張力自動平衡懸掛裝置檢測系統的分析與應用

張克軍

（同煤浙能麻家梁煤業公司，山西 朔州036000）

引言

隨著煤炭產業結構優化及向集約式發展模式的持續轉變，一些大功率、高效率、高自動化的提升運輸裝備在煤炭行業，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，是國內第一套驅動功率達到7 000 kW的落地式多繩摩擦提升系統。在實現大功率提升作業的同時，如何通過故障診斷與預警確保設備的可靠性是實際生產中必然要面臨的重要問題。

故障診斷即對設備運行狀態進行診斷，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構建的智能監控系統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節，甚至盲區。例如：提升鋼絲繩張力自動平衡油缸活塞桿位置靠人工現場觀察并測量，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%的規定。對于麻家梁礦主井提升這種大功率、大噸位的提升作業更顯重要。絕大多數多繩摩擦提升系統都已配置如圖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，保證提升系統可靠運行。

3 平衡油缸姿態監測系統的設計

本系統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 平衡裝置檢測系統安裝圖

平衡油缸姿態監測系統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據處理與顯示。

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，優先選擇拉線位移傳感器，再從測量精度、穩定性、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的型號為“XPS-S-A1”拉繩傳感器。參數見表1。

表1 傳感器參數

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，經電流電壓轉換電路轉為1～5 V電壓后，由AD采樣轉換成數字信號，經單片機濾波處理后傳給無線模塊發送至接收器。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

接收器接收數據并傳送給上位機，上位機將數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）首次提出并實現對張力自動平衡油缸活塞桿伸出位置進行監測，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測提升機的運行狀態，加強或填補了平衡油缸原有監護系統所存在的薄弱環節或空白，在很大程度上減少了斷繩等多種事故的發生概率。

3）本系統在麻家梁礦的應用大幅減少了日常維護時間，以每日節約0.5 h檢修時間計，則每日可增加0.5 h的提升作業時間。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，每年可多創造1.05億元的經濟價值。

5 結語

麻家梁礦主井提升系統大量采用了國內外知名廠家的產品，在追求高可靠性的同時，也消耗了高額的成本。本系統的研究對于完善提升裝備的故障診斷和提升系統運行的安全性甚至對設備的維修檢查具有重要的現實意義，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。