矿井提升机钢丝绳张力监测传感器应用研究

魏豆云

（山西潞安检测检验中心有限责任公司， 山西 长治 046200）

引言

提升机作为煤矿生产和运输的关键设备，被称为“矿井咽喉”，在保障安全生产中起着至关重要的作用，通常用于提升矿物、设备或运输工人。在长时间的运行过程中，如果出现钢丝绳过载和张力不平衡等起重问题，会导致危险事故发生。因此，钢丝绳张力实时监测对保障煤矿安全生产具有重要的理论和现实意义[1]。许多学者对钢丝绳张力监测系统和用于不同条件下测力的相关传感器的设计进行了大量的研究，但是它们几乎都不适合矿井恶劣环境情况下的实时张力监测。本文针对现有矿用压力传感器在张力监测阶段频繁出现剧烈扰动，设计一种新型特殊结构的声过滤传感器，并应用颗粒阻尼的减振技术。

1 提升机钢丝绳张力实时监控系统

1.1 系统架构设计

多绳提升机钢丝绳张力监测系统如图1 所示。以下井笼A 为例，声过滤传感器安装在平衡缸的中间。首先，通过数据采集装置采集的张力信号被传输到无线通信模块。通信模块将获取的信号发送到安装在井中的数据接收模块。然后，信号通过RS485/232 转换器传输到提升机监测平台[2]。最后，数据由主计算机处理，实现钢丝绳的张力监测。为了说明张力随笼A深度的变化规律，笼位置信号和笼内位置信号也传送到主机，分别由霍尔传感器和位置监测装置获得。

图1 张力实时监控系统安装布置示意图

1.2 平衡缸模型设计

为了说明监控系统的可行性，在图2 中建立了提升机的平衡缸模型。该模型主要由内板、侧板、液压缸、活塞杆、滑块等组成。内板的顶部为提升端，提升端通过销孔与一根钢丝绳连接，另一端通过凹槽与滑块的底部连接。侧板上端与油缸连接，底部为负载端，负载端通过销孔与保持架连接。滤声传感器安装在活塞杆和滑块之间。在提升机运行过程中，作用在滤声传感器下端的牵引力等于钢丝绳的张力，表示为P0。负载端通过侧板和活塞杆作用在滤声传感器的上端的力，称为P1。在忽略动载荷的情况下，P0=P1。因此，基于上述监测系统，可以获得钢丝绳的张力。平衡缸将底部贯通，保持了不同部位液体的流通性，在面对振动时，也能根据外部条件变化而进行自我调节[3]。

图2 监测系统的平衡缸模型

2 监控系统传感器设计及其原理

2.1 传感器设计

声滤波传感器的结构如下页图3 所示。传感器主要由圆盘盖和圆盘底座组成。这两部分螺纹连接后焊接在一起，形成一个圆柱形空腔和一个平的间隙。选择二甲基硅油作为传感器的填充液[4]。为了防止漏油，在阀瓣盖和阀瓣底座的连接处安装了一个垫圈。考虑到传感器焊接后不会再更换垫片，选用铜材作为垫片材料。应变区是一块圆形薄板，设置在盘盖的中心，应变区的上侧贴有应变片，用于测量油压。在阀瓣盖中间提供了一个引线槽，用于接线和保护绳索。此外，在盘座的下部设计了一个注油孔，将油注入空腔和间隙。

图3 声滤波传感器结构示意图

为了防止空气进入油腔，喷油需要用特殊的真空泵装置来完成。如图4 所示，左边的装置用于容纳二甲基硅油，并通过塑料管与右边的真空泵连接。无油传感器浸入油中，然后真空泵开始抽吸容器中剩余的空气。随着内压的降低，无气油通过喷油孔逐渐注入传感器，注油后用螺钉将孔密封在油中。

图4 抽真空装置示意图

2.2 传感器测量原理

根据平衡缸工作原理，外部载荷通过平衡缸作用在传感器的圆盘盖上，钢丝绳的牵引力作用在传感器的圆盘底座上。在这两种力的作用下，传感器会被挤压和弯曲。变形主要发生在图3 中阴影色标记区域。为了研究牵引力和外部载荷之间的关系，将标记的传感器结构进行简化，如图5-1 所示。阴影标记区域的下圆薄板从力学角度相当于悬臂板，如图5-2 所示的弯曲悬臂板。面对外力时，会改变油腔容积和内部油压。油压增加导致应变区域变形，通过测量的输出值就能够计算钢丝绳的张力。

图5 声滤波传感器测量原理示意图

2.3 传感器滤波原理

当悬臂板弯曲时，油腔中的流体会被挤压并振动。油腔由间隙和圆柱形腔两部分组成。假设间隙中的流体质量为M1，圆柱形空腔中的流体质量为M2，由于间隙宽度较窄，M1能量通过间隙阻尼耗散。此外，如果设计参数使振动频率接近流体M1的固有频率，就会发生共振。通过这种方式，包含在流体M1中的动能被耗散到最大。因此，流体M2的振动将被减弱，作用在应变区的油压和应变仪产生的输出电压信号变得更加稳定[5]。

为了证明声滤波传感器的滤波原理，建立了油腔的动力学模型。与圆柱形空腔相比，间隙平坦、狭窄且体积较大，当流体M1在间隙中流动时，会产生阻尼效应和弹性效应。因此，间隙可以简化为弹簧- 质量-阻尼系统。对于流体M2，应变区在圆柱腔内流动时会受到挤压，此时应变区对流体M2的影响相当于弹簧。因此，圆柱形空腔可以简化为弹簧- 质量系统。油腔的等效振动模型如图6 所示。

图6 油腔的等效振动模型

3 系统试验分析

3.1 试验装置

如下页图7 所示的实验装置由显示器、DC 电源、滤声传感器、标准传感器和液压缸组成[6]。声学过滤传感器同心放置在标准传感器上，两种传感器安装在液压缸和支架之间。液压缸用于模拟外部负载。液压缸作用在标准传感器上的力等于标准传感器作用在声过滤传感器上的力。因此，通过传感器的输出电压来验证线性度是可行的。理论上，输出电压应与测量范围内的外部负载成线性比例。在室温下对标准传感器施加液压缸的静态预载，预载范围0～12 t，模拟提升机运行时的工况状态。

图7 实验装置示意图

3.2 结果分析

声过滤传感器对同一根钢丝绳的张力测量结果，如图8 所示，有效消除了对采集数据的干扰，曲线光滑且噪点小，张力随提升时间近似呈线性变化。煤矿提升机的两条尾绳质量约为6 t，在整个提升过程中，一根钢丝绳的张力差最大值约为1.47 t，四根钢丝绳的总张力约为5.88 t，相当于尾绳的质量。计算结果表明，所设计的传感器测量的信号是可靠的。因此，声滤波传感器可以应用于钢丝绳的动态张力监测。

图8 提升机钢丝绳张力监测曲线

4 结语

提升机作为煤矿生产的重要机械部件，关系到了煤炭物料和人员运输的连续性。针对其钢丝绳安全监测问题，本文介绍了一种用于钢丝绳张力实时监测的声学滤波传感器，并且应用了颗粒阻尼的减振技术。与通用压力传感器相比，声过滤传感器具有更好的消振和滤噪特性，可进一步推广并用于钢丝绳张力不平衡事故的诊断和预测。设计的传感器可以有效降低系统的声辐射功率，提升了对张力监测的精确性。研究成果为煤矿电气设备监测传感器研发提供了依据。