高維強(qiáng)，張運(yùn)華，張紅光，宋永亮，劉毅，侯西富

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)南煤炭科技研究院分公司，山東 濟(jì)南250000；2.兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦，山東 鄒城273500）

0 引言

現(xiàn)煤礦提升繼續(xù)朝著超深、重載、高速方向發(fā)展，同時(shí)多繩摩擦式立井提升系統(tǒng)的成熟逐漸取代了單繩纏繞式提升系統(tǒng)。在多繩摩擦式立井提升系統(tǒng)運(yùn)用的過程中，提升鋼絲繩張力不平衡問題嚴(yán)重影響鋼絲繩的使用壽命與整個(gè)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼絲繩張力靜態(tài)檢測法也已不再適用現(xiàn)代煤礦企業(yè)生產(chǎn)情況，若可以對鋼絲繩張力實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，可隨時(shí)能了解鋼絲繩張力差的大小，及時(shí)采取應(yīng)對措施，以提高礦井提升的安全性。因此，鋼絲繩張力在線監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)對保證現(xiàn)階段礦井提升安全尤為重要。對于動(dòng)態(tài)監(jiān)測鋼絲繩張力的方法，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，相關(guān)技術(shù)成果由于局限性較大的原因不能很好的實(shí)際應(yīng)用。因此，本文基于串接載荷傳感器法設(shè)計(jì)了一套鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)，并依據(jù)在鮑店煤礦主井的應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)鮑店主井提升系統(tǒng)的生產(chǎn)環(huán)境來對鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要保證實(shí)用性原則、可靠性原則、安全性原則等設(shè)計(jì)原則，同時(shí)根據(jù)礦井監(jiān)測需要，系統(tǒng)功能要滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測直觀可靠，報(bào)警畫面醒目。系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備要保證不能影響提升系統(tǒng)安全生產(chǎn)。

鋼絲繩作為提升系統(tǒng)的承載部件，需要承受較大載荷，而作為檢測鋼絲繩張力的載荷傳感器，其承載能力至少是實(shí)際載荷的13倍。傳感器在與鋼絲繩連接后，不得影響提升機(jī)原有結(jié)構(gòu)，或者損壞鋼絲繩以及降低鋼絲繩強(qiáng)度，因此，載荷傳感器的安裝問題是著重考慮的問題。

多繩摩擦提升機(jī)在提升運(yùn)行過程中，通常采用張力自動(dòng)平衡裝置來實(shí)現(xiàn)各根鋼絲繩之間的張力平衡，如圖1所示，為張力自動(dòng)平衡裝置。張力自動(dòng)平衡裝置主要采用閉環(huán)無源液壓連通原理，自動(dòng)調(diào)節(jié)由安裝偏差、鋼絲繩殘余應(yīng)力等引起的張力偏差，較好地解決多繩摩擦提升鋼絲繩的動(dòng)態(tài)平衡問題。

圖1 鮑店煤礦張力自動(dòng)平衡懸掛

對鋼絲繩張力的檢測可利用張力自動(dòng)平衡懸掛裝置的特殊結(jié)構(gòu)，通過檢測載荷傳感器的數(shù)據(jù)來反映鋼絲繩張力。如圖2所示。將傳感器安裝于滑塊與連扳之間?？赏ㄟ^擠壓載荷傳感器來實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩張力的直接測量，避免對提升系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)改造，并且對提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未造成影響。

圖2 載荷傳感器安裝位置

煤礦主井提升鋼絲繩監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。本系統(tǒng)結(jié)合無線通訊技術(shù)，整體系統(tǒng)主要有采集裝置，上位機(jī)和組態(tài)監(jiān)控界面三部分組成，采集裝置有傳感器、無線采集發(fā)射裝置，上位機(jī)有地面收發(fā)裝置或井上PLC。當(dāng)提升機(jī)工作時(shí)，工作人員通過組態(tài)監(jiān)控界面向上位機(jī)發(fā)送“采集”指令，然后上位機(jī)通過無線通訊方式向采集裝置發(fā)送控制命令，采集設(shè)備開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將采集數(shù)據(jù)信息通過無線通訊方式傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)接收后再將數(shù)據(jù)信號傳輸給組態(tài)軟件系統(tǒng)，并通過軟件進(jìn)行處理后顯示和儲存。當(dāng)不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)信號采集時(shí)，發(fā)送“停止”指令即可。由于監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝是在礦井提升機(jī)固有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)監(jiān)測傳感系統(tǒng)時(shí)需要依附于礦井結(jié)構(gòu)且不得改變原有礦井結(jié)構(gòu)模式。

圖3 鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 提升鋼絲繩動(dòng)力學(xué)分析

本文研究的對象是多繩摩擦式雙箕斗提升系統(tǒng)，等重尾繩，由鋼絲繩引起的張力差可忽略不計(jì)。提升箕斗以及鋼絲繩在提升機(jī)的牽引下，分別做加速、勻速以及減速運(yùn)動(dòng)，查閱相關(guān)資料以及計(jì)算驗(yàn)證，提升系統(tǒng)在箕斗加速上升段時(shí)鋼絲繩受到的張力值最大，因此在對鋼絲繩的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究時(shí)，主要研究提升加速度段。如圖4所示，為提升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析圖。

圖4 提升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析圖

由圖4可知，其運(yùn)行微分方程為：

式中：ms為上升側(cè)總變位質(zhì)量；a為鋼絲繩沿垂線上升的加速度；Fs，F(xiàn)sj為分別為鋼絲繩的動(dòng)拉力和靜拉力。

由于Fsj=(m+mz)g+nmpg(h0+H-x)+n'mqg(Hw+x)+Ws；

ms=m+mz+nmp（h0+H-x）n'mq（Hw+x）Gt/g，故 將 式（2）轉(zhuǎn)化為：

Fs=[(m+mz)+nmq（h0+H+Hw）](a+g)+0.075mg+Gta/g

式中：m，mz分別為箕斗載重量和自重；g為重力加速度；n，n'分別為首繩和尾繩數(shù)量；mp，mq分別為首繩和尾繩的單位質(zhì)量；h0從卸載位置到摩擦輪的距離；H為提升高度；Hw為尾繩環(huán)高度；Ws上升側(cè)礦井阻力，這里取0.075mg；Gt導(dǎo)向輪的變位位置。

將式（2）轉(zhuǎn)換為：由上式（3）可知，鋼絲繩的動(dòng)拉力主要由兩部分組成，即箕斗的自重，靜拉力，以及提升過程中運(yùn)動(dòng)加速度所造成的附加拉力組成。故提升鋼絲繩的動(dòng)載荷系數(shù)Kd為：

由式（4）可知，動(dòng)載荷系數(shù)Kd總是大于1。由于提升過程中伴隨著運(yùn)動(dòng)加速度和各種沖擊力的影響，也為保障提升機(jī)的安全運(yùn)行，Kd取2。

2.2 載荷傳感器的類型對比

載荷傳感器在測量原理上有多種類型，根據(jù)其原理選擇出適合礦井環(huán)境的載荷傳感器。如表1所示，對不同類型的載荷傳感器的性能與特點(diǎn)進(jìn)行分析與對比。

表1 不同類型傳感器的性能與特點(diǎn)

不同類型的傳感器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要依據(jù)工作環(huán)境的特殊需求進(jìn)行選型。其中，電感式和壓電式易受到惡劣環(huán)境影響，抗干擾能力較差，難以適應(yīng)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境；其它類型傳感器測量量程較小或者研究技術(shù)不夠完善，無法完成對提升鋼絲繩張力的測量。綜上所述，本文采用的載荷傳感器為電阻式中的剪切應(yīng)變式壓力傳感器。其中，彈性元件采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中的輪輻式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 輪輻式彈性元件

3 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性，在鮑店煤礦對該系統(tǒng)進(jìn)行安裝測試。數(shù)據(jù)發(fā)射天線安裝時(shí)要盡量減少遮擋，所以天線安裝在箕斗雨棚頂部位置。數(shù)據(jù)發(fā)射器安裝在提升箕斗上部乘人間位置，防砸防水。采集裝置與電池因?yàn)樗脷んw過大的緣故，安裝于箕斗底部。對于電池續(xù)航能力問題，本系統(tǒng)為電池電源增加依靠罐耳轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電的充電裝置。

提升鋼絲繩張力監(jiān)測裝置系統(tǒng)界面整潔清晰。進(jìn)入主操作界面，首先登錄運(yùn)行程序，輸入用戶名與密碼后才可登錄，該系統(tǒng)主要是為方便管理人員設(shè)置使用權(quán)限，便于使用者的管理。該檢測系統(tǒng)能夠?qū)μ嵘摻z繩的張力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其主界面可實(shí)時(shí)顯示每根鋼絲繩的張力值，張力差值。同時(shí)在出現(xiàn)超載，鋼絲繩張力不平衡時(shí)，可進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場情況整理出了以下幾點(diǎn)：

1）提出了一種提升鋼絲繩張力在線監(jiān)測方法以及具體方案。

2）對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的安裝實(shí)驗(yàn)。

3）完成了對主提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)及試驗(yàn)臺的搭建，經(jīng)試驗(yàn)測試，該系統(tǒng)安全可靠，能在鋼絲繩過載及張力不平衡超出時(shí)進(jìn)行報(bào)警。