煤礦提升鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

高 斌

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 273500）

引言

在多繩摩擦提升系統(tǒng)中鋼絲繩張力問題主要表現(xiàn)為張力不平衡以及超載情況，這是目前礦井提升機(jī)系統(tǒng)中亟需解決的主要技術(shù)難點(diǎn)。引發(fā)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(zhì)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(tǒng)中鋼絲繩張力不平穩(wěn)問題經(jīng)常發(fā)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(yán)重的話還會導(dǎo)致鋼絲繩脫軌或斷繩事故的發(fā)生。

通過以上情況可知，雖然多繩提升系統(tǒng)中安裝有液壓鋼絲繩張力自動平衡裝置，但在具體運(yùn)行過程中，還是會出現(xiàn)運(yùn)行失效的狀況。因此，針對提升機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)時存在的張力差，需要加裝相應(yīng)的張力監(jiān)測裝置，實(shí)時監(jiān)測鋼絲繩的張力情況，便于及時采取相應(yīng)措施。通過加裝鋼絲繩張力監(jiān)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(fā)現(xiàn)問題，并采取相應(yīng)的措施來規(guī)避因鋼絲繩張力不平衡所引發(fā)的各類事故，同時還能夠提升鋼絲繩的運(yùn)行壽命，為企業(yè)提質(zhì)增效[1]。該項(xiàng)目的有效實(shí)施對提升機(jī)安全、可靠、高效運(yùn)行具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 礦井提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)目前礦井提升系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境與監(jiān)測目標(biāo)，對礦井提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行設(shè)計(jì)了監(jiān)測方案，其運(yùn)行工作原理如圖1 所示，該提升系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用有線與無線通信技術(shù)，對提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。通過在提升系統(tǒng)中安裝相應(yīng)的檢測傳感器，可以實(shí)時監(jiān)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(yùn)行發(fā)送位置變化，因此在進(jìn)行箕斗運(yùn)行監(jiān)測中，主要應(yīng)用無線通信監(jiān)測技術(shù)，而對于尾繩位置的監(jiān)測主要采用固定有線通信的傳輸監(jiān)測技術(shù)，因?yàn)槲怖K部位安裝的傳感器是固定式的，有線傳輸?shù)男盘柛鼮榉€(wěn)定可靠，監(jiān)測數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。

礦井提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，分別是上位機(jī)、下位機(jī)及組態(tài)監(jiān)控界面，其中上位機(jī)和下位機(jī)都分別安裝了相應(yīng)的傳感器、無線收發(fā)裝置以及PLC。在礦井提升機(jī)工作過程中，監(jiān)測人員可以通過組態(tài)監(jiān)控界面，對上位機(jī)發(fā)出“采集”控制指令，隨后上位機(jī)再通過無線或有線通信技術(shù)，將相應(yīng)指令傳送至下位機(jī)，下位機(jī)接收指令后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將獲取后的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息再上傳至上位機(jī)，然后完成上位機(jī)至組態(tài)軟件系統(tǒng)信息傳輸?shù)拈]環(huán)控制，最后經(jīng)由組態(tài)軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息的實(shí)現(xiàn)與存儲。假如想要結(jié)束信息采集指令時，由上位機(jī)發(fā)出“停止采集”指令，就可停止數(shù)據(jù)信息的采集。

1.2 無線通信傳輸技術(shù)

無線通信技術(shù)在整個監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)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(yīng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l電信號，然后再通過調(diào)制，將低頻變?yōu)楦哳l，經(jīng)放大后的電信號發(fā)射，再經(jīng)過天線作用轉(zhuǎn)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(jīng)調(diào)制由高頻電信號變?yōu)榈皖l電信號，最終完成整個信息的傳輸。無線監(jiān)測通信技術(shù)主要是應(yīng)用在提升機(jī)箕斗傳感器中，由于監(jiān)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(xié)同運(yùn)動的，因此，采用無線通信技術(shù)最為合適。

在無線監(jiān)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(shù)發(fā)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(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，對信息信號處理后上傳至上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)傳輸至組態(tài)軟件系統(tǒng)中，顯示、分析數(shù)據(jù)，同時對危險(xiǎn)信號進(jìn)行報(bào)警處理，并對信息進(jìn)行存儲。

1.3 有線通信傳輸技術(shù)

無線傳輸與有線傳輸?shù)牟煌c(diǎn)主要是傳輸媒介的不同，有線通信需要有光纖及金屬導(dǎo)線等實(shí)體的傳輸媒介進(jìn)行信息的輸送。其原理主要是將采集的信號轉(zhuǎn)為光信號或者電信號，再經(jīng)過實(shí)體媒介進(jìn)行終端傳輸。有線傳輸相比于無線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)主要是傳輸信息速率快、穩(wěn)定性好、安全性有保障且對應(yīng)外界環(huán)境的抗干擾能力較強(qiáng)，有線通信傳輸技術(shù)的應(yīng)用需要具備信息出發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等三方面的要素。在提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)可以更好、更快捷地傳輸監(jiān)測信息。

2 監(jiān)測方法的選擇

鋼絲繩張力常用的監(jiān)測方法有旁壓監(jiān)測法、電機(jī)電流法、磁通密度法、油壓監(jiān)測法以及串接載荷傳感器法等。通過對以上幾種監(jiān)測方法進(jìn)行對比分析可知，旁壓監(jiān)測法在對鋼絲繩張力的監(jiān)測中，存在鋼絲繩磨損及彎曲等問題。電機(jī)電流法的檢測需要滿足電機(jī)運(yùn)行條件，才可以進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測工作。磁通密度法由于技術(shù)成熟度不夠，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有待考察。油壓監(jiān)測法雖然技術(shù)成熟，但是無法做到針對每根鋼絲繩張力的有效監(jiān)測，并且在監(jiān)測過程中還容易發(fā)生漏油的現(xiàn)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(xiǎn)系數(shù)相對較高。如圖2-2 所示，傳感器安裝在油缸與調(diào)繩螺母之間，監(jiān)測性能相對較好，通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行研究，最終采取該監(jiān)測方法測量載荷傳感器壓力值，對提升機(jī)鋼絲繩的張力進(jìn)行監(jiān)測，同時在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，可以更加快速精確地監(jiān)測鋼絲繩張力情況。

3 各傳感器的位置安裝設(shè)計(jì)

傳感器主要用于數(shù)據(jù)檢測，但安裝位置也是極為重要的，會直接影響到檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在選擇傳感器的安裝位置時必須謹(jǐn)慎小心。

鋼絲繩作為礦井提升系統(tǒng)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(jiān)測的傳感器，其承載能力至少應(yīng)是鋼絲繩載荷能力的13 倍。當(dāng)鋼絲繩與傳感器協(xié)同工作后，不能降低鋼絲繩的強(qiáng)度，不能損壞鋼絲繩，更不能影響提升機(jī)的原有結(jié)構(gòu)。多繩摩擦提升機(jī)是通過張力自動平衡裝置去實(shí)現(xiàn)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(huán)無源液壓連通原理，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種因素所引起的張力不平衡進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，并能有效解決多繩摩擦提升鋼絲繩產(chǎn)生的動態(tài)平衡問題。

借助于張力自動平衡懸掛裝置的特殊結(jié)構(gòu)，可以有效實(shí)現(xiàn)鋼絲繩張力的有效檢測，通過檢測載荷傳感器的檢測數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)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(dāng)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(shè)置在滑塊與中板底部處時，當(dāng)提升機(jī)受到較大沖擊或加速時，安裝的相應(yīng)傳感器也會受到相應(yīng)的沖擊破壞作用，造成傳感器的損壞。若設(shè)置在油缸活塞與滑塊處，受油缸的影響，產(chǎn)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(dá)到極限，進(jìn)而調(diào)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(jié)語

1）提升機(jī)鋼絲繩動態(tài)張力實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)γ扛嵘摻z繩運(yùn)行的張力實(shí)時監(jiān)測，及時、準(zhǔn)確地將每根提升鋼絲繩的張力數(shù)據(jù)實(shí)時反映到監(jiān)控終端，并對提升運(yùn)行過程中出現(xiàn)的提升鋼絲繩張力超限實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

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

3）通過實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，探究了循環(huán)變化載荷作用下鋼絲繩的損傷機(jī)理，分析鋼絲繩的應(yīng)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(yù)測，從而預(yù)測鋼絲繩的使用壽命。

4）建立了有效的管理預(yù)防機(jī)制,指導(dǎo)鋼絲繩使用過程的維護(hù)工作，為提升鋼絲繩使用年限提供了科學(xué)依據(jù)。該項(xiàng)目在煤礦主井進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的效果。