鋼絲繩罐道剛性系數(shù)檢測與調(diào)整

鋼絲繩罐道剛性系數(shù)檢測與調(diào)整0引言煤礦提升運(yùn)輸系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)系統(tǒng)，提升系統(tǒng)罐道安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及管理是煤礦提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。《煤礦安全規(guī)程》第三百九十八條“鋼絲繩罐道應(yīng)優(yōu)先選用密封式鋼絲繩。每個(gè)提升容器（平衡錘）有4根罐道繩時(shí)，每根罐道繩的最小剛性系數(shù)不得小于500N/m，各罐道繩張緊力之差不得小于500N/m，各罐道繩張緊力之差不得小于平均張緊力的5%，內(nèi)側(cè)張緊力大，外側(cè)張緊力小。每個(gè)提升容器（平衡錘）有2根罐道繩時(shí)，每根罐道繩的剛性系數(shù)不得小于1000N/m，各罐道繩的張緊力應(yīng)相等。單繩提升的2根主提升鋼絲繩必須采用同一捻向或不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩?！睂︿摻z繩罐道最小剛性系數(shù)做出了明確規(guī)定。但鋼絲繩罐道安裝后，由于缺少檢測手段、方法，在用罐道鋼絲繩最小剛性系數(shù)及各繩張力沒有準(zhǔn)確檢測檢驗(yàn)，可能造成鋼絲繩張力偏大、偏小、不均勻等情況，會(huì)對礦井提升運(yùn)輸系統(tǒng)造成損害，國內(nèi)外對鋼絲繩罐道剛性系數(shù)研究多存在于最小剛系數(shù)位置進(jìn)行確定，缺少相關(guān)檢測檢驗(yàn)方法及手段，在用鋼絲繩最小剛性系數(shù)及各繩張力沒有準(zhǔn)確測量和表征，無法了解提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為煤礦安全生產(chǎn)埋下了隱患。1鋼絲繩罐道剛性系數(shù)檢測1.1鋼絲繩罐道剛性系數(shù)檢測的現(xiàn)狀上世紀(jì)八十年代，國內(nèi)主要煤礦技術(shù)刊物和學(xué)術(shù)組織，發(fā)表了多篇關(guān)于鋼絲繩罐道剛性系數(shù)方面的研究成果，但大多數(shù)是沿用前蘇聯(lián)的研究理論，僅進(jìn)行理論性的研究探索，或者是測試方法的探索，并沒有形成可行的適用于煤礦實(shí)際測試的裝置設(shè)備和方法。隨著煤礦管理要求的不斷提高，作為煤礦比較重要的提升系統(tǒng)安全運(yùn)行狀況引起了更多的重視和關(guān)注，鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的資源整合礦井比較多，鋼絲繩罐道的使用率較高，利用現(xiàn)代科技檢測檢驗(yàn)手段，研究新型檢測檢驗(yàn)裝備，總結(jié)適用的檢測檢驗(yàn)方法勢在必行。1.2鋼絲繩罐道剛性系數(shù)定義1.2.1剛性系數(shù)定義鋼絲繩罐道抵抗橫向力或者說阻止提升容器運(yùn)行時(shí)橫向偏移的能力，叫做鋼絲繩罐道的剛性。罐道鋼絲繩產(chǎn)生單位橫向偏移的阻抗系數(shù)，通常稱之為罐道鋼絲繩的“剛性系數(shù)，，，一般用K表示。1.2.2最小剛性系數(shù)目前國內(nèi)、外對罐道鋼絲繩的剛性系數(shù)研究結(jié)果：受罐道鋼絲繩張緊和鋼絲繩自重的影響，罐道繩全長每一點(diǎn)的剛性系數(shù)是不同的，最小剛性系數(shù)大約在鋼絲繩下端（0.4?0.5）L之間。（1）最小剛性系數(shù)滿足以下公式［1］：

4Q七…偵上）m4Q七…偵上）m（公式1）式中：Q一罐道鋼絲繩下端張力，N；Lm-罐道繩懸垂長度（極限），m；L—罐道繩懸垂長度（實(shí)際），m；（2）罐道鋼絲繩懸垂長度（極限）O（公式2）L= （公式2）mmpg式中：?一罐道繩懸垂長度（極限），m；。一罐道繩的抗拉強(qiáng)度，Pa；m一罐道鋼絲繩的安全系數(shù)，取6；P一罐道鋼絲繩的密度，kg/m31.3罐道鋼絲繩剛性系數(shù)檢測的三種方法目前罐道鋼絲繩張力檢測主要有三種檢測方法1.3.1串聯(lián)法其原理為在鋼絲繩與提升重物之間串聯(lián)一測力傳感器來測量。1.3.2彎曲法罐道鋼絲繩橫向剛度與鋼絲繩張力之間存在函數(shù)關(guān)系，則可利用力的合成與分解原理，實(shí)現(xiàn)罐道鋼絲繩的張力測量，先通過測試元件測出鋼絲繩的橫向剛度，便可求出鋼絲繩的張力。1.3.3振波頻率法通過檢測振動(dòng)波在罐道鋼絲繩上的傳播周期來計(jì)算罐道繩張力。此三種檢測方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，下面從技術(shù)復(fù)雜性、使用性、經(jīng)濟(jì)性、測試準(zhǔn)確性等方面對三種測試方法進(jìn)行比較。如下表1：表1 罐道繩剛性系數(shù)檢測方法比較Table1Comparisonofdetectionmethodsforrigiditycoefficientofropeintankway檢測方法技術(shù)性使用性經(jīng)濟(jì)性測試準(zhǔn)確性串聯(lián)法技術(shù)簡單，安裝好固定的傳感器即可讀數(shù)對環(huán)境要求較高，在罐道繩安裝固定后，一般不能測試。需要精度高、較昂貴的儀器測試精度高

三點(diǎn)彎曲法技術(shù)簡單，測得鋼絲繩橫向剛度，便可求出鋼絲繩張力測量位置越靠近罐道中間位置越準(zhǔn)確，而現(xiàn)場測試需要在井口開闊位置需要附加儀器測試精度一般，鋼絲繩抖動(dòng)較大影響振波頻率法技術(shù)簡單，測得頻率，直接換算鋼絲繩張力使用方便儀器可以循環(huán)使用，成本較低測試精度高通過對以上三種測試方法的對比分析，振波頻率法在現(xiàn)場應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)，且能滿足工程應(yīng)用要求。1.4剛性系數(shù)振波頻率法測試裝置設(shè)計(jì)根據(jù)振波頻率法測試原理，提出罐道鋼絲繩張力檢測裝置設(shè)計(jì)方案，能夠解決測試環(huán)境復(fù)雜、振波頻率檢測準(zhǔn)確度等問題，使振波周期法測試精度進(jìn)一步提高，滿足了檢測檢驗(yàn)要求。1.4.1裝置原理在井口附近位置，對罐道鋼絲繩某一點(diǎn)施加一打擊力，則在罐道鋼絲繩上產(chǎn)生振動(dòng)波，振動(dòng)波在鋼絲繩上的傳遞速度與鋼絲繩所受張力關(guān)系為（公式3）式中：Vr一振動(dòng)波在鋼絲繩上的傳播速度，m/s；Q一鋼絲繩所受張力，N；g—重力加速度，m/s2；q-罐道鋼絲繩每米重力，N/m；設(shè)在罐道繩末端所受張力為Q下，則距罐道繩末端為y處的張力Q，（公式4）Q=Q下+（公式4）將公式（4）中的。代入公式（3），即可得出振動(dòng)波在距罐道繩末端為y處的速度為因Vydydt,因Vydydt,dy

dt=-Vy把罐籠或箕斗停在井底位置，然后在井口附近打擊鋼絲繩，產(chǎn)生的振動(dòng)波在罐道鋼絲上繩上傳播，振動(dòng)波往返傳遞的時(shí)間周期為（公式6）T=2jLdt=2jLdy/V=2jLdy/'K，+y-gooyo\q（公式6）積分得4LT2-gL、（公式7） + 一一/（公式7）T2.g64 2式中Q下一罐道鋼絲繩下端張力，N；q一罐道鋼絲繩每米重力，N/m；L一罐道鋼絲繩懸垂長度，m；g—重力加速度，m/s2；由公式（5）可知，只要檢測出振動(dòng)波在鋼絲繩上傳播的周期，就可以利用公式計(jì)算出罐道鋼絲繩最下端張力，然后計(jì)算出最小剛性系數(shù)。1.4.2檢測信號(hào)的轉(zhuǎn)換用秒表等計(jì)時(shí)裝置檢測振波周期時(shí)，受為反應(yīng)、視覺效應(yīng)等因素影響較大，測時(shí)準(zhǔn)確性較低。我們提出通過時(shí)間一加速度一時(shí)間轉(zhuǎn)換的方式來測量，測試精度得以提升，采用無線傳輸，最大程度保證了測試人員安全。1.4.3檢測信號(hào)采集與處理系統(tǒng)首先把罐籠或箕斗停在井底位置，再井口附近位置罐道鋼絲繩上固定壓阻式高靈敏度加速度傳感器，然后打擊罐道鋼絲繩，振動(dòng)波沿鋼絲繩傳播，加速度傳感器采集到的電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)試、電壓放大、抗混濾波后，利用無線AP傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行加速度變化分析，根據(jù)加速度曲線變化，分析得到振波周期。1.4.4檢測檢驗(yàn)裝置優(yōu)勢（1） 振波頻率檢測裝置體積偏小，便于現(xiàn)場安裝應(yīng)用。各傳感器內(nèi)置電源模塊，利用無線傳輸，解決了井口布線難題，采用本安電源，滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，加速度傳感器很容易跟鋼絲繩進(jìn)行固定，能夠檢測各型號(hào)大小鋼絲繩，應(yīng)用范圍廣。（2） 檢測方法科學(xué)易行，準(zhǔn)確度滿足工程應(yīng)用要求，利用振動(dòng)波在罐道鋼絲繩上的傳播實(shí)現(xiàn)罐道繩張力檢測，通過檢測信號(hào)的轉(zhuǎn)換，提高了測試準(zhǔn)確度，罐道鋼絲繩的線密度和罐道鋼絲繩長度現(xiàn)場可查，只需檢測振波頻率一項(xiàng)參數(shù)，方法簡便可靠。1.5檢測裝置的現(xiàn)場應(yīng)用檢測裝置現(xiàn)場應(yīng)用如下圖1所示:

丑錄快dQ 7.77S 15.55 23.325 ：!|IQ1丑錄快dQ 7.77S 15.55 23.325 ：!|IQ1圖1檢測裝置現(xiàn)場應(yīng)用Fig.1fieldapplicationofdetectiondevice圖中曲線為檢測儀采集的加速度信號(hào)，振動(dòng)波在鋼絲繩上傳播時(shí)，鋼絲繩質(zhì)點(diǎn)呈周期性振動(dòng)，振動(dòng)周期穩(wěn)定，可以檢測出振波周期。振動(dòng)波在鋼絲繩上傳播，由于阻尼作用，波動(dòng)幅度逐漸變小，是否會(huì)影響測試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性呢，下面通過單次檢測信號(hào)衰減情況影響和多次檢測重復(fù)性來驗(yàn)證。1.5.1單次測量信號(hào)衰減性通過分析系統(tǒng)顯示，第一次時(shí)間間隔為2.62s，第二次時(shí)間間隔為2.62s，采集到的振動(dòng)波周期變化不大，說明振動(dòng)波在傳遞時(shí)，阻尼作用影響較小，測試時(shí)間周期較為準(zhǔn)確。1.5.2多次測量信號(hào)重復(fù)性對同一根罐道鋼絲繩進(jìn)行多次測量，第一次測試周期為2.62s，采用同樣測試方法進(jìn)行負(fù)測，第二次測試為2.61s，測試結(jié)果偏差為0.4%，滿足剛性系數(shù)測試要求。2鋼絲繩罐道剛性系數(shù)調(diào)整按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，鋼絲繩罐道不滿足要求時(shí)，有兩種情況，一是剛性系數(shù)不滿足要求，一是罐道繩張力差不滿足要求，下面就這種情況進(jìn)行分析：2.1剛性系數(shù)不滿足要求時(shí)需要對罐道鋼絲繩張緊情況進(jìn)行調(diào)整，首先計(jì)算最小剛性系數(shù)（Kmin）等于規(guī)程要求數(shù)值［Kmin］時(shí)罐道鋼絲繩下端張力［Q］,然后對罐道鋼絲繩張緊情況進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整量AL由下式確定△L〉L（以-Q）A-EP （公式8）式中：L一鋼絲繩懸垂長度（實(shí)際），m；一剛性系數(shù)為［Kmin］時(shí)罐道鋼絲繩下端張力，N；一剛性系數(shù)為［Kmin］時(shí)罐道鋼絲繩下端張力，N；Q一實(shí)測罐道鋼絲繩下端張力，N；入一罐道鋼絲繩斷面面積，mm2；Ep"一罐道鋼絲繩平均彈性模數(shù)，GPa；2.2張力差不滿足要求罐道鋼絲繩張力差不滿足要求時(shí)，各繩調(diào)整量AL由下式確定（公式9）△L=L(Qcp-Q)A-Ep（公式9）式中：L一鋼絲繩懸垂長度（實(shí)際），m；QCP一罐道鋼絲繩下端平均張力，N；Q一罐道鋼