礦用防墜器自動化無線檢驗技術(shù)研究與應(yīng)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(nèi)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(jù)AQ2019-2008《金屬非金屬礦山豎井提升系統(tǒng)防墜器安全性能檢測檢驗規(guī)范》定義，防墜器特指豎井單繩提升系統(tǒng)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(wěn)的支撐在罐道或制動繩上的保護裝置。防墜器應(yīng)為專業(yè)生產(chǎn)單位生產(chǎn)的合格產(chǎn)品，按GB16423 的相關(guān)規(guī)定進行日常維護和處于運行狀態(tài)，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(yīng)超過規(guī)定的要求，驅(qū)動彈簧完好。

為了保證升降人員的安全，2016 年版《煤礦安全規(guī)程》第393 條規(guī)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(shè)可靠的防墜器”；第415 條規(guī)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(tài)”。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(tài)完好。靜負荷實驗?zāi)康氖菣z查防墜器各部件動作是否靈活，同時為脫鉤實驗進行預(yù)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(chǎn)經(jīng)營單位每年需要結(jié)合檢測機構(gòu)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(guī)程》和《礦用防墜器技術(shù)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(tǒng)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(jié)果經(jīng)常不理想。為了優(yōu)化礦山豎井提升系統(tǒng)中防墜器檢測工作的操作程序，提升作業(yè)人員的操作安全和經(jīng)濟效益，本文對礦用防墜器自動化無線檢驗技術(shù)在礦山防墜器檢測工作中的應(yīng)用進行研究分析。

2 自動化無線檢驗技術(shù)

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(qū)動彈簧、拉桿等組成。

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

傳統(tǒng)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(fù)，人員需頻繁在已經(jīng)脫鉤的罐籠上反復(fù)測量，安全性差；根據(jù)《金屬非金屬礦山豎井提升系統(tǒng)防墜器安全性能檢測檢驗規(guī)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(tǒng)的實驗方法復(fù)雜，實驗結(jié)果差距不確定，無法體現(xiàn)防墜器的實際安全性能；傳統(tǒng)的檢測過程全部采用人工測量，易造成人為實驗數(shù)據(jù)偏差，影響防墜器安全性能檢測結(jié)果。

隨著科技的進步，無線技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，本文對礦用防墜器自動化無線檢驗技術(shù)的應(yīng)用進行分析介紹。

2.1 技術(shù)特點

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

集合成數(shù)的無線測距技術(shù)、振動傳感器技術(shù)及基于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)設(shè)計的傳感器具有低復(fù)雜度和距離短、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)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(shù)字信號采集、傳輸技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)精度高、響應(yīng)及時、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)安裝使用方便等特點。在保證數(shù)據(jù)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(xiàn)場存儲、查閱等功能，方便后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析。

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，由IEEE.802.15.4 無線標準開發(fā)而來。ZigBee 的響應(yīng)速度快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由1 個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多1 個主節(jié)點可管理254 個子節(jié)點；主節(jié)點可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。ZigBee 提供了三級安全模式，包括安全設(shè)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(shè)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(fù)雜惡劣環(huán)境，具備語音通訊、視頻功能，滿足現(xiàn)場多功能使用要求。

加速度傳感器采用壓電效應(yīng)原理設(shè)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(wěn)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(yīng)性強，現(xiàn)場安裝方便。

2.2 實驗方法

礦用防墜器自動化無線檢驗設(shè)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(yīng)部位，如圖2 所示。

圖2 礦用防墜器自動化無線檢驗設(shè)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(nèi)底部平坦處。安裝位置要考慮傳感器檢測范圍，防止數(shù)據(jù)錯誤，另外也要預(yù)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(shè)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(wù)”，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(zhuǎn)，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(jié)束并計算出各位移量，重復(fù)實驗3 次。每次實驗完畢后應(yīng)檢查防墜器的零部件是否損壞或產(chǎn)生永久變形，若損壞，則對相應(yīng)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(wěn)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(wù)”，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(wěn)定后，依次點擊儀器上“停止”、“保存”，儀器自動計算相關(guān)數(shù)據(jù)，完成空載脫鉤實驗。若實驗結(jié)果不符合技術(shù)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(jié)果符合技術(shù)要求，則拆除儀器，恢復(fù)實驗現(xiàn)場至正常運行狀態(tài)，檢查防墜器的相關(guān)零部件、制動繩、緩沖繩等是否有損壞，如有損壞，則更換相應(yīng)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(nèi)按照提升最大載荷進行配重。

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

3 安全效益和經(jīng)濟效益

礦用防墜器自動化無線檢驗技術(shù)從防墜器的檢測實驗過程規(guī)范化、操作標準化入手，實現(xiàn)全過程一次安裝傳感器、自動測量、自動計算，檢測機構(gòu)相關(guān)人員只要學習掌握了礦用防墜器無線多參數(shù)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(jié)果進行調(diào)取、查看檢測數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)測試方法中頻繁出入罐籠和高空作業(yè)，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(shù)據(jù)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(jié) 語

礦用防墜器自動化無線檢驗技術(shù)是目前先進可靠的檢測技術(shù)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(huán)境下的作業(yè)量，具有良好的安全效益和經(jīng)濟效益，保障煤礦安全生產(chǎn)和人員生命安全。