鲍店煤矿主井提升钢丝绳张力监测系统的研发与应用_高维强.pdf

鲍店煤矿主井提升钢丝绳张力监测系统的研发与应用 高维强 1， 张运华2， 张红光1， 宋永亮2， 刘毅1， 侯西富2 （1. 兖州煤业股份有限公司济南煤炭科技研究院分公司， 山东 济南 250000； 2. 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿， 山东 邹城 273500 ） 摘要 多绳摩擦式立井提升机日常运行过程中， 提升机钢丝绳张力不平衡问题严重影响钢丝绳使用 寿命， 甚至威胁整个提升系统的安全运行， 现结合煤矿提升机实际运行工况， 提出一种针对上述问题 的钢丝绳张力实时监测、 预警系统。 关键词 提升机 ； 钢丝绳 ； 张力监测 ； 监测预警 中图分类号 TD532文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0107-03 Development and application of the tension monitoring system of the hoisting wire rope in the main shaft of Baodian Coal Mine GAO Weiqiang1, ZHANG Yunhua2, ZHANG Hongguang1, SONG Yongliang2, LIU Yi1, HOU Xifu2 （1. Yanzhou Coal Industry Co., Ltd. Jinan coal science and Technology Research Institute branch， Jinan 250000 ， China; 2. Yanzhou Coal Industry Co., Ltd.Baodian coal ， Zoucheng 273500 ， China ） Abstract In the daily operation process of multi rope friction shaft hoist, the unbalanced tension of the hoisting wire rope seriously affects the service life of the wire rope and even threatens the safe operation of the whole hoisting system. Now, combining with the actual operation conditions of the coal mine hoist, a real-time monitoring and early warning system for the above problems is proposed. Key words main lifting ； wirerope ； detection system of steel wire rope ； monitoring and early warning 0引言 现煤矿提升继续朝着超深、 重载、 高速方向发 展， 同时多绳摩擦式立井提升系统的成熟逐渐取代 了单绳缠绕式提升系统。在多绳摩擦式立井提升系 统运用的过程中， 提升钢丝绳张力不平衡问题严重 影响钢丝绳的使用寿命与整个提升系统的安全运 行。随着电子技术的不断发展， 传统的钢丝绳张力 静态检测法也已不再适用现代煤矿企业生产情况， 若可以对钢丝绳张力实现的动态实时监测， 可随时 能了解钢丝绳张力差的大小，及时采取应对措施， 以提高矿井提升的安全性。因此， 钢丝绳张力在线 监测系统的研发对保证现阶段矿井提升安全尤为 重要。对于动态监测钢丝绳张力的方法， 国内外学 者做了大量的研究， 相关技术成果由于局限性较大 的原因不能很好的实际应用。因此， 本文基于串接 载荷传感器法设计了一套钢丝绳张力监测系统， 并 依据在鲍店煤矿主井的应用效果进行实验论证。 1系统总体设计 根据鲍店主井提升系统的生产环境来对钢丝 绳张力监测系统进行总体设计。系统设计要保证实 用性原则、 可靠性原则、 安全性原则等设计原则， 同 时根据矿井监测需要， 系统功能要满足数据监测直 观可靠， 报警画面醒目。系统监测设备要保证不能 影响提升系统安全生产。 钢丝绳作为提升系统的承载部件， 需要承受较 大载荷，而作为检测钢丝绳张力的载荷传感器， 其 承载能力至少是实际载荷的 13 倍。传感器在与钢 丝绳连接后， 不得影响提升机原有结构， 或者损坏 钢丝绳以及降低钢丝绳强度， 因此， 载荷传感器的 安装问题是着重考虑的问题。 多绳摩擦提升机在提升运行过程中， 通常采用 张力自动平衡装置来实现各根钢丝绳之间的张力 平衡， 如图 1 所示， 为张力自动平衡装置。张力自动 平衡装置主要采用闭环无源液压连通原理， 自动调节 由安装偏差、钢丝绳残余应力等引起的张力偏差， 较 好地解决多绳摩擦提升钢丝绳的动态平衡问题。 图 1鲍店煤矿张力自动平衡悬挂 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 107 ChaoXing 对钢丝绳张力的检测可利用张力自动平衡悬 挂装置的特殊结构， 通过检测载荷传感器的数据来 反映钢丝绳张力。如图 2 所示。将传感器安装于滑 块与连扳之间。可通过挤压载荷传感器来实现对钢 丝绳张力的直接测量， 避免对提升系统的主要结构 改造， 并且对提升系统的结构强度未造成影响。 图 2载荷传感器安装位置 煤矿主井提升钢丝绳监测系统如图 3 所示。本 系统结合无线通讯技术，整体系统主要有采集装 置， 上位机和组态监控界面三部分组成， 采集装置 有传感器、 无线采集发射装置， 上位机有地面收发 装置或井上 PLC。当提升机工作时，工作人员通过 组态监控界面向上位机发送 “采集” 指令， 然后上位 机通过无线通讯方式向采集装置发送控制命令， 采 集设备开始进行数据采集并将采集数据信息通过 无线通讯方式传输给上位机， 上位机接收后再将数 据信号传输给组态软件系统， 并通过软件进行处理 后显示和储存。当不需要进行数据信号采集时， 发 送 “停止” 指令即可。由于监测系统的设计安装是在 矿井提升机固有结构上进行设计， 因此在设计监测 传感系统时需要依附于矿井结构且不得改变原有 矿井结构模式。 图 3钢丝绳张力监测系统工作原理 2系统关键技术 2.1提升钢丝绳动力学分析 本文研究的对象是多绳摩擦式双箕斗提升系 统， 等重尾绳， 由钢丝绳引起的张力差可忽略不计。 提 升箕斗以及钢丝绳在提升机的牵引下，分别做加速、 匀速以及减速运动，查阅相关资料以及计算验证， 提 升系统在箕斗加速上升段时钢丝绳受到的张力值最 大， 因此在对钢丝绳的动力学进行研究时， 主要研究 提升加速度段。 如图 4 所示， 为提升系统运动分析图。 图 4提升系统运动分析图 由图 4 可知， 其运行微分方程为 msaFs- Fsj（1） 式中 ms为上升侧总变位质量； a 为钢丝绳沿垂 线上升的加速度；Fs， Fsj为分别为钢丝绳的动拉力 和静拉力。 由于 Fsj mmzgnmpg h0H- xnmqgHwx Ws； nmpgnmqg；（2） msmmznmp（h0H- x ） nmq（Hwx ） Gt/g， 故将式 （2） 转化为 Fs[mmznmq （h0HHw） ]ag0.075mgGta/g 式中 m， mz分别为箕斗载重量和自重； g 为重力 加速度； n， n 分别为首绳和尾绳数量； mp， mq分别为 首绳和尾绳的单位质量； h0从卸载位置到摩擦轮的距 离； H 为提升高度； Hw为尾绳环高度； Ws上升侧矿井 阻力， 这里取 0.075mg； Gt导向轮的变位位置。 将式 （2） 转换为 Fs△ g （△ a0.075mgGta/g ）（3） 由上式 （3） 可知， 钢丝绳的动拉力主要由两部 分组成， 即箕斗的自重， 静拉力， 以及提升过程中运 动加速度所造成的附加拉力组成。故提升钢丝绳的 动载荷系数 Kd为 FsFsj（10.925a/gGta/g2） Fsj Kd（4） 由式 （4） 可知， 动载荷系数 Kd总是大于 1。 由于 提升过程中伴随着运动加速度和各种冲击力的影 响， 也为保障提升机的安全运行， Kd取 2。 2.2载荷传感器的类型对比 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 108 ChaoXing 载荷传感器在测量原理上有多种类型， 根据其 原理选择出适合矿井环境的载荷传感器。如表 1 所 示， 对不同类型的载荷传感器的性能与特点进行分 析与对比。 表 1不同类型传感器的性能与特点 不同类型的传感器都有各自的优缺点， 需要依 据工作环境的特殊需求进行选型。其中， 电感式和 压电式易受到恶劣环境影响，抗干扰能力较差， 难 以适应煤矿井下恶劣的工作环境； 其它类型传感器 测量量程较小或者研究技术不够完善， 无法完成对 提升钢丝绳张力的测量。综上所述， 本文采用的载 荷传感器为电阻式中的剪切应变式压力传感器。其 中， 弹性元件采用并联式结构中的轮辐式， 其结构 如图 5 所示。 图 5轮辐式弹性元件 3系统测试 为了验证钢丝绳张力监测系统的可靠性与实 用性， 在鲍店煤矿对该系统进行安装测试。数据发 射天线安装时要尽量减少遮挡， 所以天线安装在箕 斗雨棚顶部位置。数据发射器安装在提升箕斗上部 乘人间位置， 防砸防水。采集装置与电池因为所用 壳体过大的缘故， 安装于箕斗底部。对于电池续航 能力问题， 本系统为电池电源增加依靠罐耳转动发 电的充电装置。 提升钢丝绳张力监测装置系统界面整洁清晰。 进入主操作界面， 首先登录运行程序， 输入用户名 与密码后才可登录， 该系统主要是为方便管理人员 设置使用权限， 便于使用者的管理。该检测系统能 够对提升钢丝绳的张力数据进行实时采集， 其主界 面可实时显示每根钢丝绳的张力值， 张力差值。同 时在出现超载， 钢丝绳张力不平衡时， 可进行相应 的报警。 4结语 根据现场情况整理出了以下几点 1） 提出了一种提升钢丝绳张力在线监测方法 以及具体方案。 2 ） 对整体结构进行设计， 并进行现场设备的安装 实验。 3 ） 完成了对主提升机钢丝绳张力监测系统及试 验台的搭建， 经试验测试， 该系统安全可靠， 能在钢 丝绳过载及张力不平衡超出时进行报警。 参考文献 [1] 晋民杰,李自贵.矿井提升机械[M].北京 机械工业出版社, 2011 2- 3. [2] 王韶山. 多绳摩擦式提升机钢丝绳张力不平衡原因分析 及消除方法[J].煤矿机械,2005 （1） 113- 114. [3] 胡社荣,彭纪超,黄灿等.千米以上深矿井开采研究现状与 进展[J].中国矿业,2011 （7） 105- 110. [4] 徐风岐.浅谈我国矿井提升机的未来发展[J].矿山机械, 2009,37 （11） 61- 63. [5] 姜义善,王广丰.多绳摩擦提升机钢丝绳张力平衡方法[J]. 煤矿机械,2009,30 （1） 192- 193. 作者简介 高维强 （1971-） ， 男， 山东邹城人， 山东煤炭技术研究所 所长， 山东省生态学会副秘书长， 现主要从事煤炭技术研究 与管理。（收稿日期 2020- 2- 10） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 测量方式类型大小 质量 频率范围 /Hz 测量范围特点及适用性 压电法压电式小轻15000010-5105g 频响、 灵敏度高， 适宜宽 带随机及快变振动测量。 电 阻 法 应变式 均有 均有020003150g线 性好， 灵敏度高， 不宜高 频、 宽带随机振动测量。 压阻式小轻03000 252500 g 稳定， 精度高， 适宜恒定 加速、小构件的精密测 量。 电位器 式 大重0100.530g 线性好， 输出大， 适宜精 度要求、 频率低的加速度 测量。 电感法电感式 均有 均有20010200g 结构简单，灵敏度高， 适 宜频率较低的振动加速 度测量。 电容法电容式小轻505000110000g 适宜频响宽、 精度高的加 速度测量。 谐振法振弦法小轻7001200 10- 615 g 用于惯性导航系统， 如地 震， 爆破等。 磁电法 磁电感 应 大重2001000 0.0510g 电路简单，性能稳定， 尺 寸大，用于低加速度测 量。 力平衡法 伺服式中中0500050g 精度高， 线性好， 用于超 低频、 低值加速度测量。 光纤法光纤式小轻几百 最小可测 10- 6g 灵敏度高，电绝缘性能 好， 抗电磁干扰， 适宜微 小振动测量。 109 ChaoXing