиболее точным и автоматизированным на данный момент является метод безотражательных лазерных измерений электронным тахеометром, а поскольку принцип работы лазерного сканера и электронного тахеометра иденти-
чен и состоит в измерении горизонтального и вертикального угла и расстояния до измеряемой точки, вначале рассмотрим теоретические аспекты измерения вращающихся агрегатов электронными тахеометрами.
В основу метода как статических, так и динамических определений геометрических элементов вращающейся печи электронным тахеометром положено измерение отдельных сечений агрегата, представляющего собой совокупность объектов цилиндрической формы. Каждый объект измеряется отдельно в некоторой общей системе координат так, как это показано на рис. 1.
Рис. 1. Геометрическая схема измерения цилиндрического объекта
Условия доступности до поверхности объектов, а также возможности безотражательных измерений расстояния обуславливают то, что на каждом сечении цилиндрического объекта можно определить координаты 6 оптимально расположенных точек, которые на рис. 1 обозначены как 1, 2, ..., 6.
Положение и размеры цилиндра в общем случае определяются следующими параметрами: вектором центра О крайнего сечения; единичным вектором V направления оси и величиной радиуса г. Для произвольной точки I
на поверхности цилиндра, положение которой определяется вектором ^, имеет место следующее уравнение:
ф/
5/ — 5о
(5/ - 5о) -и
г = 0.
(1)
Для измеренных координат точки / из-за ошибок измерений уравнение (1) будет иметь вид
5 / — 5 о
(5г — 5о ) -и
— г = е/,
(2)
где е/ - невязка из-за ошибок измерений величин а, Р, Ь (см. рис. 1). Выразив векторы через их проекции, получим для п измеренных точек систему параметрических уравнений
д/(х/ — хо )2 + (У/ — Уо )2 + (-/ — 20)2 — ((х/ — хо ) и х + (У/ — У0)и у + (-/ — -о )и г )2 — г = !
/ = 1, 2, ..., п
,(3)
к которой следует добавить условие
2
-X + ^у 1 ^
и2+и+и—1=би
(4)
чтобы вектор и был единичным.
Совместное решение уравнений (3) и (4) выполняется методом наименьших квадратов, для чего они приводятся к линейному виду
дф18 х дх'о о + дф1 8г - дх'о -о + дф 8и - дих "х + дф1 8и -диУ °У + дф1 8и -ди- и- + дф18г +/,= дг' г 1 = е1
дф2 8 х + дх'о х° дф2 82 - ндф2 8и -дих "х дф2 8и -диУ У дф2 8и -ди- ^ 8г + /2 дг' г 2 = е2
дфп 5 х 5 г * * * 5г +/п = е
дх'о Хо д-о "о аих ди'У иу ди-
2и'х8и + 2иУ8и + 2и- 8и + 0 = е
2о
^ их
^ и.
и-
дг
а" и
X
'У и
У
^ и-
и
(5)
где индексом «'» обозначены приближенные значения искомых параметров цилиндра, а свободные члены вычислены по формуле
// = ^ (X/ — хо )2 + (У/ — Уо )2 + (— го )2 — ((X/ — хо) и X + (У/ — Уо )и у + (г — 4 )и 2 )2 — г. (6)
Величина y0 является постоянной и принимается равной минимальному значению координаты yj из измерений. Система уравнений (5) решается при выполнении условия метода наименьших квадратов в следующем виде
вг2 +100 в 2 = min. (7)
Поправки в приближенные значения неизвестных определятся в матричном виде по формуле
А=-( AA)-1AL, (8)
где A и L - матрицы коэффициентов и свободных членов системы уравнений (5); вектор поправок А имеет вид
А T
8x ,8z ,SD ,SD ,SD ,Sr
ло zo ux u y u z '
(9)
Прибавив поправки к приближенным значениям неизвестных, находят новые уточненные величины параметров цилиндра. Итерации выполняют до тех пор, пока норма вектора А не станет меньше установленной точности итераций. Диагональные элементы матрицы Q,
0 = (АТА)-\ (10)
равны обратным весам соответствующих параметров в векторе поправок А. Тогда т£ - средняя квадратическая ошибка к-го параметра - вычисляется по формуле
m = vjQk~k, (11)
где ц - ошибка единицы веса, которую при применении электронного тахеометра Leica TM30 (ошибка измерения углов 0,5", расстояния в безотражательном режиме 2 мм + 2 ppm, для коротких расстояний 1 мм) можно принимать равной точности измерения расстояния, так как влияние ошибок углов на невязку Bj незначительно.
По выведенным формулам можно рассчитать ожидаемую точность измерения элементов агрегата. Рассмотрим для примера точность измерения бандажа вращающейся печи, принимая его ширину равной 0,5 м, а радиус - 2,5 м.
Данные в табл. 1 соответствуют средней квадратической ошибке измерения расстояния 1 мм при измерении двух сечений и расположении точек измерений под углом ю = 30°. Углы ю показаны на рис. 1, а номера точек измерений на рис. 5. Величины mZo и mVz характеризуют точность наклона оси цилиндра в милиметрах на метр. Точность результатов не зависит от радиуса. При увели-
чении числа сечений точность повышается пропорционально корню квадратному из числа сечений, погрешность угла наклона оси обратно пропорциональна длине цилиндра.
Таблица 1
Точность определения параметров бандажа (ю = 30°)
Точки измерений Средние квадратические ошибки па] раметров цилиндра, мм
тх л0 т7 ¿О тух ту1 тг
1, 2, 3 6,42 1,27 3,68 7,95 5,90
1, 2, 3,4 0,60 0,96 3,56 6,65 0,49
1, 2, 3, 4, 5 0,41 0,87 3,11 6,61 0,34
1, 2, 3, 4, 5, 6 0,32 0,70 2,60 5,62 0,29
Увеличение угла ю расположения точек измерений до 60° позволяет повысить точность результатов (табл. 2), но точность безотражательных измерений расстояния при этом падает, поскольку лазерный луч падает на поверхность под более острым углом, поэтому данные табл. 1 более надежны.
Таблица 2
Точность определения параметров бандажа (ю = 60°)
Точки измерений Средние квадратические ошибки па] раметров цилиндра, мм
тх ло т7 0 тУх ту1 тг
1, 2, 3 1,72 0,61 4,62 4,62 1,22
1, 2, 3, 4 0,77 0,52 4,48 3,76 0,50
1, 2, 3, 4, 5 0,46 0,38 3,55 3,75 0,33
1, 2, 3, 4, 5, 6 0,41 0,41 3,27 3,27 0,29
Анализ точности ошибок параметров цилиндров при «холодной» выверке вращающихся агрегатов показывает, что современные электронные тахеометры при выборе оптимальной методики измерений позволяют надежно оценить состояние установки агрегата и обеспечить ее эффективную регулировку, что, собственно, уже проверено более чем на 20 вращающихся печах Украины, России, Казахстана и Узбекистана.
Метод «холодной» выверки с использованием наземного лазерного сканера
Опыт «холодной» выверки с использованием наземного лазерного сканера (НЛС) БигрИаБег описан в [17], где приведены отклонения от цилиндрической поверхности одной секции обечайки. Технические детали и полученная точ-
ность не приводятся, как и методика измерений и обработки. Из приведенных фотографий можно сделать вывод, что измеренная печь располагается на очень низких опорах, поэтому измерения охватывают достаточно большую поверхность объекта.
Авторы статьи выполнили эксперимент по «холодной» выверке печи на одном из цементных заводов Западной Сибири [9] сканером RIEGL VZ400, паспортные характеристики которого следующие:
- средняя дальность действия 400 м;
- точность измерения расстояний 3 мм;
- точность определения координат 5 мм;
- угловое разрешение инклинометра 0,008°.
Печь располагалась на опорах значительной высоты (до 12 м), съемка выполнялась с земли с двух сторон. На рис. 2, а показан момент работы (сканирования) на станции, на рис. 2, б - результат точечной пространственной модели (Point Cloud - массив данных XYZ, описанных по поверхности объекта), полученный после предобработки сканерных данных.
Всего было выполнено 9 станций установок НЛС со средней плотностью 6 измерений на 100 см и средней скоростью 10 мин на станцию. Сканирование выполнялось таким образом, чтобы в поле зрения каждой станции попадал участок конструкции исследуемой печи, а также выполнялось условие перекрытия измерений с соседними станциями сканирования, минимум 50 %. Условие перекрытия соблюдалось для дальнейшей постобработки данных, с целью создания опорной сканерной сети на основе полученных данных сканирования. Такая функция предусмотрена фирмой-производителем НЛС RIEGL и позволяет значительно упростить процесс съемки инженерных объектов, так как исключает этап предварительной подготовки и измерения ОГС.
а) б)
Рис. 2. Процесс лазерного сканирования на станции и сегмент результата точечной модели печи:
а) съемка объекта; б) результат объединения сканерных данных (облако точек)
Процесс уравнивания данных и вычисление средней квадратической погрешности (СКП) измерений в единой точечной модели (облако точек) производились в программном обеспечении (ПО) Riscan PRO. Итоговая СКП объединения данных всех станций после процесса уравнивания составила 4 мм.
Следующим этапом обработки данных НЛС было задание рабочей системы координат таким образом, чтобы одна из координатных осей совпадала с направлением оси печи, а также построение векторной модели методом пространственной нерегулярной триангуляции (TIN), это наиболее простой и эффективный способ создания трехмерной модели на основе данных НЛС, рис. 3. В данной работе использовалось ПО Rapidform XOR3, так как оно имеет значительный функционал инструментов при построении TIN-моделей.
В результате обработки модель объекта, полученная из наземного лазерного сканирования, охватывает измерениями в среднем 210° тела печи, рис. 3.
Рис. 3. Трехмерная модель тела печи, полученная на основе данных НЛС
Используя TIN-модель, также с помощью функций ПО Rapidform XOR3 были получены поперечные сечения тела печи с шагом в 1 м. В точки этих сечений вписывалась окружность по методу наименьших квадратов (рис. 4). Отклонения координат Ах и Az определяют отклонения центра окружности в горизонтальной и вертикальной плоскостях от геометрической оси печи.
Рис. 4. Задание системы координат и построение сечений
Анализ точности определения геометрических параметров печи, полученных в ходе сканирования, выполнен для бандажа при тех же условиях, что при использовании тахеометра. Параметры бандажа определялись сканированием участка его поверхности в 30° дуги окружности цилиндра. В табл. 3 и 4 показаны погрешности параметров бандажа при точности определения координат точек на поверхности 5 мм. Повышение точности за счет большого числа точек носит чисто теоретический характер и имеет место в действительности только в том случае, если погрешности измерений не содержат систематической составляющей.
Таблица 3
Точность при одностороннем сканировании бандажа (ю = 30°)
Число Средние квадратические ошибки параметров цилиндра, мм
точек измерений тх л0 т7 0 ту ух тУ2 тг
440 9,48 24,13 1,45 4,82 5,85
860 6,91 17,68 1,03 3,54 4,39
1 700 4,97 12,73 0,73 2,54 3,21
3 380 3,55 9,09 0,52 1,82 2,31
Таблица 4
Точность при двухстороннем сканировании бандажа (ю = 30°)
Число точек измерений Средние квадратические ошибки параметров цилиндра, мм
тх о т7 0 тУх тУ1 тг
880 5,12 17,06 1,02 3,41 0,17
1 720 3,66 12,50 0,73 2,50 0,12
3 400 2,60 9,00 0,51 1,80 0,09
6 760 1,84 6,42 0,37 1,28 0,06
Анализ точности определения параметров при «холодной» выверке вращающихся агрегатов показывает, что современные электронные тахеометры и сканеры при выборе оптимальной методики измерений позволяют надежно оценить состояние установки и обеспечить ее эффективную регулировку. Время измерений электронным тахеометром будет сокращено в два раза, по сравнению с традиционным методом выверки - нивелировкой по бандажам в четырех положениях печи, а лазерное сканирование позволит свести к минимуму время полевых работ и еще в 2-3 раза ускорит процесс получения результатов. Это в конечном итоге приведет к сокращению простоя печи.
Метод «холодной» выверки с использованием наземного лазерного сканирования дает намного больше информации о геометрии поверхности печи и бандажей, так как позволяет выполнить практически сплошной контроль де-
формаций по всей поверхности печи и дополнительного оборудования. Также он значительно ускоряет и автоматизирует проведение полевых работ и при увеличении точности создания опорной геодезической сети может найти применение для выверки вращающихся агрегатов в статичном состоянии, конечно, при корректировке положения оси печи после нагрева [1]. Авторы статьи считают, что метод наземного лазерного сканирования перспективен для выполнения «холодной» выверки вращающихся агрегатов в будущем, так как делает измерения действительно дистанционными, позволяет повысить безопасность работ на объекте и значительно сократить время полевых работ.
Предложенную модель обработки результатов можно применить и к лазерному сканированию вращающихся агрегатов в рабочем состоянии, т. е. при вращении. По аналогии будем называть такой вариант измерений «горячей» выверкой. Предполагается, что выполняется сканирование участка бандажа, оконтуренного красными точками, рис. 5, фиксируются моменты сканирования, бандаж поворачивается на заданный угол и выполняется следующий скан. Все сканы выполняются при одном обороте бандажа.
Лазерное сканирование вращающихся агрегатов
Z
у
Рис. 5. Сканирование бандажа вращающейся печи
Предполагается, что на одном скане измерено 1 200 точек, точность измерения расстояний при сканировании 5 мм.
На рис. 6 показано сканирование вращающейся печи в динамике, на одном из цементных заводов Западной Сибири. Сканирование выполнялось с опор временно неработающей печи.
Рис. 6. Выполнение сканирования вращающейся печи
Задача определения параметров агрегата может быть решена за счет того, что при измерении сканером пространственных координат точки на вращающейся поверхности агрегата фиксируется время, т. е. момент измерения, что позволяет применить следующую методику обработки.
В общем случае вращающаяся поверхность в некоторый начальный момент времени ¿0 описывается уравнением
и(г, 0) = 0,
где г
Ху2
вектор пространственных координаты точки на поверхности агрегата; 0 - вектор параметров вращающейся поверхности.
При локации поверхности лазерным лучом регистрируется г = х^ у^ -
вектор координат точки пересечения сканирующего луча и вращающейся поверхности в некоторый момент ? текущего времени (см. рис. 1 и 5).
Решая совместно системы уравнений, составленные для достаточного числа измеренных на вращающейся поверхности точек, вычисляются геометрические и кинематические параметры.
Рассматривается цилиндр радиуса Я, геометрическая ось которого проходит через точку О и имеет направляющий единичный вектор Б. Цилиндр вращается вокруг оси, проходящей через точку С и имеющей направляющий вектор V. Лазерный луч из точки А направлен под углами а и в и пересекает поверхность цилиндра в точке г, координаты которой определяются из следующих уравнений:
Хг = ха + Ь соб а соб Р Уг = У А + Ь б^п а бсоб Р 2 = 2А + Ь БШ Р
(12)
Уравнение цилиндра в векторной форме имеет вид
Г г - Г0
Б ■ (г/ - г0)
- Я2 = 0,
(13)
где Г0 - вектор координат точки О на оси цилиндра; Г/ - вектор координат
точки на его поверхности. Если повернуть цилиндр вокруг оси вращения на угол иг, то в момент времени г вектор координат Т^ будет определяться выражением
Ч = Гс + A(v, Щ)(Г/ - Гс),
(14)
где А(у, щ) - ортогональная матрица поворота, заданная V - вектором оси вращения и углом поворота щ вокруг нее. Угол поворота для вращающегося корпуса печи определяется формулой
щ = 2л
г - и
w
(15)
где w - время одного оборота печи; ¿0 - начальный момент измерений.
Если уравнение (14) подставить в уравнение цилиндра (13), то получим уравнение вращающегося цилиндра в следующем виде:
Гс + А( УЩ )(г/ - Г с) - Г 0 - Б ■ (Г/ - Г0)
Я2 = 0.
(16)
Совместное решение уравнений (12) и (16) относительно расстояния Ь дает координаты точки пересечения луча сканера с поверхностью вращающегося
цилиндра. Задавая параметры положения объекта, скорости вращения и моменты времени измерения, получаем координаты точек на поверхности цилиндра, которые соответствуют данным, получаемым при реальных измерениях и по которым можно вычислить геометрические и кинематические параметры бандажа или другой части корпуса печи.
Для вычисления параметров бандажа по полученным координатам на основе уравнения (16) имеет место следующая система параметрических уравнений:
где п - общее число измеренных точек; е/ - невязка, вызванная погрешностями измерений. Система (17) линеаризуется разложением в ряд
где 8г с, 8Г0, ..., 8Я - поправки в соответствующие приближенные значения
искомых параметров; ¡г - невязка уравнения (16) при подстановке приближенных значений параметров.
При решении системы (18) методом наименьших квадратов оценивалась точность определяемых параметров как корень из их дисперсии, т. е. средняя квадратическая ошибка при наличии случайных погрешностей в измеряемых величинах.
Применяя эту методику, можно выполнить развертку измерений лазерного сканирования во времени. На рис. 7, а показано облако точек одного скана, на который попали две полных секции обечайки и три бандажа, на рис. 7, б приведена развертка во времени этих элементов печи. Для наглядности использованы элементы разного цвета. На рис. 7, б показано, что за время сканирования этой станции печь выполнила почти полный оборот вокруг своей оси. Часть точек исходного облака была удалена вручную, это точки, которые могли повлиять на параметры цилиндров обечайки и бандажей - перила ограждений, столбы с лампами освещения, подбандажные башмаки и ребра жесткости, приваренные в местах нарушения целостности обечайки и др.
В табл. 5 и 6 приведены величины ожидаемой оценки точности параметров для различных вариантов сканирования и вычислений.
2 2 Фг = Г с+ A(У,Щ)(Г/ - Г с) - г" 0 - ^ ■ (Г - "Г0) - Я2 = ег >
(г = 1...п)
(17)
(18)
б)
Рис. 7. Развертка данных сканирования во времени: а) исходный скан; б) развернутый во времени скан
Таблица 5
Точность определения параметров без вычисления центра вращения
и направления оси вращения
Параметры цилиндра Число изм на цилинд еренных ре сканов Число двухсторонних измеренных сканов
1 2 3 6 1+1 2+2 3+3 6+6
Средние квадратические ошибки, мм
Геометрический центр 16,60 6,55 4,85 3,40 11,35 4,60 3,40 2,40
Направление геометрической оси 3,20 1,30 0,95 0,70 2,25 0,95 0,70 0,50
Радиус 3,90 0,50 0,20 0,05 0,10 0,05 0,05 0,05
Таблица 6
Точность определения параметров с вычислением центра вращения
и направления оси вращения
Параметры цилиндра Число измеренных на цилиндре сканов Число двухсторонних измеренных сканов
2 3 4 6 2 + 2 3 + 3 4 + 4 6 + 6
Средние квадратические ошибки, мм
Геометрический центр 10,15 7,70 5,75 4,70 6,80 5,15 4,15 3,10
Центр вращения 12,0 8,90 7,15 5,50 8,30 6,20 5,00 3,90
Направление геометрической оси 1,95 1,45 1,20 0,90 1,35 1,00 0,85 0,60
Направление оси вращения 2,75 1,30 1,00 0,80 1,90 0,95 0,70 0,55
Радиус 2,750 2,250 1,950 1,600 0,005 0,005 0,050 0,050
Выводы
Испытания технологии на цементных заводах Западной Сибири показали ее перспективность и то, что она позволяет значительно сократить время съемки и при этом получить очень высокую точность определения параметров вращающихся агрегатов.
Пока слабым местом технологии является недостаточная точность создания опорной геодезической сети и связывания сканов. Другой проблемой, которая требует решения, является автоматизация идентификации и выделения из облака точек элементов вращающейся печи - секций обечайки, бандажей и роликов и связанная с ней задача удаления шумов и «мусора» от окружающих объектов. Еще одной проблемой является то, что на сегодняшний день время каждого измерения точки из облака можно извлечь из данных только сканеров фирмы RIEGL. И, конечно, проблема синхронизации измерений во времени: необходимо программное обеспечение для управления сканированием, которое учитывало бы время вращения печи.
Часть этих недостатков авторы надеются преодолеть в дальнейших исследованиях, разработав ПО для управления измерениями вращающихся агрегатов с применением сканирующего тахеометра.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шоломицкий А. А., Ковалев П. С., Медведская Т. М., Мартынов А.В. Влияние нагрева печи на прямолинейность ее оси вращения // Вестник СГУГиТ. - 2017. - Т. 22, № 4. -С. 18-26.
2. Krystowczyk B. Ausrichten von Drehofen und Korrektur der Tragrollen-Verdrehunden waehrend des Betriebes // Zement Kalk Gips International. - 1983. - № 5. - P. 288-292.
3. Кинематические локационные измерения вращающихся агрегатов / С. Г. Могильный, А. А. Шоломицкий, А. А. Лунев, А. Л. Сотников, И. С. Фролов // Научные труды донецкого национального технического университета. Сер.: Горно-геологическая. - 2013. -Вып. 1 (18). - С. 3-14.
4. Mogilny S. G., Sholomitskii A. A., Martynov O. V. Real-time geodetic measurements of rotary machines // 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017 (29 June-5 July). - 2017. - Vol. 17, Issue 22. - P.523-530. DOI: 10.5593/sgem2017/22/S09.065.
5. Кузьо И. В., Шевченко Т. Г. Расчет и контроль установки агрегатов непрерывного производства. - Львов : Вища школа, 1987. - 176 с.
6. Руководство по выверке технологического оборудования металлургической промышленности / Т. Г. Шевченко, С. Г. Хропот, В. П. Пивоваров, А. А. Игнатов, В. Ф. Меньшиков. - Министерство металлургии СССР, 1991. - 212 с.
7. Библиотека цементного завода [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://prostroymat.ru/tags/vyverka (дата обращения: 21.01.2018).
8. Mogilny S., Sholomitskii A. Precision Analysis of Geometric Parameters for Rotating Machines During Cold Alignment // International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2017 Procedia Engineering. - 2017. - P. 1709-1715. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.702.
9. The Analysis of Methods for Determining the Geometric Parameters of Rotating Machines / S. G. Mogilny, A. A. Sholomitskii, V. A. Seredovich, A. V. Seredovich, A .V. Ivanov // 2nd International Workshop «Integration of Point-and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects. Proceedings 23-24 march 2015. - Studgart, Germany. - P.119-130.
10. Официальный сайт фирмы Cemex [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.cemex.com (дата обращения: 21.01.2018).
11. Официальный сайт компании ThyssenKrupp [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.thyssenkrupp.com/en/products/ (дата обращения: 21.01.2018).
12. Петров В. В., Тюрин С. В. Технология контроля геометрических характеристик вращающихся печей // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2005. - № 7.- С. 66-70.
13. Петров В. В., Тюрин С. В., Копытов А. Н. Контроль геометрических характеристик вращающихся печей // Цемент и его применение. - 2010. - № 2. - С. 78-82.
14. «Бум Техно», ЗАО разрабатывает и внедряет технологии выверки вращающихся печей [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.korabel.ru/news/comments/bum_ tehno_zao_razrabativaet_i_vnedryaet_tehnologii_viverki_vrashchayushchihsya_pechey.html (дата обращения: 21.01.2018).
15. Kai Zheng, Yun Zhang, Lei Liu, Chen Zhao. An Online Straightness Deviation Measurement Method of Rotary Kiln Cylinder // Tehnicki vjesnik. - 2017. - № 24(5). - P. 1297-1305. DOI: doi.org/10.17559/TV-20150426160032.
16. Kai Zheng, Yun Zhang, Chen Zhao and Lei Liu. Rotary Kiln Cylinder Deformation Measurement and Feature Extraction Based on EMD Method // Engineering Letters. - 2015. -№ 23 (4). - P. 283-291.
17. Официальный сайт ООО «Промышленная геодезия» [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://promgeo.com/services/kiln (дата обращения: 25.01.2018).
Получено 22.05.2018
© С. Г. Могильный, А. А. Шоломицкий, А. В. Иванов, А. В. Середович, Е. К. Лагутина, А. В. Мартынов, 2018
INVESTIGATION OF METHODS FOR DETERMINING GEOMETRIC PARAMETERS OF ROTATING AGGREGATES BY LASER SCANNING DATA
Sergey G. Mogilny
Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, 24a, Chernyshevs'kogo St., Dnepr, 49600, Ukraine, D. Sc., Professor, Department of Land Management, Road-Building and Geodesy, phone: (050)606-43-54, e-mail: mogilnysg@mail.ru
Вестник CTyTuT, Tom 23, № 3, 2018
Andrei A. Sholomitskii
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Professor, Department of Engineering and Mining Geodesy, phone: (383)343-29-55, e-mail: sholomitskij@mail.ru
Andrey V. Ivanov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (383)343-29-55, e-mail: geodata1000@gmail.com
Alexander V. Seredovich
Scientific Research Institute of Oil Gas «Neftegasproekt», 209, Republic St., Tyumen, 625019, Russia, Ph. D., Head of the Group of Laser Scanning, e-mail: seredovichav@nipingr.ru
Elena K. Lagutina
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (383)343-29-55, e-mail: e.k.lagutina@ssga.ru
Alexey V. Martynov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Engineer Surveyor, Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, phone: (383)343-29-55, e-mail: martinovlg@gmail.com
The paper performs the analysis of literary and Internet sources on this topic, considers various methods of rotating aggregates alignment with using laser scanning data, gives the theory of mathematical processing of measurements of rotating aggregates. It is noted that a cold alignment of rotating aggregates based on laser scanning data, allows obtaining very high accuracy in determining geometric parameters. The deterrent of this technology is the insufficient accuracy of creating a reference geodetic network and scans stitching. The paper gives examples of production testing methods at cement plants in Western Siberia conducted in 2015-2017 on two eight-column kilns of clinker. It is shown that, based on laser scanning of operating rotary kilns, the scanning data can be performed and the characteristics of the rotating kilns can be determined with high accuracy. The paper considers the problems that require further research and solutions.
Key words: alignment, modeling, analysis, geodetic measurement, axis straightness, terrestrial laser scanning, adjustment.
REFERENCES
1. Sholomitskii, A. A, Kovalyev, P. S., Medvetskaya, T. M., & Martynov, A. V. (2017). Effect of temperature on the straightness of the axis of the rotary kiln. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 22(4), 18-26 [in Russian].
2. Krystowczyk, B. (1983). Ausrichten von Drehofen und Korrektur der Tragrollen-Verdrehunden waehrend des Betriebes. Zement Kalk Gips International, 5, 288-292.
3. Mogilny, S. G., Sholomitskii, A. A., Lunev, A. A., Sotnikov, A. L., & Frolov, I. S. (2013). Kinematic location measurements of rotating aggregates. Nauchnye Trudy donetskogo natsional'nogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Gorno-geologicheskaya [Proceedings of the Donetsk National Technical University. Series: Mining-Geological], 1 (18), 3-14.
4. Mogilny, S. G., Sholomitskii, A. A., Martynov, O .V. (2017). Real-time geodetic measurements of rotary machines. In 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM2017 Proceedings, 17(22), 523-530. doi: 10.5593/sgem2017/22/S09.065.
5. Kuz'o, I. V., & Shevchenko T. G. (1987). Rashyet i control' ustanovki agregatov nepreryvnogo proizvodstva [Calculation and control of the installation of aggregates of continuous production]. Lviv: Vishcha shkola Publ., 176 p. [in Russian]
6. Shevchenko, T. G., Khropot, S. G., Pivovarov, V. P., Ignatov, A. A., & Men'shikov, V. F. (1991). Rukovodstvo po vyverke tekhnologicheskogo oborudovaniya metallurgicheskoy promyshlennosti [Guide to reconcile the technological equipment of the metallurgical industry]. The Ministry of Metallurgy of the USSR, 212 p. [in Russian],
7. Library of the cement plant. (n. d.). Retrieved from http://prostroymat.ru/tags/vyverka, accessed 21.01.2018 [in Russian].
8. Mogilny, S., & Sholomitskii, A. (2017) Precision Analysis of Geometric Parameters for Rotating Machines During Cold Alignment. In International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2017ProcediaEngineering (pp. 1709-1715). doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.702.
9. Mogilny, S. G., Sholomitskii, A. A., Seredovich, V. A., Seredovich, A. V., & Ivanov, A. V. (2015). The Analysis of Methods for Determining the Geometric Parameters of Rotating Machines. In Proceedings of 2nd International Workshop "Integration of Point-and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects", 23th-24th march 2015 (pp.119-130). Studgart, Germany.
10. Cemex website. (n. d.). Retrieved from http://www.cemex.com, accessed 21.01.2018 [in Russian].
11. ThyssenKrupp website (n. d.). Retrieved from https://www.thyssenkrupp.com/en/ products/, accessed 21.01.2018 [in Russian].
12. Petrov, V. V., & Tyurin S. V. (2005). Technology for controlling the geometric characteristics of rotary kilns. Cellyuloza. Bumaga. Karton [Cellulose. Paper. Cardboard.], 7, 66-70 [in Russian].
13. Petrov, V. V., Tyurin, S. V., & Kopytov, A. N. (2010). Control of geometric characteristics of rotating furnaces. Cement i ego primenenie [Cement and its Application], 2, 78-82 [in Russian].
14. "Boom Techno", ZAO develops and implements technologies for reconciling rotating furnaces (n. d.). Retrieved from http://www.korabel.ru/news/comments/bum_tehno_zao_ razrabativaet_i_vnedryaet_tehnologii_viverki_vrashchayushchihsya_pechey.html, accessed 21.01.2018 [in Russian].
15. Kai Zheng, Yun Zhang, Lei Liu, & Chen Zhao. (2017). An Online Straightness Deviation Measurement Method of Rotary Kiln Cylinder. Tehnicki vjesnik, No. 24(5), 1297-1305. doi: doi.org/10.17559/TV-20150426160032.
16. Kai Zheng, Yun Zhang, Chen Zhao, & Lei Liu. (2015). Rotary Kiln Cylinder Deformation Measurement and Feature Extraction Based on EMD Method. Engineering Letters, No. 23(4), 283-291.
17. Site of LLC "Industrial geodesy" Works performed (n. d.). Retrieved from http://promgeo.com/services/kiln, accessed 25.01.2018 [in Russian].
Received 22.05.2018
© S. G. Mogilny, A. A. Sholomitskii, A. V. Ivanov, A. V. Seredovich, E. K. Lagutina, A. V. Martynov, 2018
