矿用防坠器自动化无线检验技术研究与应用

2022-11-05赵瑞祥

煤炭与化工 2022年9期

赵瑞祥

（冀中能源峰峰集团有限公司检测检验中心，河北邯郸 056201）

1 概况

目前，国内许多矿山均采用立井单绳罐笼提升人员，而防坠器是罐笼上的一个重要组成部分，依据AQ2019-2008《金属非金属矿山竖井提升系统防坠器安全性能检测检验规范》定义，防坠器特指竖井单绳提升系统中，提升钢丝绳或连接装置断裂时，能使提升容器（矿山提升使用的罐笼、箕斗、吊桶和吊罐等可乘人容器）平稳的支撑在罐道或制动绳上的保护装置。防坠器应为专业生产单位生产的合格产品，按GB16423 的相关规定进行日常维护和处于运行状态，螺纹连接件和锁紧件齐全牢固。制动钢丝绳、缓冲钢丝绳的磨损量不应超过规定的要求，驱动弹簧完好。

为了保证升降人员的安全，2016 年版《煤矿安全规程》第393 条规定“升降人员或者升降人员和物料的单绳提升罐笼必须装设可靠的防坠器”；第415 条规定“防坠器必须定期实验。防坠器各个连接和传动部分，必须处于灵活状态”。防坠器的实验包括实验前检查、静负荷实验、脱钩实验。实验前检查目的是确保防坠器静态完好。静负荷实验目的是检查防坠器各部件动作是否灵活，同时为脱钩实验进行预演。脱钩实验包括空载脱钩实验和实际最大载荷（重载）脱钩实验，是验证防坠器是否合格的标准手段。脱钩实验中竖井采用零速脱钩，斜井采用动负荷脱钩，即全速重载脱钩实验。生产经营单位每年需要结合检测机构对罐笼的防坠器进行不脱钩、脱钩实验，以验证防坠器是否符合《煤矿安全规程》和《矿用防坠器技术条件》的要求，确保人员提升的安全。

但罐笼及防坠器安装在竖井井筒中，传统的检测检验方法为纯手工测量计算，必须在井口的高危场所进行，检测过程施工时间长、工序繁琐、安全性差，而且检测结果经常不理想。为了优化矿山竖井提升系统中防坠器检测工作的操作程序，提升作业人员的操作安全和经济效益，本文对矿用防坠器自动化无线检验技术在矿山防坠器检测工作中的应用进行研究分析。

2 自动化无线检验技术

如图1 所示，煤山乘人提升容器常多采用FS型和BF 型绳制动防坠器，由缓冲绳、缓冲器、连接器、制动绳、抓捕器（楔盒、楔子）、驱动弹簧、拉杆等组成。

图1 绳制动防坠器Fig.1 Rope brake anti-dropper

传统的实验方法主要用粉笔、米尺等工具，在防坠器的楔子、弹簧、制动绳、罐笼与井架、缓冲绳等各部位做记，然后分别测量防坠器实际实验动作前后各部件的外露长度，从而计算动作行程，再利用理论公式计算其减速度。整个过程操作繁复，人员需频繁在已经脱钩的罐笼上反复测量，安全性差；根据《金属非金属矿山竖井提升系统防坠器安全性能检测检验规范》要求，防坠器脱钩实验需分别进行静负荷和脱钩实验，脱钩实验又包括空载脱钩实验和实际最大载荷（重载）脱钩实验，以上两种实验每种需进行3 次，传统的实验方法复杂，实验结果差距不确定，无法体现防坠器的实际安全性能；传统的检测过程全部采用人工测量，易造成人为实验数据偏差，影响防坠器安全性能检测结果。

随着科技的进步，无线技术在很多领域得到了应用，本文对矿用防坠器自动化无线检验技术的应用进行分析介绍。

2.1 技术特点

矿用防坠器自动化无线检验技术采用ZigBee无线网络传感设计，配备高性能主机、非接触式红外激光测距传感器和数字分析、存储软件，可以对矿用防坠器安全性能方面的技术参数进行全面检测，保障设备的安全运行。

集合成数的无线测距技术、振动传感器技术及基于ZigBee 无线网络技术研发设计的传感器具有低复杂度和距离短、功耗低、响应速度快等优点。矿用无线加速度传感器、矿用无线激光测距传感器、检测主机等均采用数字信号采集、传输技术，具有结构紧凑、数据精度高、响应及时、性能稳定可靠、结构安装使用方便等特点。在保证数据准确的情况下，简化了检测过程，提高了检测效率,同时具备现场存储、查阅等功能，方便后续进行数据分析。

ZigBee 无线网络传感技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率的双向无线通信技术，由IEEE.802.15.4 无线标准开发而来。ZigBee 的响应速度快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由1 个主节点管理若干子节点，最多1 个主节点可管理254 个子节点；主节点可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。ZigBee 提供了三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(Access Control List,ACL)以及高级加密标准(AES 128)的对称密码。

检测设备主机采用高性能、功能齐全的三防安卓平板电脑，适用于复杂恶劣环境，具备语音通讯、视频功能，满足现场多功能使用要求。

加速度传感器采用压电效应原理设计，具有体积小、重量轻、功能全、频响高、分辨能力高、耗能低，性能稳定、可靠使用寿命长等特点。激光测距传感器采用非接触式红外激光源，适应性强，现场安装方便。

2.2 实验方法

矿用防坠器自动化无线检验设备对防坠器进行实验时，首先要确保传感器开机，然后将传感器安装在相应部位，如图2 所示。

图2 矿用防坠器自动化无线检验设备Fig.2 Automatic wireless inspection equipment for mine falling-proof device

用夹具将制动绳和制动绳位移传感器分别固定在制动钢丝绳和罐笼抓捕器上，将缓冲绳和缓冲绳位移传感器分别安装在缓冲钢丝绳和缓冲器上，加速度传感器安装在提升容器内底部平坦处。安装位置要考虑传感器检测范围，防止数据错误，另外也要预估传感器与目标物的距离，防止实验失败而损坏仪器。

2.2.1 静负荷实验

打开检验设备主机，建立通讯连接，依次点击触摸屏“防坠器”、“防坠器测试”、“新建任务”，输入单位名称、编号等信息并保存，然后依次点击“静负荷实验”、“开始”进行检测，提升机反转，放松提升钢丝绳，罐笼悬挂在两制动钢丝绳上，5 s 后依次点击仪器“停止”、“保存”，测试自动结束并计算出各位移量，重复实验3 次。每次实验完毕后应检查防坠器的零部件是否损坏或产生永久变形，若损坏，则对相应的零部件进行更换并重新进行实验。

2.2.2 脱钩实验

脱钩实验在静负荷实验合格后进行，分为空载脱钩和重载脱钩实验。

（1）空载脱钩实验。待提升容器稳定，打开仪器主机，建立通讯连接，依次点击触摸屏“防坠器”、“防坠器测试”、“新建任务”，输入单位名称、编号等信息并保存，点击“脱钩实验”，“开始”进行实验。人工拉动控制绳打开脱钩器，提升容器自静止开始自由下落，防坠器动作，将提升容器抱在制动钢丝绳上，待提升容器稳定后，依次点击仪器上“停止”、“保存”，仪器自动计算相关数据，完成空载脱钩实验。若实验结果不符合技术要求，则拆除仪器，查找原因并处理后重新实验至合格；若实验结果符合技术要求，则拆除仪器，恢复实验现场至正常运行状态，检查防坠器的相关零部件、制动绳、缓冲绳等是否有损坏，如有损坏，则更换相应的零部件并重新进行实验至合格。

（2）重载脱钩实验。重载实验与空载实验的方式方法基本相同，只是在提升容器内按照提升最大载荷进行配重。

空载、重载实验在实验结果合格的情况下分别只做1 次。每次实验合格后，应对井架、罐道、制动绳、悬挂装置、传动机构、抓捕机构、驱动弹簧、连接装置及制动绳张紧装置进行检查和恢复。

3 安全效益和经济效益

矿用防坠器自动化无线检验技术从防坠器的检测实验过程规范化、操作标准化入手，实现全过程一次安装传感器、自动测量、自动计算，检测机构相关人员只要学习掌握了矿用防坠器无线多参数测试仪的使用方法，就可以在安装好测试装置后撤离到安全地点，操作平板电脑对结果进行调取、查看检测数据，避免了传统测试方法中频繁出入罐笼和高空作业，提高了操作人员的安全。

高精度传感器和简便的操作程序，可以在保证测量数据精准度的前提下缩短一半以上的实验时长，减少矿方停工时间和人员成本支出。