礦井摩擦提升機鋼絲繩張力平衡檢測系統設計

陳瑞云　張新　劉續伸　陸君

摘 要：本文通過對提升鋼絲繩運行狀況的研究，理論分析了鋼絲繩張力不平衡原因，開發了基于壓電傳感器的礦井提升機鋼絲繩張力平衡檢測系統，完成了傳感器的設計與安裝研究。最后通過編寫檢測軟件實現了礦井提升機鋼絲繩張力平衡的實時監測，達到了鋼絲繩張力不平衡、超載等故障報警的目標。

關鍵詞：礦井摩擦提升機；鋼絲繩；張力平衡；檢測系統

引言

多繩摩擦提升機是我國各大煤礦的主要提升設備。多繩摩擦式提升由多根鋼絲繩共同承擔提升載荷重量，長時間運行過程中，由于各根鋼絲繩彈性變形不同而產生張力不平衡。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小時，換一副襯墊需要十幾個小時[1-3]。其次是鋼絲繩的壽命，許多礦井鋼絲繩在規定使用期內發生斷繩的事故，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生疲勞損壞，如果能對鋼絲繩的張力進行實時監測，那么就可以消除避免安全隱患，提高提升系統安全性能[4-5]。

因此，保持繩間的張力一致，對延長鋼絲繩壽命，減輕襯墊磨損，保證設備安全運行有著重要的意義?！睹旱V安全規程》規定任一根鋼絲繩的張力與平均張力差不得超過10%。因此對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測方法的研究，就成為實現煤礦安全提升很重要的一個環節。設計一套基于傳感器測量的動態檢測摩擦提升機鋼絲繩張力平衡系統十分必要。

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比同側其它鋼絲繩產生較大的彈性伸長。因而也就產生了較大的張力。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象。這是在使用中出現鋼絲繩張力不平衡現象的主要原因。

（2）鋼絲繩長度的偏差。由于在安裝時，各鋼絲繩不可能做到長度上的絕對一致以及在提升過程中各繩不同的殘余伸長，也會產生各鋼絲繩的張力不平衡現象。

（3）鋼絲繩本身的剛性偏差。由于鋼絲繩在制造時不可能保證材料和質量完全相同（各鋼絲繩的彈性模數和斷面積都不可能完全相同）。盡管能做到《規程》規定的同批生產要求，但也不能做到理想狀態。其次在運轉中磨損也不相同。因此，也會使各鋼絲繩的張力不平衡。

（4）環境影響偏差。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、伸縮長度也必然不同。特別是晝夜溫差較大時，非常明顯。

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

2.系統檢測原理

目前已有的接觸式鋼絲繩張力檢測，一種是傳感器串聯，一種是三點檢測法。前者測試比較準確，但只能在靜態下進行測試。在不測試時檢測裝置必須拆卸或不受力，否則就會造成測試儀器的損壞或精度降低，整個測試過程非常復雜。后者安裝要求高，初始校準困難，后期多根鋼絲繩的拉伸變形不一樣就會造成一定的測量誤差[6-7]。

摩擦提升系統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驅動力的傳遞，一種天輪襯墊主要用于對鋼絲繩和過渡調整輪的保護。這兩種襯墊在提升機運行的過程中，都會受到鋼絲繩的壓力。因此在此兩種襯墊中加傳感器便可直接對鋼絲繩的壓力進行測試，襯墊所受的壓力可以很好的反應出鋼絲繩的張力。每臺提升機根據鋼絲繩數量安裝相應數量的傳感器。傳感器以每秒6000點的速度采集數據，采集來的各組數據經過放大、A/D轉換和高頻調制等處理后，被本安隔爆無線采集器采集和存儲。采集器經磁感應觸發器觸發后上傳數據，數據可被電磁信號接收裝置接收。電磁信號接收裝置接收到信號后，將信號進行放大、帶通濾波等處理，再通過電腦軟件進行分析對比，若數據值超范圍就會報警提示。

3.檢測傳感器設計與安裝

目前，大量程壓力傳感器的種類繁多，但從測量原理上可分為半導體、柱式、懸臂式、膜片式、輪輻式、生物技術等[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力傳感器適用于較大載荷的拉（壓）力和稱重測量，最大可達107N，但自身結構較高，不適應礦井提升要求；懸臂梁式測力傳感器結構簡單，便于安裝，但對受力點位移和由變形引起的體積變化不敏感；薄壁圓環式力傳感器外形較低，結構較穩定但在大量程應用中實現的技術難度大，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，但在大量程應用中成本較高，技術難度較大，不易在礦井中廣泛使用。

綜上，結合礦井摩擦提升機鋼絲繩張力平衡檢測要求，選用壓電式測力傳感器，如圖3所示。該傳感器安裝于提升機滾筒摩擦襯墊內部，基于正壓電效應的，即當外加載荷使某些電介質變形時，在電介質表面上會產生電荷。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）所示的關系。通過對電荷的測量反推出外加載荷的大小，從而實現對力的測量。

4.檢測系統軟件的設計與調試

根據檢測工況的要求，設計了檢測系統軟件。通過對每根鋼絲繩的張力進行檢測，獲得每根鋼絲繩的張力數據，通過計算機后臺對比運行，實時反映鋼絲繩的張力情況，當鋼絲繩張力差大于《煤安規程》要求的10%后，系統出現聲光報警，預防鋼絲繩不平衡過載運行。部分現場測量數據如圖3所示，可見系統可在線監測提升鋼絲繩動態壓力、張力情況，防止鋼絲繩受力不平衡；實現故障報警，當出現鋼絲繩張力不平衡、超載等故障時，進行相應的實時聲光報警；主界面豐富，對于鋼絲繩張力進行圖形顯示和數據顯示；實現提升載荷監測數據存儲、數據處理和歷史查詢功能。

5.結論

本文通過對提升鋼絲繩運行狀況的研究，理論分析了鋼絲繩張力不平衡原因，開發了基于壓電傳感器的礦井提升機鋼絲繩張力平衡檢測系統，完成了傳感器的設計與安裝研究。最后通過編寫檢測軟件實現了礦井提升機鋼絲繩張力平衡的實時監測，達到了鋼絲繩張力不平衡、超載等故障報警的目標。

[參考文獻]

[1] 國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安監局. 煤礦安全規程（2016修訂版）[D].煤炭工業出版社，2016.

[2] 方明煌，方明燁. 鋼絲繩安全診斷與應用[J]. 太原理工大學學報，2000，31（6）：679～681.

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

[4] 楊兆建等. 多繩提升機鋼絲繩張力動態測試調整研究[J]. 煤炭學報，1995，20（5）：22.

[5] 王增才等. 多繩摩擦提升機鋼絲繩張力監測方法分析[J]. 煤礦機械，2002（5）：72～74.

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

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

[8] 王增才等. 多繩提升鋼絲繩動態張力監測研究[J]. 儀器儀表學報，2004，25（5）：402～405.

[9] 王增才等. 多繩摩擦提升機鋼絲繩張力監測方法分析[J]. 煤礦機械，2002，（5）：72～74.

[10] 桑安樂. 談多繩提升機鋼絲繩張力平衡方法的改進[J]. 淮南職業技術學院學報，2007，7（2）：67～69

基金項目（Foundation item）：淮南礦業（集團）有限責任公司直管科研項目計劃（“摩擦提升機鋼絲繩張力平衡檢測研究”）資助

（作者單位：1.淮南礦業（集團）有限責任公司謝橋礦，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001）