基于衬垫压力转换的钢丝绳张力无线检测

王 影，周敬勇

(合肥职业技术学院机电工程学院，安徽 合肥 238000)

多绳摩擦提升机由多根钢丝绳共同承担提升运行，是我国各大煤矿的主要提升设备。钢丝绳张力的不平衡、过载等现象是危害钢丝绳使用寿命的主要因素，为了提高矿井的提升安全，需对其进行准确检测。为此，国内外现有的技术手段主要分为接触式和非接触式，接触式检测方法主要有串接方法、三滚轮法、五点弯曲法、振动波法、力电转换法[1-3]，优点在于可靠性及抗干扰能力较好；非接触式检测方法主要有磁通密度法、磁弹效应法[4-5]，优点在于检测精度及寿命等更高。为了兼顾接触式和非接触式检测方法的优点，提出了全新的基于接触式摩擦衬垫压力转换的钢丝绳张力非接触无线检测方法。

1 接触式摩擦衬垫压力检测方法

在每台提升机根据钢丝绳数量安装相应数量的传感器，衬垫所受的压力可以很好的反应出钢丝绳的张力，如图1所示。每根绳槽均匀布置8个压力传感器，压力传感器对称安装在摩擦轮的衬垫里面。通过测量衬垫所受压力转换为钢丝绳张力，进而测得各钢丝绳间张力差，做到及时发现、及时处理钢丝绳张力差过大的情况。

图1 接触式摩擦衬垫压力检测方法

2 衬垫压力与钢丝绳张力关系分析

钢丝绳的弹性变形从相遇点到分离点b随着张力的减小而变小，由于摩擦衬垫和提升钢丝绳都是弹性体，在张力的作用下会产生弹性变形，在工作过程中有弹性蠕动，因此提升钢丝绳与摩擦衬垫之间将不可避免的要产生相对滑动。提升钢丝绳与摩擦衬垫之间的相对滑动只发生在蠕动弧内αR，静止弧αR-α内钢丝绳各点张力相等，弹性伸长量也相同，钢丝绳与摩擦衬垫之间没有相对滑动，也没有摩擦力存在。在蠕动角αR内，提升钢丝绳与摩擦衬垫之间有相对滑动，提升钢丝绳的张力大小从Sy逐渐减小到S1，提升钢丝绳的张力变化符合欧拉公式；在静止角γ内，钢丝绳张力没有变化，如公式(1)

(1)

(2)

从载荷情况看，提升钢丝绳对摩擦轮作用有径向压力，同时也作用有切向摩擦力，径向压力作用于整个围包弧内。由于提升钢丝绳与摩擦衬垫之间的相对滑动只发生在蠕动弧内，因此，提升钢丝绳作用于摩擦轮的切向摩擦力只存在于蠕动弧内。通过传感器可以测得钢丝绳对摩擦衬垫的压力，在摩擦轮的衬垫里面沿圆周方向均匀布置8个传感器，相邻传感器之间的角度为45°，可得钢丝绳张力S1与衬垫压力传感器F1和F2关系如公式(3)和(4)，中间变量μ为摩擦系数。

(3)

(4)

3 衬垫传感器设计

衬垫传感器采用轮辐式结构，由轮箍、轮辐和轮毂和上受力体组成，为一体式设计，提高了弹性体的强度和精度，如图3所示。其中轮辐相当于一根两端固定的梁，连接于轮箍和轮毂间。上受力体与轮箍之间留有一安全间隙0.5mm，能在传感器过载时起到安全保护的作用。为了克服集中应力的影响，在它们的连接处设置过渡圆弧，传感器拟安装在摩擦轮衬垫内部，通过测衬垫所受压力来间接推出钢丝绳张力。因此在衬垫中心加工一与弹性体尺寸一致的槽，这样能在满足对衬垫强度影响较小的要求。衬垫安装在摩擦轮槽内，与提升钢丝绳配合使用，能有效减小摩擦轮及钢丝绳的磨损。将衬垫压力传感器安装到矿井摩擦提升机滚筒内的实物图如图3所示。

图3 衬垫传感器安装现场

4 无线传输系统设计

无线传输系统基于ZIGBEE的信号无线传输部分，ZIGBEE局域网络节点的设计主要包括终端节点设计和协调器节点设计两部分。ZIGBEE网络中的终端节点负责压力信号的采集和无线传输，协调器节点负责处理数据并将数据发送到上位机上。ZIGBEE的网络节点如图4所示。

图4 ZigBee网路节点

无线通信节点的设计主要包括传感器电路设计、ZigBee节点电路设计，以及电源电路设计、天线配置电路设计等功能模块的设计。传感器电路负责采集环境信息，ZigBee节点负责数据的处理和无线传输，ZigBee节点中的微控制器选择的是CC2530芯片。ZigBee节点组网成功后，终端节点将数据以无线的方式发送给ZigBee协调器。在ZigBee网路节点无线传输方案下，其信号无线传送距离≥100m。基于协议栈的无线透传程序执行流程图如图5所示，时钟节奏Timer定义为1ms。采用上述方式的无线传输，衬垫压力传感器以每秒6 000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。

图5 协议栈执行流程

5 结论

本文针对矿井提升过程中存在的张力不平衡问题，根据提升机和衬垫结构特点，同时兼顾接触式和非接触式检测方法的优点，提出了全新的基于接触式摩擦衬垫压力转换的钢丝绳张力非接触无线检测方法。通过计算钢丝绳张力及绞车筒壳压力模型，构建了力学转换对应关系，实现了衬垫压力对钢丝绳张力的推算。设计的高精度轮辐式压力传感器和无线传输方式能够较好的完成数据的采集、处理和传输，具有重要的工程应用价值。