孫建華

(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦)

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某礦用提升機(jī)鋼絲繩監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

孫建華

(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦)

針對某礦多繩摩擦式提升機(jī)導(dǎo)致的鋼絲繩跳槽、滑繩、斷繩等安全隱患及事故，設(shè)計了提升機(jī)鋼絲繩張力及超載監(jiān)測系統(tǒng)，保證提升機(jī)繩間張力一致，減輕襯墊磨損，延長鋼絲繩壽命，在提升機(jī)安全運(yùn)行方面具有重要的意義。

多繩摩擦式提升機(jī) 張力 超載 在線監(jiān)測

多繩摩擦式提升機(jī)廣泛應(yīng)用于深井提升中，由于提升機(jī)具有不受主導(dǎo)輪寬度限制、鋼絲繩直徑比單繩提升小、安全可靠性高等特點，在工作過程中，提升機(jī)各鋼絲繩間張力往往不平衡，導(dǎo)致了各鋼絲繩和摩擦襯墊磨損程度也不均勻，影響了鋼絲繩和摩擦襯墊的壽命[1]。此外，罐籠在裝載過程中，由于提升司機(jī)不能從其他儀器設(shè)備中準(zhǔn)確得知罐籠中的實際裝載量，不可避免出現(xiàn)物料或工作人員超載的情況，容易導(dǎo)致提升機(jī)動力不足、爬行速度緩慢、提升鋼絲繩張力過大、鋼絲繩嚴(yán)重受損甚至斷繩等現(xiàn)象。近年來，礦井提升系統(tǒng)的生產(chǎn)事故和設(shè)備故障時有發(fā)生，因此，開展多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩狀態(tài)監(jiān)測研究具有重要意義[2]。

1 多繩摩擦式提升機(jī)事故原因及分析

多繩提升機(jī)提升過程中常見的故障包括提升超載、張力不平衡、配重不平衡和平衡油缸壓縮到極限等，其中提升機(jī)斷繩、墜罐事故致因主要為提升機(jī)超載、提升機(jī)單繩張力和配重不均衡。

1.1 鋼絲繩張力不平衡

多繩摩擦提升機(jī)提升動力源于鋼絲繩與襯墊間的摩擦力，襯墊的磨損程度與鋼絲繩壽命密切相關(guān)，鋼絲繩張力不平衡必然會造成襯墊發(fā)生不均衡的摩擦，因此消除張力不平衡是減少襯墊磨損的重要手段?，F(xiàn)有的液壓鋼絲繩張力自動平衡裝置并不能測出張力差，其僅僅發(fā)揮平衡作用[3]。首先，液壓張力平衡裝置實際工作時不宜采用全調(diào)壓，只能半調(diào)，全調(diào)壓時鋼絲繩會來回竄繩，造成滾筒襯墊磨損，滾筒不圓，不能調(diào)整張力差；其次調(diào)繩器只能起局部調(diào)節(jié)作用，不能提供張力差大小，不便維護(hù)人員消除張力差；再次，調(diào)繩器由于是油壓系統(tǒng)，不能突變，有較大偏差張力差的鋼絲繩在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，鋼絲繩抖動嚴(yán)重、控制難度大、不安全因素多，這時會對提升系統(tǒng)油液壓密封系統(tǒng)、調(diào)衡系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響，頻繁的抖動會引起高壓軟管接頭密封圈損壞漏油，滾筒兩側(cè)活塞桿出現(xiàn)偏串造成控制難度加大，繩體磨損加快，壽命縮短，出現(xiàn)斷絲、疲勞損傷等情況；有時還會出現(xiàn)油缸爆裂現(xiàn)象，使鋼絲繩張力平衡裝置失效；又或出現(xiàn)油缸卡死現(xiàn)象，此種情況下油缸螺桿不能伸縮，造成平衡裝置失效。

1.2 提升超載

由于裝載物料和人員不確定性，提升超載主要跟掛罐工操作有關(guān)，載荷太重而配重太輕，會使兩邊罐籠配重嚴(yán)重不平衡，這導(dǎo)致了提升、運(yùn)輸能力的降低，并使電耗顯著增大。超載直接造成鋼絲繩重大損傷，甚至斷絲、斷繩，特別在提升中途因過流急停，極易造成重大提升事故，同時超載也會對整個提升系統(tǒng)機(jī)械部件造成沖擊和磨損，如減速機(jī)、聯(lián)軸節(jié)打齒等，超載也會造成可控硅等變流元件過流燒壞、過熱損壞，影響設(shè)備使用壽命。

1.3 平衡油缸工作極限

罐籠在提升過程中，鋼絲繩受力不同，不可避免地會出現(xiàn)蠕動、相對滑動和伸長不均等現(xiàn)象，造成調(diào)繩裝置非正常偏串動作，即懸掛平衡油缸活塞桿伸出到極限，另一端油缸活塞桿縮回到極限的現(xiàn)象，此時上升罐籠懸掛平衡油缸活塞桿縮回到極限的鋼絲繩張力大于其他鋼絲繩，出現(xiàn)了鋼絲繩張力嚴(yán)重的不平衡。如果行程較大，鋼絲繩長度差也較大時就會造成單根鋼絲繩受力的可能性程度加大，不能保證各鋼絲繩張力不平衡不得超過10% 的要求，鋼絲繩張力就會處于極度不平衡狀態(tài)，對提升安全和鋼絲繩使用壽命造成嚴(yán)重威脅[4]。

1.4 配重不平衡

配重差是指在提升機(jī)平位的情況下2個罐籠載重量的差值，一般提升機(jī)允許的最大配重差為5 t左右。如果配重差超限，滾筒兩側(cè)鋼絲繩拉力相差較大，可能發(fā)生滑繩事故。

2 提升機(jī)鋼絲繩張力及超載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

通過建立鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)，在任意一根鋼絲繩實時監(jiān)測基礎(chǔ)上，通過對張力差和提升超載設(shè)限，并針對限值及時發(fā)出報警信號，從而有助于避免斷繩和墜罐事故發(fā)生[5]。

2.1 整體方案設(shè)計

利用安裝在鋼絲繩液壓自動平衡裝置上的油壓傳感器對鋼絲繩張力實時采集；采集裝置電池箱與本安采集發(fā)射箱分離，便于更換電池；油壓傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到井筒中；上位機(jī)通過罐籠深度信號采集裝置確定每個罐籠的深度位置；采用RS485通信分別驅(qū)動安裝于井口和井筒中的無線數(shù)據(jù)接收裝置，接收發(fā)射于井筒中間位置以上和以下的罐籠發(fā)射的無線油壓數(shù)據(jù)。通過對油壓數(shù)據(jù)的計算判斷提升機(jī)是否存在超載、張力不平衡等故障。上位機(jī)采用LabVIEW2009平臺[6-7]監(jiān)測罐籠深度信號、平衡裝置油壓，形象直觀。提升系統(tǒng)超載及鋼絲繩張力差在線監(jiān)測系統(tǒng)見圖1。

圖1 提升系統(tǒng)超載及鋼絲繩張力差在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 工作原理

國內(nèi)煤礦多繩摩擦式提升機(jī)大多采用半調(diào)壓的液壓式張力自動平衡裝置，4根鋼絲繩工作時連通油缸開啟的一側(cè)鋼絲繩張力相等，另一側(cè)平衡裝置失去效用，張力變化顯著時才對鋼絲繩進(jìn)行平衡。油壓傳感器安裝在罐籠上，主要采集繩張力作用下油缸內(nèi)對活塞壓力傳遞的承壓值，利用無線發(fā)射模塊將油壓傳感器數(shù)據(jù)及時發(fā)射到地面接收裝置上，通過無線轉(zhuǎn)換和RS485通信電纜傳輸至車房監(jiān)控臺上，根據(jù)監(jiān)測張力數(shù)據(jù)及平位信號(罐籠上、下平位到位信號)繪制張力變化曲線，計算和顯示罐籠的載重量和鋼絲繩張力差。提升前監(jiān)測到超載或其他故障可立即發(fā)出語音報警信號，并切斷提升安全回路，儲存報警數(shù)據(jù)。

由于井筒巖石對無線電磁波的吸收作用比較明顯，考慮井筒深度的不斷延伸和采集發(fā)射模塊隨提升容器運(yùn)動到井底時油壓數(shù)據(jù)無線信號傳輸至地面過程的強(qiáng)度變化，為保證接收井筒中部以下和以上的油壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的完整性，系統(tǒng)在井口及井筒中部偏下位置設(shè)計2個無線接收模塊。井筒和井口無線接收裝置均從井上供電，數(shù)據(jù)傳輸采取RS485通信方式。系統(tǒng)監(jiān)測原理見圖2。

圖2 提升系統(tǒng)超載及鋼絲繩張力差在線監(jiān)測原理

2.3 功能實現(xiàn)

2.3.1 張力數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置

張力信號采集電路以高性能單片機(jī)ATmega16L和12位多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543I為核心，單片機(jī)驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器對四路張力信號和充電電池電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行計算、打包、傳送至無線發(fā)射模塊。

2.3.2 無線數(shù)據(jù)接收裝置

由于井筒電磁信號干擾嚴(yán)重，而且井道對信號具有一定的削弱作用，通過測定單對模塊可以在井道可靠傳輸500m，設(shè)計2個無線數(shù)據(jù)接收器本安箱，分別安裝于井口和井筒中部，2個接收模塊能實現(xiàn)井深1000m的可靠無線傳輸。

2.3.3 提升容器位置監(jiān)測器

平位信號是提升容器到達(dá)上井口的信號。每提一勾采集一次提升容器平位信號，提供精確的到位信息,一方面可以修正提升容器位置信號，另一方面為上位機(jī)程序診斷故障提供時間依據(jù)。每臺提升機(jī)配備2個提升容器，設(shè)置2路平位信號。

3 結(jié) 語

某煤礦立井提升機(jī)鋼絲繩張力及超載監(jiān)測系統(tǒng)綜合運(yùn)用了無線傳輸、遠(yuǎn)程通訊、虛擬儀器等先進(jìn)測試技術(shù)及設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)測提升機(jī)載荷，對張力不平衡、提升超載等故障進(jìn)行報警，并自動準(zhǔn)確統(tǒng)計、記錄產(chǎn)量，實現(xiàn)礦井安全提升在線監(jiān)測。該系統(tǒng)在煤礦應(yīng)用以來，減少了提升機(jī)運(yùn)行中的安全隱患，對礦山安全開采意義重大。

[1] 張國棟,祁瑞敏.礦井提升機(jī)健康診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2013(5)：98-101.

[2] 馬 光,史二聽,曲立文，等.煤礦主提升設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].工礦自動化，2011(12):93-95.

[3] 張 平.鋼絲繩張力平衡裝置[J].科技傳播，2012(10)：122-123.

[4] 王增才,邵海燕,高 峰.多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測方法分析[J].煤礦機(jī)械，2002(5):72-74.

[5] 張海梅.鋼絲繩張力檢測技術(shù)淺議[J].黑龍江科技信息，2011(29)：71.

[6] 李正岱,劉文怡.多路信號采集器的硬件電路設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2008(2):220-222.

[7] 譚 磊.礦井提升載荷監(jiān)測裝置的設(shè)計[J].工礦自動化，2010(12):81-83.

2016-08-06)

孫建華(1987—)，男，助理工程師，031412 山西省霍州市。