礦井摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力平衡檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳瑞云　張新　劉續(xù)伸　陸君

摘 要：本文通過對(duì)提升鋼絲繩運(yùn)行狀況的研究，理論分析了鋼絲繩張力不平衡原因，開發(fā)了基于壓電傳感器的礦井提升機(jī)鋼絲繩張力平衡檢測(cè)系統(tǒng)，完成了傳感器的設(shè)計(jì)與安裝研究。最后通過編寫檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)鋼絲繩張力平衡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到了鋼絲繩張力不平衡、超載等故障報(bào)警的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：礦井摩擦提升機(jī)；鋼絲繩；張力平衡；檢測(cè)系統(tǒng)

引言

多繩摩擦提升機(jī)是我國(guó)各大煤礦的主要提升設(shè)備。多繩摩擦式提升由多根鋼絲繩共同承擔(dān)提升載荷重量，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，由于各根鋼絲繩彈性變形不同而產(chǎn)生張力不平衡。各鋼絲繩張力不平衡，其危害是極大的。首先是襯墊的磨損，各繩張力不平衡造成襯墊各繩槽磨損不均勻，隨之又增大各繩間的張力不平衡，因此，許多礦井要經(jīng)常車襯墊，一副襯墊最多使用二三年，少的一二年，每次車襯墊要占用幾個(gè)小時(shí)，換一副襯墊需要十幾個(gè)小時(shí)[1-3]。其次是鋼絲繩的壽命，許多礦井鋼絲繩在規(guī)定使用期內(nèi)發(fā)生斷繩的事故，其主要原因就是各鋼絲繩的張力不平衡，張力過大的鋼絲繩首先產(chǎn)生疲勞損壞，如果能對(duì)鋼絲繩的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，那么就可以消除避免安全隱患，提高提升系統(tǒng)安全性能[4-5]。

因此，保持繩間的張力一致，對(duì)延長(zhǎng)鋼絲繩壽命，減輕襯墊磨損，保證設(shè)備安全運(yùn)行有著重要的意義?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定任一根鋼絲繩的張力與平均張力差不得超過10%。因此對(duì)鋼絲繩的承載大小及各鋼絲繩之間張力平衡情況的掌握和監(jiān)測(cè)方法的研究，就成為實(shí)現(xiàn)煤礦安全提升很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)一套基于傳感器測(cè)量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力平衡系統(tǒng)十分必要。

1.鋼絲繩張力不平衡的理論分析

鋼絲繩張力不平衡主要是由以下幾個(gè)方面原因造成的：

（1）繩槽直徑的偏差。由于襯墊繩槽加工不精確，鋼絲繩直徑誤差以及繩槽磨損程度（深淺）不同。較大直徑的繩槽上的鋼絲繩在上升邊就會(huì)比同側(cè)其它鋼絲繩產(chǎn)生較大的彈性伸長(zhǎng)。因而也就產(chǎn)生了較大的張力。相反在下放邊，由于下放的較快，就比其它的鋼絲繩張力要小。從而造成了各鋼絲繩的張力不平衡現(xiàn)象。這是在使用中出現(xiàn)鋼絲繩張力不平衡現(xiàn)象的主要原因。

（2）鋼絲繩長(zhǎng)度的偏差。由于在安裝時(shí)，各鋼絲繩不可能做到長(zhǎng)度上的絕對(duì)一致以及在提升過程中各繩不同的殘余伸長(zhǎng)，也會(huì)產(chǎn)生各鋼絲繩的張力不平衡現(xiàn)象。

（3）鋼絲繩本身的剛性偏差。由于鋼絲繩在制造時(shí)不可能保證材料和質(zhì)量完全相同（各鋼絲繩的彈性模數(shù)和斷面積都不可能完全相同）。盡管能做到《規(guī)程》規(guī)定的同批生產(chǎn)要求，但也不能做到理想狀態(tài)。其次在運(yùn)轉(zhuǎn)中磨損也不相同。因此，也會(huì)使各鋼絲繩的張力不平衡。

（4）環(huán)境影響偏差。由于鋼絲繩在使用過程中受溫度，井筒淋水的影響不同。其銹蝕程度、伸縮長(zhǎng)度也必然不同。特別是晝夜溫差較大時(shí)，非常明顯。

（5）磨擦襯墊的影響。磨擦襯墊機(jī)械性能不同，如彈性不同，對(duì)鋼絲繩的張力不平衡也產(chǎn)生一定的影響。

2.系統(tǒng)檢測(cè)原理

目前已有的接觸式鋼絲繩張力檢測(cè)，一種是傳感器串聯(lián)，一種是三點(diǎn)檢測(cè)法。前者測(cè)試比較準(zhǔn)確，但只能在靜態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。在不測(cè)試時(shí)檢測(cè)裝置必須拆卸或不受力，否則就會(huì)造成測(cè)試儀器的損壞或精度降低，整個(gè)測(cè)試過程非常復(fù)雜。后者安裝要求高，初始校準(zhǔn)困難，后期多根鋼絲繩的拉伸變形不一樣就會(huì)造成一定的測(cè)量誤差[6-7]。

摩擦提升系統(tǒng)所使用的襯墊主要分為兩種，一種是摩擦襯墊主要用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的傳遞，一種天輪襯墊主要用于對(duì)鋼絲繩和過渡調(diào)整輪的保護(hù)。這兩種襯墊在提升機(jī)運(yùn)行的過程中，都會(huì)受到鋼絲繩的壓力。因此在此兩種襯墊中加傳感器便可直接對(duì)鋼絲繩的壓力進(jìn)行測(cè)試，襯墊所受的壓力可以很好的反應(yīng)出鋼絲繩的張力。每臺(tái)提升機(jī)根據(jù)鋼絲繩數(shù)量安裝相應(yīng)數(shù)量的傳感器。傳感器以每秒6000點(diǎn)的速度采集數(shù)據(jù)，采集來的各組數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換和高頻調(diào)制等處理后，被本安隔爆無(wú)線采集器采集和存儲(chǔ)。采集器經(jīng)磁感應(yīng)觸發(fā)器觸發(fā)后上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可被電磁信號(hào)接收裝置接收。電磁信號(hào)接收裝置接收到信號(hào)后，將信號(hào)進(jìn)行放大、帶通濾波等處理，再通過電腦軟件進(jìn)行分析對(duì)比，若數(shù)據(jù)值超范圍就會(huì)報(bào)警提示。

3.檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與安裝

目前，大量程壓力傳感器的種類繁多，但從測(cè)量原理上可分為半導(dǎo)體、柱式、懸臂式、膜片式、輪輻式、生物技術(shù)等[8-10]。如圖2所示幾種典型大量程傳感器，其中，柱筒形彈性元件式測(cè)力傳感器適用于較大載荷的拉（壓）力和稱重測(cè)量，最大可達(dá)107N，但自身結(jié)構(gòu)較高，不適應(yīng)礦井提升要求；懸臂梁式測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝，但對(duì)受力點(diǎn)位移和由變形引起的體積變化不敏感；薄壁圓環(huán)式力傳感器外形較低，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定但在大量程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度大，而且性能不易保證；光纖壓力傳感器不受電磁干擾，尺寸較小，功耗也較低，但在大量程應(yīng)用中成本較高，技術(shù)難度較大，不易在礦井中廣泛使用。

綜上，結(jié)合礦井摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力平衡檢測(cè)要求，選用壓電式測(cè)力傳感器，如圖3所示。該傳感器安裝于提升機(jī)滾筒摩擦襯墊內(nèi)部，基于正壓電效應(yīng)的，即當(dāng)外加載荷使某些電介質(zhì)變形時(shí)，在電介質(zhì)表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。這種電荷隨著外加載荷的存在而存在，和外加載荷存在著如式（1）所示的關(guān)系。通過對(duì)電荷的測(cè)量反推出外加載荷的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量。

4.檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試

根據(jù)檢測(cè)工況的要求，設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)軟件。通過對(duì)每根鋼絲繩的張力進(jìn)行檢測(cè)，獲得每根鋼絲繩的張力數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)后臺(tái)對(duì)比運(yùn)行，實(shí)時(shí)反映鋼絲繩的張力情況，當(dāng)鋼絲繩張力差大于《煤安規(guī)程》要求的10%后，系統(tǒng)出現(xiàn)聲光報(bào)警，預(yù)防鋼絲繩不平衡過載運(yùn)行。部分現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3所示，可見系統(tǒng)可在線監(jiān)測(cè)提升鋼絲繩動(dòng)態(tài)壓力、張力情況，防止鋼絲繩受力不平衡；實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)鋼絲繩張力不平衡、超載等故障時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)聲光報(bào)警；主界面豐富，對(duì)于鋼絲繩張力進(jìn)行圖形顯示和數(shù)據(jù)顯示；實(shí)現(xiàn)提升載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和歷史查詢功能。

5.結(jié)論

本文通過對(duì)提升鋼絲繩運(yùn)行狀況的研究，理論分析了鋼絲繩張力不平衡原因，開發(fā)了基于壓電傳感器的礦井提升機(jī)鋼絲繩張力平衡檢測(cè)系統(tǒng)，完成了傳感器的設(shè)計(jì)與安裝研究。最后通過編寫檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)鋼絲繩張力平衡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到了鋼絲繩張力不平衡、超載等故障報(bào)警的目標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局. 煤礦安全規(guī)程（2016修訂版）[D].煤炭工業(yè)出版社，2016.

[2] 方明煌，方明燁. 鋼絲繩安全診斷與應(yīng)用[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，31（6）：679～681.

[3] 張金網(wǎng)等. 多繩提升鋼絲繩張力的測(cè)定[J]. 煤礦安全，2000，（3）：41～42.

[4] 楊兆建等. 多繩提升機(jī)鋼絲繩張力動(dòng)態(tài)測(cè)試調(diào)整研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，1995，20（5）：22.

[5] 王增才等. 多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)方法分析[J]. 煤礦機(jī)械，2002（5）：72～74.

[6] 王廣豐等. 摩擦提升鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)[J]. 煤礦機(jī)械，2005，（5）：1～3.

[7] 李春靜等. 鋼絲繩張力檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 煤礦安全，2006，（1）：53～55.

[8] 王增才等. 多繩提升鋼絲繩動(dòng)態(tài)張力監(jiān)測(cè)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（5）：402～405.

[9] 王增才等. 多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)方法分析[J]. 煤礦機(jī)械，2002，（5）：72～74.

[10] 桑安樂. 談多繩提升機(jī)鋼絲繩張力平衡方法的改進(jìn)[J]. 淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7（2）：67～69

基金項(xiàng)目（Foundation item）：淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司直管科研項(xiàng)目計(jì)劃（“摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力平衡檢測(cè)研究”）資助

（作者單位：1.淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司謝橋礦，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）