摘 要：本文通过对提升钢丝绳运行状况的研究，理论分析了钢丝绳张力不平衡原因，开发了基于压电传感器的矿井提升机钢丝绳张力平衡检测系统，完成了传感器的设计与安装研究。最后通过编写检测软件实现了矿井提升机钢丝绳张力平衡的实时监测，达到了钢丝绳张力不平衡、超载等故障报警的目标。
关键词：矿井摩擦提升机；钢丝绳；张力平衡；检测系统
引言
多绳摩擦提升机是我国各大煤矿的主要提升设备。多绳摩擦式提升由多根钢丝绳共同承担提升载荷重量，长时间运行过程中，由于各根钢丝绳弹性变形不同而产生张力不平衡。各钢丝绳张力不平衡，其危害是极大的。首先是衬垫的磨损，各绳张力不平衡造成衬垫各绳槽磨损不均匀，随之又增大各绳间的张力不平衡，因此，许多矿井要经常车衬垫，一副衬垫最多使用二三年，少的一二年，每次车衬垫要占用几个小时，换一副衬垫需要十几个小时[1-3]。其次是钢丝绳的寿命，许多矿井钢丝绳在规定使用期内发生断绳的事故，其主要原因就是各钢丝绳的张力不平衡，张力过大的钢丝绳首先产生疲劳损坏，如果能对钢丝绳的张力进行实时监测，那么就可以消除避免安全隐患，提高提升系统安全性能[4-5]。
因此，保持绳间的张力一致，对延长钢丝绳寿命，减轻衬垫磨损，保证设备安全运行有着重要的意义。《煤矿安全规程》规定任一根钢丝绳的张力与平均张力差不得超过10%。因此对钢丝绳的承载大小及各钢丝绳之间张力平衡情况的掌握和监测方法的研究，就成为实现煤矿安全提升很重要的一个环节。设计一套基于传感器测量的动态检测摩擦提升机钢丝绳张力平衡系统十分必要。
1.钢丝绳张力不平衡的理论分析
钢丝绳张力不平衡主要是由以下几个方面原因造成的：
（1）绳槽直径的偏差。由于衬垫绳槽加工不精确，钢丝绳直径误差以及绳槽磨损程度（深浅）不同。较大直径的绳槽上的钢丝绳在上升边就会比同侧其它钢丝绳产生较大的弹性伸长。因而也就产生了较大的张力。相反在下放边，由于下放的较快，就比其它的钢丝绳张力要小。从而造成了各钢丝绳的张力不平衡现象。这是在使用中出现钢丝绳张力不平衡现象的主要原因。
（2）钢丝绳长度的偏差。由于在安装时，各钢丝绳不可能做到长度上的绝对一致以及在提升过程中各绳不同的残余伸长，也会产生各钢丝绳的张力不平衡现象。
（3）钢丝绳本身的刚性偏差。由于钢丝绳在制造时不可能保证材料和质量完全相同（各钢丝绳的弹性模数和断面积都不可能完全相同）。尽管能做到《规程》规定的同批生产要求，但也不能做到理想状态。其次在运转中磨损也不相同。因此，也会使各钢丝绳的张力不平衡。
（4）环境影响偏差。由于钢丝绳在使用过程中受温度，井筒淋水的影响不同。其锈蚀程度、伸缩长度也必然不同。特别是昼夜温差较大时，非常明显。
（5）磨擦衬垫的影响。磨擦衬垫机械性能不同，如弹性不同，对钢丝绳的张力不平衡也产生一定的影响。
2.系统检测原理
目前已有的接触式钢丝绳张力检测，一种是传感器串联，一种是三点检测法。前者测试比较准确，但只能在静态下进行测试。在不测试时检测装置必须拆卸或不受力，否则就会造成测试仪器的损坏或精度降低，整个测试过程非常复杂。后者安装要求高，初始校准困难，后期多根钢丝绳的拉伸变形不一样就会造成一定的测量误差[6-7]。
摩擦提升系统所使用的衬垫主要分为两种，一种是摩擦衬垫主要用于电机驱动力的传递，一种天轮衬垫主要用于对钢丝绳和过渡调整轮的保护。这两种衬垫在提升机运行的过程中，都会受到钢丝绳的压力。因此在此两种衬垫中加传感器便可直接对钢丝绳的压力进行测试，衬垫所受的压力可以很好的反应出钢丝绳的张力。每台提升机根据钢丝绳数量安装相应数量的传感器。传感器以每秒6000点的速度采集数据，采集来的各组数据经过放大、A/D转换和高频调制等处理后，被本安隔爆无线采集器采集和存储。采集器经磁感应触发器触发后上传数据，数据可被电磁信号接收装置接收。电磁信号接收装置接收到信号后，将信号进行放大、带通滤波等处理，再通过电脑软件进行分析对比，若数据值超范围就会报警提示。
3.检测传感器设计与安装
目前，大量程压力传感器的种类繁多，但从测量原理上可分为半导体、柱式、悬臂式、膜片式、轮辐式、生物技术等[8-10]。如图2所示几种典型大量程传感器，其中，柱筒形弹性元件式测力传感器适用于较大载荷的拉（压）力和称重测量，最大可达107N，但自身结构较高，不适应矿井提升要求；悬臂梁式测力传感器结构简单，便于安装，但对受力点位移和由变形引起的体积变化不敏感；薄壁圆环式力传感器外形较低，结构较稳定但在大量程应用中实现的技术难度大，而且性能不易保证；光纤压力传感器不受电磁干扰，尺寸较小，功耗也较低，但在大量程应用中成本较高，技术难度较大，不易在矿井中广泛使用。
综上，结合矿井摩擦提升机钢丝绳张力平衡检测要求，选用压电式测力传感器，如图3所示。该传感器安装于提升机滚筒摩擦衬垫内部，基于正压电效应的，即当外加载荷使某些电介质变形时，在电介质表面上会产生电荷。这种电荷随着外加载荷的存在而存在，和外加载荷存在着如式（1）所示的关系。通过对电荷的测量反推出外加载荷的大小，从而实现对力的测量。
4.检测系统软件的设计与调试
根据检测工况的要求，设计了检测系统软件。通过对每根钢丝绳的张力进行检测，获得每根钢丝绳的张力数据，通过计算机后台对比运行，实时反映钢丝绳的张力情况，当钢丝绳张力差大于《煤安规程》要求的10%后，系统出现声光报警，预防钢丝绳不平衡过载运行。部分现场测量数据如图3所示，可见系统可在线监测提升钢丝绳动态压力、张力情况，防止钢丝绳受力不平衡；实现故障报警，当出现钢丝绳张力不平衡、超载等故障时，进行相应的实时声光报警；主界面丰富，对于钢丝绳张力进行图形显示和数据显示；实现提升载荷监测数据存储、数据处理和历史查询功能。
5.结论
本文通过对提升钢丝绳运行状况的研究，理论分析了钢丝绳张力不平衡原因，开发了基于压电传感器的矿井提升机钢丝绳张力平衡检测系统，完成了传感器的设计与安装研究。最后通过编写检测软件实现了矿井提升机钢丝绳张力平衡的实时监测，达到了钢丝绳张力不平衡、超载等故障报警的目标。
[参考文献]
[1] 国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安监局. 煤矿安全规程（2016修订版）[D].煤炭工业出版社，2016.
[2] 方明煌，方明烨. 钢丝绳安全诊断与应用[J]. 太原理工大学学报，2000，31（6）：679～681.
[3] 张金网等. 多绳提升钢丝绳张力的测定[J]. 煤矿安全，2000，（3）：41～42.
[4] 杨兆建等. 多绳提升机钢丝绳张力动态测试调整研究[J]. 煤炭学报，1995，20（5）：22.
[5] 王增才等. 多绳摩擦提升机钢丝绳张力监测方法分析[J]. 煤矿机械，2002（5）：72～74.
[6] 王广丰等. 摩擦提升钢丝绳张力监测[J]. 煤礦机械，2005，（5）：1～3.
[7] 李春静等. 钢丝绳张力检测的研究现状及趋势[J]. 煤矿安全，2006，（1）：53～55.
[8] 王增才等. 多绳提升钢丝绳动态张力监测研究[J]. 仪器仪表学报，2004，25（5）：402～405.
[9] 王增才等. 多绳摩擦提升机钢丝绳张力监测方法分析[J]. 煤矿机械，2002，（5）：72～74.
[10] 桑安乐. 谈多绳提升机钢丝绳张力平衡方法的改进[J]. 淮南职业技术学院学报，2007，7（2）：67～69
基金项目（Foundation item）：淮南矿业（集团）有限责任公司直管科研项目计划（“摩擦提升机钢丝绳张力平衡检测研究”）资助
（作者单位：1.淮南矿业（集团）有限责任公司谢桥矿，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）
最新评论