張力自動平衡懸掛裝置檢測系統(tǒng)的分析與應用

張克軍

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司，山西 朔州036000）

引言

隨著煤炭產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化及向集約式發(fā)展模式的持續(xù)轉變，一些大功率、高效率、高自動化的提升運輸裝備在煤炭行業(yè)，尤其是在新建礦井逐漸得以應用。在此形勢下，麻家梁礦為其主井提升配置了千萬噸級大型高速提升裝備，年設計提升能力1 200萬t，是國內(nèi)第一套驅動功率達到7 000 kW的落地式多繩摩擦提升系統(tǒng)。在實現(xiàn)大功率提升作業(yè)的同時，如何通過故障診斷與預警確保設備的可靠性是實際生產(chǎn)中必然要面臨的重要問題。

故障診斷即對設備運行狀態(tài)進行診斷，并對異常情況作出判斷。具體到麻家梁礦的主井提升設備，雖然基于ABB公司的AC800M PLC、S800 I/O構建的智能監(jiān)控系統(tǒng)已然具有多種機械與電氣故障的診斷與保護功能，但是仍然存在故障診斷的薄弱環(huán)節(jié)，甚至盲區(qū)。例如：提升鋼絲繩張力自動平衡油缸活塞桿位置靠人工現(xiàn)場觀察并測量，難以杜絕個別鋼絲繩不受力的危險。上述不足若不加以克服，可能造成斷繩、墜罐等惡性事故，嚴重危及生產(chǎn)安全。本文主要針對張力自動平衡懸掛裝置在運動時的實時監(jiān)測展開了深入研究，其應用效果顯著。

1 張力自動平衡懸掛裝置結構及工作原理

張力自動平衡懸掛裝置的工作原理是，閉環(huán)無源液壓連接式。無論該裝置處于運動或靜止，只要各鋼絲繩存在張力差，張力大的鋼絲繩通過中板2、墊塊9、側板6、壓板5壓縮連通油缸使連通油缸7活塞桿壓縮，懸掛伸長，鋼絲繩的張力變小，油缸內(nèi)的油液通過連通管進入張力小的連通油缸，使其活塞桿往外伸長，通過墊塊9、中板2、壓板5、側板6使懸掛縮短，鋼絲繩張力變大，直到每根鋼絲繩的張力均相等，連通油缸運動才相應停止。裝置具體結構見圖1。

圖1 張力自動平衡懸掛裝置結構圖

2 平衡裝置故障分析

對于多繩提升，各繩張力平衡十分重要，《煤礦安全規(guī)程》對此也做了任意一根鋼絲繩的張力與平衡張力之差不得超過±10%的規(guī)定。對于麻家梁礦主井提升這種大功率、大噸位的提升作業(yè)更顯重要。絕大多數(shù)多繩摩擦提升系統(tǒng)都已配置如圖1所示的張力自動平衡懸掛裝置。在其應用過程中，若出現(xiàn)活塞桿到達上下極限位置的情況，將會導致張力嚴重不平衡，極大地增加了斷繩事故的發(fā)生率，嚴重威脅了礦井提升安全。因此需對張力平衡裝置活塞桿的伸出位移實時測量，一旦到達危險極限閾值，則立刻報警采取相應解決措施，保證提升系統(tǒng)可靠運行。

3 平衡油缸姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)采用拉線式位移傳感器，固定在側板6上（如下頁圖2），拉線端隨著油缸活塞桿位置的改變伸長或縮短，從而實時檢測到張力自動平衡裝置油缸活塞桿的行程位置。當拉線縮短到給定值，則認為活塞桿達到下極限位置（即到底），當拉線伸長到給定值則認為活塞桿達到上極限位置（即到頂）。

圖2 平衡裝置檢測系統(tǒng)安裝圖

平衡油缸姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用拉線位移傳感器實時檢測平衡油缸活塞桿的行程經(jīng)單片機實時采集后，用無線通信的方法將信號傳送給司機操作間上位機進行數(shù)據(jù)處理與顯示。

3.1 傳感器選型

由于傳感器需要安裝到張力自動平衡懸掛裝置上，工況惡劣，安裝空間小，油缸活塞桿行程較長，優(yōu)先選擇拉線位移傳感器，再從測量精度、穩(wěn)定性、工作電壓以及輸出信號類型等方面綜合考慮，最終選擇上海星宇高科應用技術研究所生產(chǎn)的型號為“XPS-S-A1”拉繩傳感器。參數(shù)見表1。

表1 傳感器參數(shù)

3.2 活塞桿行程采集電路設計

4路拉線式位移傳感器輸出4～20 mA電流信號，經(jīng)電流電壓轉換電路轉為1～5 V電壓后，由AD采樣轉換成數(shù)字信號，經(jīng)單片機濾波處理后傳給無線模塊發(fā)送至接收器。其下位機電路框圖見圖3。

圖3 位移檢測電路原理框圖

3.3 上位機處理與顯示

接收器接收數(shù)據(jù)并傳送給上位機，上位機將數(shù)字信號轉換成實際位移值，并實時存儲顯示，當有油缸活塞桿處于極限位置時，實時報警，見圖4。

圖4 活塞桿行程顯示界面

4 應用效果

1）首次提出并實現(xiàn)對張力自動平衡油缸活塞桿伸出位置進行監(jiān)測，對其到達極限位置情況進行報警，有效杜絕個別提升主繩不受力的危險情況。

2）綜合運用時域分析與頻域分析結合、有線通信與無線通信結合的方法實時監(jiān)測提升機的運行狀態(tài)，加強或填補了平衡油缸原有監(jiān)護系統(tǒng)所存在的薄弱環(huán)節(jié)或空白，在很大程度上減少了斷繩等多種事故的發(fā)生概率。

3）本系統(tǒng)在麻家梁礦的應用大幅減少了日常維護時間，以每日節(jié)約0.5 h檢修時間計，則每日可增加0.5 h的提升作業(yè)時間。以小時提升量0.14萬t計算，每日可增加提煤0.07萬t，按年工作日300 d計算，每年增加提煤21萬t。以煤炭價格500元/t計，每年可多創(chuàng)造1.05億元的經(jīng)濟價值。

5 結語

麻家梁礦主井提升系統(tǒng)大量采用了國內(nèi)外知名廠家的產(chǎn)品，在追求高可靠性的同時，也消耗了高額的成本。本系統(tǒng)的研究對于完善提升裝備的故障診斷和提升系統(tǒng)運行的安全性甚至對設備的維修檢查具有重要的現(xiàn)實意義，并可為其他大型機械裝備的安全保障提供重要的技術借鑒。