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，张运华，张红光，宋永亮，刘毅，侯西富

（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）

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

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：

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=(m+mz)g+nmpg(h0+H-x)+n'mqg(Hw+x)+Ws；

ms=m+mz+nmp（h0+H-x）n'mq（Hw+x）Gt/g，故 将 式（2）转化为：

Fs=[(m+mz)+nmq（h0+H+Hw）](a+g)+0.075mg+Gta/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：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：

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

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。