矿井提升机载荷监测系统设计研究

杨瑞芳

（山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 交城030500）

引言

提升系统是保障矿井煤炭物料连续运输开采的关键设备之一[1]，如出现故障将形成安全隐患，甚至发生安全生产事故。通过对煤矿行业各类生产事故以及故障的统计分析发现，提升机在运转过程中发生的卡罐、断绳、过卷等安全事故，上述安全事故类型都与提升机所受载荷有关[2-3]。因此，应运用提升机载荷监测系统及时对提升机钢丝绳以及相应受力部件进行载荷监测，及时发现载荷异常数据并进行有效处置。目前提升机载荷监测系统存在技术上的短板，可通过采用ARM高新技术芯片对监测系统性能进行提升，可以使得监测系统能够满足现代化煤矿大数据采集决策的发展需要[4]。

1 提升机运行状态特性分析

在设计提升机监测系统之前应对提升机在运行过程中的动态特性进行分析，由于动态特性的载荷曲线是呈波浪形式，载荷数据并非一直处于稳定状态。此时提升机的钢丝绳张力将出现最大值和最小值相结合的特性，在运输过程中受到其他部件的摩擦和加速度作用都会使载荷发生变化，因此在提升期运行状态下的动态特性才使得载荷监测系统研究更具有意义。

由于提升机是通过机械和电气设备相结合的驱动模式，在整个运行提升过程中将产生5个阶段，分别为加速、匀速、减速、爬升、停车阶段[5]。其中在提升机加速阶段的时候，钢丝绳将受到较大的载荷张力，对于钢丝绳的牵引性能有着较高的要求。在匀速阶段的时候，整体结构受力状态保持平衡，钢丝绳的受力数据不变。在提升机进入到减速阶段的时候，钢丝绳的张力较小[6]。此外，在爬行阶段时，与提升机匀速运行阶段的特征相似，而在停车阶段时候，提升机的速度较小，依靠着所装载的煤炭物料重力进行减速至停车状态。提升机5个阶段速度特征示意图如图1所示。

图1 提升机速度特性示意图

2 监测系统硬件设计

根据对提升机速度特性的分析以及驱动方式，采用以液压缸的液压油驱动的提升机为研究对象。监测系统随着提升机各个部件的移动能够及时采集和传送数据，在后台监控室的上位机和各个工作面的传感器之间都能有信号的传送，设计出整体载荷监测系统的框架示意图如图2所示。

图2 提升机在线载荷监测系统框架示意图

采用ARM芯片作为核心部件，实现各传感器之间的数据传输、电路集成、信号发射的功能。ARM的STM33芯片是目前工业领域采用的先进芯片，是载荷监测系统硬件高效运转的基础部件。

此外，在对载荷数据信号采集的电路设计时，应选用防爆元器件并进行电气隔离，综合设计出采集电路为16路的数字采集通道，同时接收32路的模拟量信号，集成数字量隔离电路，使同一芯片能够进行多路计算，数字量电路设计如图3所示。

图3 数字量电路设计方案示意图

传感器的设计选型是关键步骤，最主要的传感器是压力变送器，根据提升机监测系统的电压、压力、防护等因素综合考虑选用NS-P-I型号的压力变送器，具有IP68防护等级。该型号的压力变送器的输入电压为24 V，可以承受的压力范围值为0～25 MPa，工作精度为0.5%，满足在矿井内高温高湿的工作环境，最大工作温度能够达到80℃。

3 监测系统软件设计

对提升机载荷监测系统上下位机软件进行设计，能够实现人机交互和安全平稳运行为目标。其中上位机的软件设计主要包括参数设定、运行管理、查询数据等三个关键功能，上位机软件结构图如图4所示。

图4 上位机软件结构示意图

下位机应该与上位机进行配合开发，能够使下位机通过CAN数据总线实现MCU的配置，并通过单片机底层开发实现机器语言的寄存管理，如图5所示为下位机软件架构图。

图5 下位机软件结构示意图

在对下位机进行通信串口定义时，通过单片机各个引脚写入各类数据传输和存储的功能函数，包括时钟模块化配置、串口中断配置、数据存储与传输的程序设计等。将下位机设计的16路ADC进行数据采样并实现A/D转换，将转换后的数字信号传输至上位机的监测界面。

4 应用效果分析

对提升机运行阶段钢丝绳张力数据进行获取，同时对提升运行阶段钢丝绳张力变化特性进行了相关研究。为验证以上研究的正确性，采用Adams软件对提升运行阶段模型进行仿真，并将仿真后的数据与矿井生产过程中提升机的实际加载曲线进行对照，对在线监测系统模型与应用的正确性进行验证。

图6所示为提升机运行阶段Adams模型曲线示意图。随提升加速度不同模型亦有所差异，为保证模型验证在整个提升运行阶段的连续性，通过设置尾绳等效弹簧钢度与等效质量为时变函数，使之能够满足提升机不同提升运行阶段的工况模型，输出钢丝绳与张力自平衡装置结合点应力仿真曲线，该曲线与实际提升时钢丝绳所受应力的曲线基本相同，如下页图7所示。

图6 提升机运行阶段张力曲线仿真数据示意图

两者曲线具有相同的变化趋势，通过以上数据说明，所研究的提升机运行阶段钢丝绳载荷张力变化特性具有正确性，证明设计出的提升机载荷监测系统所获得的载荷张力数据精确，能够有效地掌握提升机受载荷情况的变化。

5 结语

提升机作为连接矿井内外的主要运输工具，其整体结构部件的安全性至关重要，尤其是提升机钢丝绳在受到载荷作用力的长时间作用下会发生磨损断裂。因此，提升机载荷监测系统有助于掌握提升机钢丝绳所受的载荷大小，监测是否有异常载荷数据出现。通过仿真技术软件，对设计出的提升机载荷监测系统进行仿真并提取载荷数据，与实际工况的载荷数据进行对比分析得出，提升机载荷监测系统能够满足于现场实际工作需要，可为煤矿行业研发新型提升机安全监测设备提供依据。

图7 提升机钢丝绳应力数据曲线对比图