礦井提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測傳感器應(yīng)用研究

魏豆云

（山西潞安檢測檢驗中心有限責(zé)任公司， 山西 長治 046200）

引言

提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，被稱為“礦井咽喉”，在保障安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，通常用于提升礦物、設(shè)備或運(yùn)輸工人。在長時間的運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)鋼絲繩過載和張力不平衡等起重問題，會導(dǎo)致危險事故發(fā)生。因此，鋼絲繩張力實時監(jiān)測對保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實意義[1]。許多學(xué)者對鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)和用于不同條件下測力的相關(guān)傳感器的設(shè)計進(jìn)行了大量的研究，但是它們幾乎都不適合礦井惡劣環(huán)境情況下的實時張力監(jiān)測。本文針對現(xiàn)有礦用壓力傳感器在張力監(jiān)測階段頻繁出現(xiàn)劇烈擾動，設(shè)計一種新型特殊結(jié)構(gòu)的聲過濾傳感器，并應(yīng)用顆粒阻尼的減振技術(shù)。

1 提升機(jī)鋼絲繩張力實時監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

多繩提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。以下井籠A 為例，聲過濾傳感器安裝在平衡缸的中間。首先，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集的張力信號被傳輸?shù)綗o線通信模塊。通信模塊將獲取的信號發(fā)送到安裝在井中的數(shù)據(jù)接收模塊。然后，信號通過RS485/232 轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)教嵘龣C(jī)監(jiān)測平臺[2]。最后，數(shù)據(jù)由主計算機(jī)處理，實現(xiàn)鋼絲繩的張力監(jiān)測。為了說明張力隨籠A深度的變化規(guī)律，籠位置信號和籠內(nèi)位置信號也傳送到主機(jī)，分別由霍爾傳感器和位置監(jiān)測裝置獲得。

圖1 張力實時監(jiān)控系統(tǒng)安裝布置示意圖

1.2 平衡缸模型設(shè)計

為了說明監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，在圖2 中建立了提升機(jī)的平衡缸模型。該模型主要由內(nèi)板、側(cè)板、液壓缸、活塞桿、滑塊等組成。內(nèi)板的頂部為提升端，提升端通過銷孔與一根鋼絲繩連接，另一端通過凹槽與滑塊的底部連接。側(cè)板上端與油缸連接，底部為負(fù)載端，負(fù)載端通過銷孔與保持架連接。濾聲傳感器安裝在活塞桿和滑塊之間。在提升機(jī)運(yùn)行過程中，作用在濾聲傳感器下端的牽引力等于鋼絲繩的張力，表示為P0。負(fù)載端通過側(cè)板和活塞桿作用在濾聲傳感器的上端的力，稱為P1。在忽略動載荷的情況下，P0=P1。因此，基于上述監(jiān)測系統(tǒng)，可以獲得鋼絲繩的張力。平衡缸將底部貫通，保持了不同部位液體的流通性，在面對振動時，也能根據(jù)外部條件變化而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)[3]。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)的平衡缸模型

2 監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)計及其原理

2.1 傳感器設(shè)計

聲濾波傳感器的結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示。傳感器主要由圓盤蓋和圓盤底座組成。這兩部分螺紋連接后焊接在一起，形成一個圓柱形空腔和一個平的間隙。選擇二甲基硅油作為傳感器的填充液[4]。為了防止漏油，在閥瓣蓋和閥瓣底座的連接處安裝了一個墊圈。考慮到傳感器焊接后不會再更換墊片，選用銅材作為墊片材料。應(yīng)變區(qū)是一塊圓形薄板，設(shè)置在盤蓋的中心，應(yīng)變區(qū)的上側(cè)貼有應(yīng)變片，用于測量油壓。在閥瓣蓋中間提供了一個引線槽，用于接線和保護(hù)繩索。此外，在盤座的下部設(shè)計了一個注油孔，將油注入空腔和間隙。

圖3 聲濾波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

為了防止空氣進(jìn)入油腔，噴油需要用特殊的真空泵裝置來完成。如圖4 所示，左邊的裝置用于容納二甲基硅油，并通過塑料管與右邊的真空泵連接。無油傳感器浸入油中，然后真空泵開始抽吸容器中剩余的空氣。隨著內(nèi)壓的降低，無氣油通過噴油孔逐漸注入傳感器，注油后用螺釘將孔密封在油中。

圖4 抽真空裝置示意圖

2.2 傳感器測量原理

根據(jù)平衡缸工作原理，外部載荷通過平衡缸作用在傳感器的圓盤蓋上，鋼絲繩的牽引力作用在傳感器的圓盤底座上。在這兩種力的作用下，傳感器會被擠壓和彎曲。變形主要發(fā)生在圖3 中陰影色標(biāo)記區(qū)域。為了研究牽引力和外部載荷之間的關(guān)系，將標(biāo)記的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，如圖5-1 所示。陰影標(biāo)記區(qū)域的下圓薄板從力學(xué)角度相當(dāng)于懸臂板，如圖5-2 所示的彎曲懸臂板。面對外力時，會改變油腔容積和內(nèi)部油壓。油壓增加導(dǎo)致應(yīng)變區(qū)域變形，通過測量的輸出值就能夠計算鋼絲繩的張力。

圖5 聲濾波傳感器測量原理示意圖

2.3 傳感器濾波原理

當(dāng)懸臂板彎曲時，油腔中的流體會被擠壓并振動。油腔由間隙和圓柱形腔兩部分組成。假設(shè)間隙中的流體質(zhì)量為M1，圓柱形空腔中的流體質(zhì)量為M2，由于間隙寬度較窄，M1能量通過間隙阻尼耗散。此外，如果設(shè)計參數(shù)使振動頻率接近流體M1的固有頻率，就會發(fā)生共振。通過這種方式，包含在流體M1中的動能被耗散到最大。因此，流體M2的振動將被減弱，作用在應(yīng)變區(qū)的油壓和應(yīng)變儀產(chǎn)生的輸出電壓信號變得更加穩(wěn)定[5]。

為了證明聲濾波傳感器的濾波原理，建立了油腔的動力學(xué)模型。與圓柱形空腔相比，間隙平坦、狹窄且體積較大，當(dāng)流體M1在間隙中流動時，會產(chǎn)生阻尼效應(yīng)和彈性效應(yīng)。因此，間隙可以簡化為彈簧- 質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)。對于流體M2，應(yīng)變區(qū)在圓柱腔內(nèi)流動時會受到擠壓，此時應(yīng)變區(qū)對流體M2的影響相當(dāng)于彈簧。因此，圓柱形空腔可以簡化為彈簧- 質(zhì)量系統(tǒng)。油腔的等效振動模型如圖6 所示。

圖6 油腔的等效振動模型

3 系統(tǒng)試驗分析

3.1 試驗裝置

如下頁圖7 所示的實驗裝置由顯示器、DC 電源、濾聲傳感器、標(biāo)準(zhǔn)傳感器和液壓缸組成[6]。聲學(xué)過濾傳感器同心放置在標(biāo)準(zhǔn)傳感器上，兩種傳感器安裝在液壓缸和支架之間。液壓缸用于模擬外部負(fù)載。液壓缸作用在標(biāo)準(zhǔn)傳感器上的力等于標(biāo)準(zhǔn)傳感器作用在聲過濾傳感器上的力。因此，通過傳感器的輸出電壓來驗證線性度是可行的。理論上，輸出電壓應(yīng)與測量范圍內(nèi)的外部負(fù)載成線性比例。在室溫下對標(biāo)準(zhǔn)傳感器施加液壓缸的靜態(tài)預(yù)載，預(yù)載范圍0～12 t，模擬提升機(jī)運(yùn)行時的工況狀態(tài)。

圖7 實驗裝置示意圖

3.2 結(jié)果分析

聲過濾傳感器對同一根鋼絲繩的張力測量結(jié)果，如圖8 所示，有效消除了對采集數(shù)據(jù)的干擾，曲線光滑且噪點小，張力隨提升時間近似呈線性變化。煤礦提升機(jī)的兩條尾繩質(zhì)量約為6 t，在整個提升過程中，一根鋼絲繩的張力差最大值約為1.47 t，四根鋼絲繩的總張力約為5.88 t，相當(dāng)于尾繩的質(zhì)量。計算結(jié)果表明，所設(shè)計的傳感器測量的信號是可靠的。因此，聲濾波傳感器可以應(yīng)用于鋼絲繩的動態(tài)張力監(jiān)測。

圖8 提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測曲線

4 結(jié)語

提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的重要機(jī)械部件，關(guān)系到了煤炭物料和人員運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性。針對其鋼絲繩安全監(jiān)測問題，本文介紹了一種用于鋼絲繩張力實時監(jiān)測的聲學(xué)濾波傳感器，并且應(yīng)用了顆粒阻尼的減振技術(shù)。與通用壓力傳感器相比，聲過濾傳感器具有更好的消振和濾噪特性，可進(jìn)一步推廣并用于鋼絲繩張力不平衡事故的診斷和預(yù)測。設(shè)計的傳感器可以有效降低系統(tǒng)的聲輻射功率，提升了對張力監(jiān)測的精確性。研究成果為煤礦電氣設(shè)備監(jiān)測傳感器研發(fā)提供了依據(jù)。