礦用防墜器自動化無線檢驗技術研究與應用

趙瑞祥

（冀中能源峰峰集團有限公司 檢測檢驗中心，河北 邯鄲 056201）

1 概 況

目前，國內許多礦山均采用立井單繩罐籠提升人員，而防墜器是罐籠上的一個重要組成部分，依據AQ2019-2008《金屬非金屬礦山豎井提升系統防墜器安全性能檢測檢驗規范》定義，防墜器特指豎井單繩提升系統中，提升鋼絲繩或連接裝置斷裂時，能使提升容器（礦山提升使用的罐籠、箕斗、吊桶和吊罐等可乘人容器）平穩的支撐在罐道或制動繩上的保護裝置。防墜器應為專業生產單位生產的合格產品，按GB16423 的相關規定進行日常維護和處于運行狀態，螺紋連接件和鎖緊件齊全牢固。制動鋼絲繩、緩沖鋼絲繩的磨損量不應超過規定的要求，驅動彈簧完好。

為了保證升降人員的安全，2016 年版《煤礦安全規程》第393 條規定“升降人員或者升降人員和物料的單繩提升罐籠必須裝設可靠的防墜器”；第415 條規定“防墜器必須定期實驗。防墜器各個連接和傳動部分，必須處于靈活狀態”。防墜器的實驗包括實驗前檢查、靜負荷實驗、脫鉤實驗。實驗前檢查目的是確保防墜器靜態完好。靜負荷實驗目的是檢查防墜器各部件動作是否靈活，同時為脫鉤實驗進行預演。脫鉤實驗包括空載脫鉤實驗和實際最大載荷（重載）脫鉤實驗，是驗證防墜器是否合格的標準手段。脫鉤實驗中豎井采用零速脫鉤，斜井采用動負荷脫鉤，即全速重載脫鉤實驗。生產經營單位每年需要結合檢測機構對罐籠的防墜器進行不脫鉤、脫鉤實驗，以驗證防墜器是否符合《煤礦安全規程》和《礦用防墜器技術條件》的要求，確保人員提升的安全。

但罐籠及防墜器安裝在豎井井筒中，傳統的檢測檢驗方法為純手工測量計算，必須在井口的高危場所進行，檢測過程施工時間長、工序繁瑣、安全性差，而且檢測結果經常不理想。為了優化礦山豎井提升系統中防墜器檢測工作的操作程序，提升作業人員的操作安全和經濟效益，本文對礦用防墜器自動化無線檢驗技術在礦山防墜器檢測工作中的應用進行研究分析。

2 自動化無線檢驗技術

如圖1 所示，煤山乘人提升容器常多采用FS型和BF 型繩制動防墜器，由緩沖繩、緩沖器、連接器、制動繩、抓捕器（楔盒、楔子）、驅動彈簧、拉桿等組成。

圖1 繩制動防墜器Fig.1 Rope brake anti-dropper

傳統的實驗方法主要用粉筆、米尺等工具，在防墜器的楔子、彈簧、制動繩、罐籠與井架、緩沖繩等各部位做記，然后分別測量防墜器實際實驗動作前后各部件的外露長度，從而計算動作行程，再利用理論公式計算其減速度。整個過程操作繁復，人員需頻繁在已經脫鉤的罐籠上反復測量，安全性差；根據《金屬非金屬礦山豎井提升系統防墜器安全性能檢測檢驗規范》要求，防墜器脫鉤實驗需分別進行靜負荷和脫鉤實驗，脫鉤實驗又包括空載脫鉤實驗和實際最大載荷（重載）脫鉤實驗，以上兩種實驗每種需進行3 次，傳統的實驗方法復雜，實驗結果差距不確定，無法體現防墜器的實際安全性能；傳統的檢測過程全部采用人工測量，易造成人為實驗數據偏差，影響防墜器安全性能檢測結果。

隨著科技的進步，無線技術在很多領域得到了應用，本文對礦用防墜器自動化無線檢驗技術的應用進行分析介紹。

2.1 技術特點

礦用防墜器自動化無線檢驗技術采用ZigBee無線網絡傳感設計，配備高性能主機、非接觸式紅外激光測距傳感器和數字分析、存儲軟件，可以對礦用防墜器安全性能方面的技術參數進行全面檢測，保障設備的安全運行。

集合成數的無線測距技術、振動傳感器技術及基于ZigBee 無線網絡技術研發設計的傳感器具有低復雜度和距離短、功耗低、響應速度快等優點。礦用無線加速度傳感器、礦用無線激光測距傳感器、檢測主機等均采用數字信號采集、傳輸技術，具有結構緊湊、數據精度高、響應及時、性能穩定可靠、結構安裝使用方便等特點。在保證數據準確的情況下，簡化了檢測過程，提高了檢測效率,同時具備現場存儲、查閱等功能，方便后續進行數據分析。

ZigBee 無線網絡傳感技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低成本、低數據速率的雙向無線通信技術，由IEEE.802.15.4 無線標準開發而來。ZigBee 的響應速度快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。ZigBee 可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由1 個主節點管理若干子節點，最多1 個主節點可管理254 個子節點；主節點可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。ZigBee 提供了三級安全模式，包括安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List,ACL)以及高級加密標準(AES 128)的對稱密碼。

檢測設備主機采用高性能、功能齊全的三防安卓平板電腦，適用于復雜惡劣環境，具備語音通訊、視頻功能，滿足現場多功能使用要求。

加速度傳感器采用壓電效應原理設計，具有體積小、重量輕、功能全、頻響高、分辨能力高、耗能低，性能穩定、可靠使用壽命長等特點。激光測距傳感器采用非接觸式紅外激光源，適應性強，現場安裝方便。

2.2 實驗方法

礦用防墜器自動化無線檢驗設備對防墜器進行實驗時，首先要確保傳感器開機，然后將傳感器安裝在相應部位，如圖2 所示。

圖2 礦用防墜器自動化無線檢驗設備Fig.2 Automatic wireless inspection equipment for mine falling-proof device

用夾具將制動繩和制動繩位移傳感器分別固定在制動鋼絲繩和罐籠抓捕器上，將緩沖繩和緩沖繩位移傳感器分別安裝在緩沖鋼絲繩和緩沖器上，加速度傳感器安裝在提升容器內底部平坦處。安裝位置要考慮傳感器檢測范圍，防止數據錯誤，另外也要預估傳感器與目標物的距離，防止實驗失敗而損壞儀器。

2.2.1 靜負荷實驗

打開檢驗設備主機，建立通訊連接，依次點擊觸摸屏“防墜器”、“防墜器測試”、“新建任務”，輸入單位名稱、編號等信息并保存，然后依次點擊“靜負荷實驗”、“開始”進行檢測，提升機反轉，放松提升鋼絲繩，罐籠懸掛在兩制動鋼絲繩上，5 s 后依次點擊儀器“停止”、“保存”，測試自動結束并計算出各位移量，重復實驗3 次。每次實驗完畢后應檢查防墜器的零部件是否損壞或產生永久變形，若損壞，則對相應的零部件進行更換并重新進行實驗。

2.2.2 脫鉤實驗

脫鉤實驗在靜負荷實驗合格后進行，分為空載脫鉤和重載脫鉤實驗。

（1）空載脫鉤實驗。待提升容器穩定，打開儀器主機，建立通訊連接，依次點擊觸摸屏“防墜器”、“防墜器測試”、“新建任務”，輸入單位名稱、編號等信息并保存，點擊“脫鉤實驗”，“開始”進行實驗。人工拉動控制繩打開脫鉤器，提升容器自靜止開始自由下落，防墜器動作，將提升容器抱在制動鋼絲繩上，待提升容器穩定后，依次點擊儀器上“停止”、“保存”，儀器自動計算相關數據，完成空載脫鉤實驗。若實驗結果不符合技術要求，則拆除儀器，查找原因并處理后重新實驗至合格；若實驗結果符合技術要求，則拆除儀器，恢復實驗現場至正常運行狀態，檢查防墜器的相關零部件、制動繩、緩沖繩等是否有損壞，如有損壞，則更換相應的零部件并重新進行實驗至合格。

（2）重載脫鉤實驗。重載實驗與空載實驗的方式方法基本相同，只是在提升容器內按照提升最大載荷進行配重。

空載、重載實驗在實驗結果合格的情況下分別只做1 次。每次實驗合格后，應對井架、罐道、制動繩、懸掛裝置、傳動機構、抓捕機構、驅動彈簧、連接裝置及制動繩張緊裝置進行檢查和恢復。

3 安全效益和經濟效益

礦用防墜器自動化無線檢驗技術從防墜器的檢測實驗過程規范化、操作標準化入手，實現全過程一次安裝傳感器、自動測量、自動計算，檢測機構相關人員只要學習掌握了礦用防墜器無線多參數測試儀的使用方法，就可以在安裝好測試裝置后撤離到安全地點，操作平板電腦對結果進行調取、查看檢測數據，避免了傳統測試方法中頻繁出入罐籠和高空作業，提高了操作人員的安全。

高精度傳感器和簡便的操作程序，可以在保證測量數據精準度的前提下縮短一半以上的實驗時長，減少礦方停工時間和人員成本支出。

4 結 語

礦用防墜器自動化無線檢驗技術是目前先進可靠的檢測技術手段，能夠安全、高效、準確的對防墜器進行檢測檢驗，減少施工時間，降低危險環境下的作業量，具有良好的安全效益和經濟效益，保障煤礦安全生產和人員生命安全。