某矿用提升机钢丝绳监测系统设计与应用

孙建华

(霍州煤电集团辛置煤矿)



某矿用提升机钢丝绳监测系统设计与应用

孙建华

(霍州煤电集团辛置煤矿)

针对某矿多绳摩擦式提升机导致的钢丝绳跳槽、滑绳、断绳等安全隐患及事故，设计了提升机钢丝绳张力及超载监测系统，保证提升机绳间张力一致，减轻衬垫磨损，延长钢丝绳寿命，在提升机安全运行方面具有重要的意义。

多绳摩擦式提升机 张力 超载 在线监测

多绳摩擦式提升机广泛应用于深井提升中，由于提升机具有不受主导轮宽度限制、钢丝绳直径比单绳提升小、安全可靠性高等特点，在工作过程中，提升机各钢丝绳间张力往往不平衡，导致了各钢丝绳和摩擦衬垫磨损程度也不均匀，影响了钢丝绳和摩擦衬垫的寿命[1]。此外，罐笼在装载过程中，由于提升司机不能从其他仪器设备中准确得知罐笼中的实际装载量，不可避免出现物料或工作人员超载的情况，容易导致提升机动力不足、爬行速度缓慢、提升钢丝绳张力过大、钢丝绳严重受损甚至断绳等现象。近年来，矿井提升系统的生产事故和设备故障时有发生，因此，开展多绳摩擦式提升机钢丝绳状态监测研究具有重要意义[2]。

1 多绳摩擦式提升机事故原因及分析

多绳提升机提升过程中常见的故障包括提升超载、张力不平衡、配重不平衡和平衡油缸压缩到极限等，其中提升机断绳、坠罐事故致因主要为提升机超载、提升机单绳张力和配重不均衡。

1.1 钢丝绳张力不平衡

多绳摩擦提升机提升动力源于钢丝绳与衬垫间的摩擦力，衬垫的磨损程度与钢丝绳寿命密切相关，钢丝绳张力不平衡必然会造成衬垫发生不均衡的摩擦，因此消除张力不平衡是减少衬垫磨损的重要手段。现有的液压钢丝绳张力自动平衡装置并不能测出张力差，其仅仅发挥平衡作用[3]。首先，液压张力平衡装置实际工作时不宜采用全调压，只能半调，全调压时钢丝绳会来回窜绳，造成滚筒衬垫磨损，滚筒不圆，不能调整张力差；其次调绳器只能起局部调节作用，不能提供张力差大小，不便维护人员消除张力差；再次，调绳器由于是油压系统，不能突变，有较大偏差张力差的钢丝绳在高速运转下，钢丝绳抖动严重、控制难度大、不安全因素多，这时会对提升系统油液压密封系统、调衡系统产生不同程度的影响，频繁的抖动会引起高压软管接头密封圈损坏漏油，滚筒两侧活塞杆出现偏串造成控制难度加大，绳体磨损加快，寿命缩短，出现断丝、疲劳损伤等情况；有时还会出现油缸爆裂现象，使钢丝绳张力平衡装置失效；又或出现油缸卡死现象，此种情况下油缸螺杆不能伸缩，造成平衡装置失效。

1.2 提升超载

由于装载物料和人员不确定性，提升超载主要跟挂罐工操作有关，载荷太重而配重太轻，会使两边罐笼配重严重不平衡，这导致了提升、运输能力的降低，并使电耗显著增大。超载直接造成钢丝绳重大损伤，甚至断丝、断绳，特别在提升中途因过流急停，极易造成重大提升事故，同时超载也会对整个提升系统机械部件造成冲击和磨损，如减速机、联轴节打齿等，超载也会造成可控硅等变流元件过流烧坏、过热损坏，影响设备使用寿命。

1.3 平衡油缸工作极限

罐笼在提升过程中，钢丝绳受力不同，不可避免地会出现蠕动、相对滑动和伸长不均等现象，造成调绳装置非正常偏串动作，即悬挂平衡油缸活塞杆伸出到极限，另一端油缸活塞杆缩回到极限的现象，此时上升罐笼悬挂平衡油缸活塞杆缩回到极限的钢丝绳张力大于其他钢丝绳，出现了钢丝绳张力严重的不平衡。如果行程较大，钢丝绳长度差也较大时就会造成单根钢丝绳受力的可能性程度加大，不能保证各钢丝绳张力不平衡不得超过10% 的要求，钢丝绳张力就会处于极度不平衡状态，对提升安全和钢丝绳使用寿命造成严重威胁[4]。

1.4 配重不平衡

配重差是指在提升机平位的情况下2个罐笼载重量的差值，一般提升机允许的最大配重差为5 t左右。如果配重差超限，滚筒两侧钢丝绳拉力相差较大，可能发生滑绳事故。

2 提升机钢丝绳张力及超载监测系统设计

通过建立钢丝绳张力监测系统，在任意一根钢丝绳实时监测基础上，通过对张力差和提升超载设限，并针对限值及时发出报警信号，从而有助于避免断绳和坠罐事故发生[5]。

2.1 整体方案设计

利用安装在钢丝绳液压自动平衡装置上的油压传感器对钢丝绳张力实时采集；采集装置电池箱与本安采集发射箱分离，便于更换电池；油压传感器数据经A/D转换后通过无线发送模块发送到井筒中；上位机通过罐笼深度信号采集装置确定每个罐笼的深度位置；采用RS485通信分别驱动安装于井口和井筒中的无线数据接收装置，接收发射于井筒中间位置以上和以下的罐笼发射的无线油压数据。通过对油压数据的计算判断提升机是否存在超载、张力不平衡等故障。上位机采用LabVIEW2009平台[6-7]监测罐笼深度信号、平衡装置油压，形象直观。提升系统超载及钢丝绳张力差在线监测系统见图1。

图1 提升系统超载及钢丝绳张力差在线监测系统

2.2 工作原理

国内煤矿多绳摩擦式提升机大多采用半调压的液压式张力自动平衡装置，4根钢丝绳工作时连通油缸开启的一侧钢丝绳张力相等，另一侧平衡装置失去效用，张力变化显著时才对钢丝绳进行平衡。油压传感器安装在罐笼上，主要采集绳张力作用下油缸内对活塞压力传递的承压值，利用无线发射模块将油压传感器数据及时发射到地面接收装置上，通过无线转换和RS485通信电缆传输至车房监控台上，根据监测张力数据及平位信号(罐笼上、下平位到位信号)绘制张力变化曲线，计算和显示罐笼的载重量和钢丝绳张力差。提升前监测到超载或其他故障可立即发出语音报警信号，并切断提升安全回路，储存报警数据。

由于井筒岩石对无线电磁波的吸收作用比较明显，考虑井筒深度的不断延伸和采集发射模块随提升容器运动到井底时油压数据无线信号传输至地面过程的强度变化，为保证接收井筒中部以下和以上的油压数据的准确性和数据的完整性，系统在井口及井筒中部偏下位置设计2个无线接收模块。井筒和井口无线接收装置均从井上供电，数据传输采取RS485通信方式。系统监测原理见图2。

图2 提升系统超载及钢丝绳张力差在线监测原理

2.3 功能实现

2.3.1 张力数据采集发射装置

张力信号采集电路以高性能单片机ATmega16L和12位多通道模数转换器TLC2543I为核心，单片机驱动模数转换器对四路张力信号和充电电池电压进行A/D转换，并将转换结果进行计算、打包、传送至无线发射模块。

2.3.2 无线数据接收装置

由于井筒电磁信号干扰严重，而且井道对信号具有一定的削弱作用，通过测定单对模块可以在井道可靠传输500m，设计2个无线数据接收器本安箱，分别安装于井口和井筒中部，2个接收模块能实现井深1000m的可靠无线传输。

2.3.3 提升容器位置监测器

平位信号是提升容器到达上井口的信号。每提一勾采集一次提升容器平位信号，提供精确的到位信息,一方面可以修正提升容器位置信号，另一方面为上位机程序诊断故障提供时间依据。每台提升机配备2个提升容器，设置2路平位信号。

3 结 语

某煤矿立井提升机钢丝绳张力及超载监测系统综合运用了无线传输、远程通讯、虚拟仪器等先进测试技术及设备，能够实时监测提升机载荷，对张力不平衡、提升超载等故障进行报警，并自动准确统计、记录产量，实现矿井安全提升在线监测。该系统在煤矿应用以来，减少了提升机运行中的安全隐患，对矿山安全开采意义重大。

[1] 张国栋,祁瑞敏.矿井提升机健康诊断系统设计[J].工矿自动化，2013(5)：98-101.

[2] 马 光,史二听,曲立文，等.煤矿主提升设备动态监测系统[J].工矿自动化，2011(12):93-95.

[3] 张 平.钢丝绳张力平衡装置[J].科技传播，2012(10)：122-123.

[4] 王增才,邵海燕,高 峰.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.

[5] 张海梅.钢丝绳张力检测技术浅议[J].黑龙江科技信息，2011(29)：71.

[6] 李正岱,刘文怡.多路信号采集器的硬件电路设计[J].微计算机信息，2008(2):220-222.

[7] 谭 磊.矿井提升载荷监测装置的设计[J].工矿自动化，2010(12):81-83.

2016-08-06)

孙建华(1987—)，男，助理工程师，031412 山西省霍州市。