煤礦提升鋼絲繩張力監測系統的研發與應用

高 斌

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 濟寧 273500）

引言

在多繩摩擦提升系統中鋼絲繩張力問題主要表現為張力不平衡以及超載情況，這是目前礦井提升機系統中亟需解決的主要技術難點。引發該問題的因素有很多，比如鋼絲繩槽間直徑尺寸不一致、各繩間的物理性質存在差異性、鋼絲繩安裝過程中的誤差以及鋼絲繩間蠕動量的不同等等。在多繩摩擦提升系統中鋼絲繩張力不平穩問題經常發生，這一問題不但加劇了鋼絲繩的破壞程度，縮短了使用壽命，嚴重的話還會導致鋼絲繩脫軌或斷繩事故的發生。

通過以上情況可知，雖然多繩提升系統中安裝有液壓鋼絲繩張力自動平衡裝置，但在具體運行過程中，還是會出現運行失效的狀況。因此，針對提升機運行過程中實時存在的張力差，需要加裝相應的張力監測裝置，實時監測鋼絲繩的張力情況，便于及時采取相應措施。通過加裝鋼絲繩張力監測裝置，利用可靠的檢測方法，可以時刻掌握各鋼絲繩張力的變化情況，及時發現問題，并采取相應的措施來規避因鋼絲繩張力不平衡所引發的各類事故，同時還能夠提升鋼絲繩的運行壽命，為企業提質增效[1]。該項目的有效實施對提升機安全、可靠、高效運行具有重要的理論和實際意義。

1 系統設計

1.1 礦井提升機運行監測系統方案設計

根據目前礦井提升系統的運行環境與監測目標，對礦井提升系統的安全運行設計了監測方案，其運行工作原理如圖1 所示，該提升系統監測技術主要應用有線與無線通信技術，對提升機系統進行實時監測。通過在提升系統中安裝相應的檢測傳感器，可以實時監測鋼絲繩的張力以及提升箕斗的平衡狀況。由于安裝在箕斗上的檢測傳感器會跟隨箕斗的運行發送位置變化，因此在進行箕斗運行監測中，主要應用無線通信監測技術，而對于尾繩位置的監測主要采用固定有線通信的傳輸監測技術，因為尾繩部位安裝的傳感器是固定式的，有線傳輸的信號更為穩定可靠，監測數據更為精準。

礦井提升機運行監測系統主要由三大部分構成，分別是上位機、下位機及組態監控界面，其中上位機和下位機都分別安裝了相應的傳感器、無線收發裝置以及PLC。在礦井提升機工作過程中，監測人員可以通過組態監控界面，對上位機發出“采集”控制指令，隨后上位機再通過無線或有線通信技術，將相應指令傳送至下位機，下位機接收指令后，開始進行數據的采集，將獲取后的相應數據信息再上傳至上位機，然后完成上位機至組態軟件系統信息傳輸的閉環控制，最后經由組態軟件系統進行信息的實現與存儲。假如想要結束信息采集指令時，由上位機發出“停止采集”指令，就可停止數據信息的采集。

1.2 無線通信傳輸技術

無線通信技術在整個監測系統中發揮著重要的信息傳輸作用。主要工作原理是將采集后的相應信號轉變為低頻電信號，然后再通過調制，將低頻變為高頻，經放大后的電信號發射，再經過天線作用轉為電磁波，然后接收端從接收到的電磁波中選擇有用的高頻電信號，再經調制由高頻電信號變為低頻電信號，最終完成整個信息的傳輸。無線監測通信技術主要是應用在提升機箕斗傳感器中，由于監測鋼絲繩載荷的傳感器安裝在箕斗上，而箕斗與傳感器是協同運動的，因此，采用無線通信技術最為合適。

在無線監測通信中信息采集端對箕斗傳感器上的信號采集后，通過無線通信技術發送給信息接收端，無線信息接收裝置主要安裝在礦井的井口位置，接收采集端發送來的數據信息，對信息信號處理后上傳至上位機，經上位機傳輸至組態軟件系統中，顯示、分析數據，同時對危險信號進行報警處理，并對信息進行存儲。

1.3 有線通信傳輸技術

無線傳輸與有線傳輸的不同點主要是傳輸媒介的不同，有線通信需要有光纖及金屬導線等實體的傳輸媒介進行信息的輸送。其原理主要是將采集的信號轉為光信號或者電信號，再經過實體媒介進行終端傳輸。有線傳輸相比于無線傳輸的優點主要是傳輸信息速率快、穩定性好、安全性有保障且對應外界環境的抗干擾能力較強，有線通信傳輸技術的應用需要具備信息出發點、接收點以及網絡協議等三方面的要素。在提升機監測系統中，由于鋼絲繩尾部傳感器是固定式的，因此，采用有線傳輸技術可以更好、更快捷地傳輸監測信息。

2 監測方法的選擇

鋼絲繩張力常用的監測方法有旁壓監測法、電機電流法、磁通密度法、油壓監測法以及串接載荷傳感器法等。通過對以上幾種監測方法進行對比分析可知，旁壓監測法在對鋼絲繩張力的監測中，存在鋼絲繩磨損及彎曲等問題。電機電流法的檢測需要滿足電機運行條件，才可以進行相應的監測工作。磁通密度法由于技術成熟度不夠，對于監測數據準確性有待考察。油壓監測法雖然技術成熟，但是無法做到針對每根鋼絲繩張力的有效監測，并且在監測過程中還容易發生漏油的現象，因此也不宜采用。而在串接載荷傳感器法中，如圖2-1 所示，傳感器串接在鋼絲繩與提升箕斗之間，危險系數相對較高。如圖2-2 所示，傳感器安裝在油缸與調繩螺母之間，監測性能相對較好，通過對國內外相關技術文獻進行研究，最終采取該監測方法測量載荷傳感器壓力值，對提升機鋼絲繩的張力進行監測，同時在此基礎上進行技術改進，可以更加快速精確地監測鋼絲繩張力情況。

3 各傳感器的位置安裝設計

傳感器主要用于數據檢測，但安裝位置也是極為重要的，會直接影響到檢測數據的準確性和系統的穩定性。因此，在選擇傳感器的安裝位置時必須謹慎小心。

鋼絲繩作為礦井提升系統中的重要傳輸部件，需要具備較大的載荷力，而滿足鋼絲繩載荷監測的傳感器，其承載能力至少應是鋼絲繩載荷能力的13 倍。當鋼絲繩與傳感器協同工作后，不能降低鋼絲繩的強度，不能損壞鋼絲繩，更不能影響提升機的原有結構。多繩摩擦提升機是通過張力自動平衡裝置去實現各根鋼絲繩之間的平衡，張力自動平衡裝置主要是采用閉環無源液壓連通原理，能夠實現對各種因素所引起的張力不平衡進行自動調節，并能有效解決多繩摩擦提升鋼絲繩產生的動態平衡問題。

借助于張力自動平衡懸掛裝置的特殊結構，可以有效實現鋼絲繩張力的有效檢測，通過檢測載荷傳感器的檢測數據，可以直觀地讀取鋼絲繩的張力狀況[2]。載荷傳感器的位置安裝有兩種設計方式：一是安裝在油缸活塞與滑塊處，二是安裝在滑塊與中板底部。通過分析兩種方式可知，當滑塊移動到橫梁處時，受橫梁限制，不再向上移動。如將傳感器的位置設置在滑塊與中板底部處時，當提升機受到較大沖擊或加速時，安裝的相應傳感器也會受到相應的沖擊破壞作用，造成傳感器的損壞。若設置在油缸活塞與滑塊處，受油缸的影響，產生緩沖效果，能減輕傳感器因受沖擊造成的破壞，斷定油缸活塞收縮即將達到極限，進而調整鋼絲繩的張力。可見，安裝在油缸活塞與滑塊處是最合適的，見圖3。

4 結語

1）提升機鋼絲繩動態張力實時監控系統，能夠對每根提升鋼絲繩運行的張力實時監測，及時、準確地將每根提升鋼絲繩的張力數據實時反映到監控終端，并對提升運行過程中出現的提升鋼絲繩張力超限實現報警功能。

2）針對多繩摩擦提升鋼絲繩的張力不平衡問題，監測系統通過根據每根鋼絲繩間張力差大小，預警鋼絲繩之間不平衡的超限值，可提前安排截繩、調繩等維護工作，避免因維修不及時而造成損失。

3）通過實時監測系統的應用，探究了循環變化載荷作用下鋼絲繩的損傷機理，分析鋼絲繩的應力和變形模型，以及在變載荷模式下對鋼絲繩的疲勞破壞預測，從而預測鋼絲繩的使用壽命。

4）建立了有效的管理預防機制,指導鋼絲繩使用過程的維護工作，為提升鋼絲繩使用年限提供了科學依據。該項目在煤礦主井進行了工業性試驗，取得了良好的效果。