提升鋼絲繩張力監(jiān)測及超載預警系統(tǒng)

提升鋼絲繩張力監(jiān)測及超載預警系統(tǒng)中國礦業(yè)大學（徐州）機電工程學院徐桂云匯報內容1項目研究的技術方案路線24工業(yè)性試驗情況

項目研究的關鍵技術3項目研究背景、對象1.項目研究背景、對象超載提升、鋼絲繩張力差過大等，是造成礦井提升墜罐、過卷等事故的主要原因，防止這些事故最有效的方法是在線監(jiān)測鋼絲繩張力和張力差。目前，關于這方面尚沒有全面有效的監(jiān)測手段，平煤集團機電處和中國礦業(yè)大學共同完成了“煤礦提升鋼絲繩張力差在線監(jiān)測及超載預警系統(tǒng)”項目的研究；該項目面向三種常見的提升機：1.立井多繩摩擦式提升機；2.立井單繩纏繞式提升機；3.斜井串車提升機。針對不同的提升機，易發(fā)生的提升故障和事故敘述如下。1.1多繩摩擦提升機超載和張力差產生原因及危害(1)超載產生原因①提升箕斗粘煤。

②重復裝載。③副井提升操作人員判斷不準確造成超載。超載時，易超溫燒壞設備，發(fā)生險情或事故。例如平煤十一礦曾出現(xiàn)嚴重超載，提升速度正常是11m/s，減到了1m/s慢慢提升，燒壞導電帶。又例如徐州大屯煤電公司某礦井因重復裝載造成險情，700米的礦井用了6小時才把箕斗提上來。超載會對鋼絲繩造成重大損傷，甚至斷絲，如中途因過載急停，極易造成重大提升事故。超載對整個提升機械系統(tǒng)造成沖擊和損壞，如減速機、聯(lián)軸節(jié)打齒等?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：制動時所產生的力矩與實際提升最大靜荷重旋轉力矩之比K值不得小于3。超載時靜荷重旋轉力矩過大造成制動力矩不足無法制動，導致墜罐、過卷等事故。在線監(jiān)測提升載荷即鋼絲繩的張力，可避免超載。（2）超載提升的危害各根鋼絲繩長度不同、繩槽加工誤差等都會使?jié)L筒與鋼絲繩之間的摩擦力不同，使各根鋼絲繩之間產生張力差?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：多繩摩擦提升裝置中任一根提升鋼絲繩的載荷與平均載荷之差不得超過±10%。張力差過大造成：鋼絲繩運行時抖動大，甚至有脫槽的危險；鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、疲勞損傷、磨損較大，繩槽襯墊過度磨損，鋼絲繩與繩槽襯墊摩擦系數(shù)減小，導致滑繩等事故的發(fā)生。

(3)鋼絲繩張力差產生原因和危害分析使用鋼絲繩張力自動平衡裝置只能減小張力差，并不能使張力差消失。全調壓時，由于鋼絲繩張力差是時刻存在的，導致鋼絲繩在滾筒上來回竄繩滑動，造成滾筒繩槽襯墊和鋼絲繩過度磨損。半調壓時，油缸相通一側鋼絲繩張力相等，由于鋼絲繩張力差時刻存在，自動平衡裝置只能起局部調節(jié)作用，使張力差減小一些但不能消除，另一側鋼絲繩仍存在張力差。運行中經常出現(xiàn)一側活塞桿伸出到極限，另一側活塞桿縮回到極限的偏串現(xiàn)象；還出現(xiàn)油缸卡死。

有必要在線監(jiān)測張力差的大小，使維護人員及時采取措施減小張力差。(3)

鋼絲繩張力差產生原因和危害分析（1）超載產生原因及危害分析單繩纏繞提升機超載原因同多繩摩擦提升機。超載會對鋼絲繩造成重大損傷，甚至斷絲斷繩，導致斷繩墜罐、過卷等重大提升事故。例如徐州礦務局權臺礦主井發(fā)生一起過卷斷繩事故，全礦生產6天零8小時，主要原因是煤含水量過大嚴重超載所致。1.2.單繩纏繞提升機超載、松繩卡罐產生原因及危害

松繩造成的卡罐：提升容器若超速或加速度超限等都會啟用安全緊急制動，下放的容器易造成鋼絲繩松繩，從而導致防墜器誤啟動而卡罐。若司機未及時發(fā)現(xiàn)卡罐繼續(xù)下放容器，由于提升鋼絲繩的自旋轉扭轉力，使鋼絲繩就發(fā)生打結。罐道變形造成罐籠震動，若震動幅度超出罐籠防墜器制動齒與罐道木的標準間隙(一般為10mm)，將造成防墜器產生誤動作卡罐，同樣發(fā)生松繩打結現(xiàn)象。（2）卡罐導致松繩打結斜井串車提升系統(tǒng)，要求掛車數(shù)量是一定的，不得超過規(guī)定數(shù)量，但是會出現(xiàn)數(shù)量未超，而總載重量已經遠遠超過了提升量。超載會造成鋼絲繩斷繩導致跑車事故。在掛車數(shù)已經滿足數(shù)量要求時，但總載重量卻不足額定量，可以再掛串車，使總載重量接近額定載重量，以提高提升效率。3.斜井串車提升機超載產生原因及危害分析通過無線發(fā)射和接收裝置傳輸信號2.

項目研究的技術方案路線在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)編制軟件分析處理并診斷故障研制采集裝置采集信號單繩纏繞提升機鋼絲繩張力旁壓信號多繩摩擦提升機每根鋼絲繩張力及張力差油壓信號斜井串車提升機鋼絲繩張力軸承座壓力信號3.項目研究的關鍵技術點

項目研究的關鍵技術有三點：三種提升機鋼絲繩張力傳感器的研制；數(shù)據(jù)信息無線傳輸方式的研究應用；實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)。3.1三種鋼絲繩張力傳感器的研制一、多繩摩擦提升機中鋼絲繩張力油壓傳感器的研制因為無線傳輸受罐道內復雜信號的影響有誤碼率，為避開使用無線傳輸信號，最初的研究方案是張力差和總張力分開監(jiān)測。鋼絲繩張力油壓傳感器安裝在每個張力液壓自動平衡油缸旁路上，并安有油壓開關便于維修。診斷鋼絲繩張力差超過10%時超限預警，提醒維修人員降低張力差。四根鋼絲繩的張力之和是載重量，每次提升前若監(jiān)測到容器的載重量和兩容器的載重差超限閉鎖提升機。根據(jù)載重量可計算提煤量。在容器上安裝無線發(fā)射模塊，將油壓數(shù)據(jù)傳到無線接收模塊，再通過電纜傳輸?shù)杰嚪俊?/p>

一、多繩摩擦提升機中鋼絲繩張力油壓傳感器的研制將旁壓傳感器，通過螺釘套裝在楔形連接繩環(huán)附近的鋼絲繩上。旁壓傳感器受力分析如圖。αFFFmM1F二、單繩纏繞立井提升機中鋼絲繩張力旁壓傳感器的研制

旁壓式傳感器的優(yōu)點是能直接迅速在線監(jiān)測到鋼絲繩張力的，除能監(jiān)測超載和提煤量外，對松繩最靈敏感，因此松繩保護效果最好。

二、單繩纏繞立井提升機中鋼絲繩張力旁壓傳感器的研制鋼絲繩張力軸承座傳感器現(xiàn)場安裝如圖三、斜井串車提升機中鋼絲繩張力軸承座傳感器的研制αβFFm應變片A面1/2F1F11/2F11/2F11/2F1A線

當A面加力F1時，可以分解為兩部分，可看成是兩只單懸臂梁傳感器，F(xiàn)1與應變εmax關系和旁壓傳感器相同三、斜井串車提升機中鋼絲繩張力軸承座傳感器的研制3.2監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計平煤十一礦新主井井深703米，立井多繩摩擦提升。平煤三環(huán)公司己八井井深270米，采用立井單繩纏繞的升。系統(tǒng)將鋼絲繩傳感器張力信號轉換為數(shù)字信號，通過無線發(fā)射模塊發(fā)射到上井口（或井道中間）的無線接收模塊，再通過電纜將數(shù)字信號傳至機房計算機。系統(tǒng)工作原理如圖所示。張力傳感器

平煤二礦西斜井采用串車提升，采用軸承座傳感器鋼絲繩的張力信號。并將信號通過電纜上傳至機房監(jiān)控計算機。

3.2監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)采集發(fā)送模塊軟件設計

系統(tǒng)上電復位后模塊循環(huán)采集各鋼絲繩張力信號和供電模塊的電量信號。系統(tǒng)采用平均值濾波的算法，對連續(xù)采集的五次數(shù)據(jù)取平均值，得到要發(fā)送的采集信號。采用平均值濾波的算法可以去除在采集過程中隨機信號的干擾，從而使測量結果更加可靠。如果上位機允許數(shù)據(jù)發(fā)送，則該模塊將最近一次取得的數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)一并發(fā)送。數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程圖如圖所示。

3.2監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計3.3實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)

十一礦與三礦系統(tǒng)設計中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理基本相同，采集得到的數(shù)據(jù)均是通過串口讀入監(jiān)控計算機，監(jiān)控軟件根據(jù)串口讀取的數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷。二礦西斜井通過裝在監(jiān)控計算機中的高速數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采集，計算機可通過PCI總線直接讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機和下位機進行串口通信完成數(shù)據(jù)收發(fā)、處理、顯示、記錄、報警等功能，上位機軟件是本系統(tǒng)的主要組成部分。本系統(tǒng)選用圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEW來完成上位機的設計。系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、顯示，報警數(shù)據(jù)保存，報警查詢等功能。具體結構如圖所示

3.3實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)

監(jiān)控界面監(jiān)控界面完成實時數(shù)據(jù)的顯示和報警。波形圖表能清晰的實時顯示波形。數(shù)據(jù)的顯示主要通過波形圖和其它數(shù)值顯示控件來完成，報警通過報警指示燈完成。A勾罐籠監(jiān)控界面如圖所示。3.3實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)

報警記錄查詢3.3實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)

報警設置界面

3.3實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)

傳感器標定界面

3.3實時處理數(shù)據(jù)的軟件的設計開發(fā)

圖為兩罐在同一時間段內的鋼絲繩張力曲線圖。兩罐籠鋼絲繩提升和下放過程中的受力情況剛好相對?，F(xiàn)在對罐籠A的鋼絲繩載荷曲線進行分析。曲線左側為罐籠A裝滿煤并上提的過程。曲線中部受力有一個尖峰出現(xiàn)，是停車造成的。卸煤是將煤車推下再將另一個空煤車推入罐籠的過程，根據(jù)曲線可分別求出罐籠和空礦車重量。曲線的后部分為罐籠到達底部并裝煤的過程，由于罐籠接觸井底，所以鋼絲繩張力值在此刻是小于罐籠的重量。

三礦己八井單繩纏繞提升機鋼絲繩張力試驗曲線