張 新，鄭余勝，光 昌，劉 雷，董世民

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.安徽礦山機(jī)電裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 淮南 232001)

1 概 述

多繩摩擦式升機(jī)是我國(guó)各大煤礦的主要提升設(shè)備，它由多根鋼絲繩共同承擔(dān)提升載荷重量，在運(yùn)行過(guò)程中由于鋼絲繩彈性變形不同而導(dǎo)致鋼絲刷張力不平衡[1]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，摩擦提升裝置中任一根提升鋼絲繩的載荷與平均載荷之差不得超過(guò)±10%。隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，迫切需要對(duì)鋼絲繩張力進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)[2]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方式有以下兩種，一種是將油壓傳感器安裝在平衡油缸的回路上[3]，油壓傳感器安裝方式如圖1所示；第二種是將壓力傳感器安裝于箕斗連接裝置中[4]，介于油缸活塞和壓塊間，應(yīng)變式壓力傳感器安裝方式如圖2所示。第一種方式存在液壓油泄露，導(dǎo)致精度降低，第二種方式縮短了油缸的行程，且兩種方式都存在信號(hào)傳輸困難，安裝維修不便，很難在礦上進(jìn)行推廣。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上[5-7]，為避免上述方式的不足，結(jié)合礦井特殊的工礦環(huán)境，設(shè)計(jì)了專為測(cè)量提升機(jī)鋼絲繩張力的襯墊壓力傳感器，通過(guò)測(cè)量鋼絲繩對(duì)襯墊的壓力來(lái)獲得鋼絲繩的張力，該方式安裝簡(jiǎn)單、快捷、方便，信號(hào)傳輸距離短，穩(wěn)定性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩張力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

圖1 油壓傳感器安裝圖

圖2 應(yīng)變式壓力傳感器安裝圖

2 系統(tǒng)檢測(cè)原理

摩擦式提升機(jī)的襯墊在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)受到鋼絲繩的壓力，本文將壓力傳感器安裝在提升機(jī)滾筒襯墊內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量襯墊所受壓力轉(zhuǎn)換為鋼絲繩的張力，壓力傳感器的安裝方式如圖3所示，傳感器的引線通過(guò)滾筒上特制空心螺栓引入到提升機(jī)滾筒的內(nèi)部，信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集發(fā)射裝置安裝在滾筒內(nèi)的輻板上，襯墊壓力傳感器的信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸方式給上位機(jī)，上位機(jī)再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。

圖3 襯墊壓力傳感器的安裝示意圖

3 襯墊壓力模型的計(jì)算

提升機(jī)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，鋼絲繩對(duì)滾筒襯墊的壓力在圍包角內(nèi)隨角度的變化而變化。為了準(zhǔn)確掌握鋼絲繩在不同位置時(shí)張力和其對(duì)襯墊的壓力的函數(shù)關(guān)系。襯墊壓力分析如圖4所示，圖4中4個(gè)涂黑部分為襯墊壓力傳感器的安裝位置，當(dāng)滾筒順時(shí)針以等速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Sl為滾筒相離點(diǎn)的張力；Sy為滾筒相離點(diǎn)的張力；λ為摩擦??；γ為靜止?。沪翞殇摻z繩的圍包角；在傳動(dòng)瞬時(shí)，由歐拉公式可知[8，9]，鋼絲繩的張力沿圓周在λ內(nèi)是按指數(shù)變化規(guī)律不斷變化的，在靜止弧內(nèi)張力不變。

圖4 襯墊壓力分析圖

取鋼絲繩中的一個(gè)微段弧AB為研究對(duì)象，其中心角為dφ，A端的張力S，B端的張力為S+dS，微元段上鋼絲繩與襯墊之間的壓力為dN，滾筒的摩擦力dF=μdN，在某一瞬時(shí)，張力S在摩擦弧λ之內(nèi)按照歐拉公式分布，可得下式[10-16]：

S=Sleμφ(0≤φ≤λ)

(1)

由受力平衡∑Fx=0可知：

由于dφ很小，可近似認(rèn)為sin(dφ/2)≈dφ/2；dS×dφ/2趨近于0，所以可得：

dN=Sdφ

(3)

摩擦輪上單位面積所受的壓力P(φ)為：

將式(1)代入式(4)，當(dāng)n=4時(shí)，即可得襯墊的壓力與鋼絲繩的張力關(guān)系為：

由式(5)可得出鋼絲繩張力S(φ)的換算公式為：

S(φ)=2P(φ)dkD

(6)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要的誤差源主要來(lái)源于間接測(cè)量誤差，間接測(cè)量誤差的計(jì)算如下：

由式(2)可知：

摩擦輪上實(shí)際單位面積所受的壓力P0(φ)為：

即測(cè)量誤差e(φ)等于：

將式(6)代入式(9)可得：

式中，Sl為滾筒相離點(diǎn)的張力；α為鋼絲繩的圍包角，rad；λ為摩擦弧，rad；μ為摩擦因數(shù)。n為鋼絲繩的根數(shù)，dk為鋼絲繩的直徑，m；D為摩擦輪的直徑，m；P(φ)為襯墊的比壓，kPa。

由式(5)知，襯墊所受的壓力P(φ)與鋼絲繩的張力S(φ)成正比，襯墊的壓力分布曲線如圖5所示，不同摩擦因數(shù)下襯墊壓力曲線如圖6所示。

圖5 襯墊壓力分布曲線圖

圖6 不同摩擦因數(shù)下襯墊壓力曲線圖

《煤炭工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定提升過(guò)程中鋼絲繩的最大張力比應(yīng)該不大于摩擦輪常數(shù)eμα=2.34，現(xiàn)取圍包角α=195°，摩擦因數(shù)μ=0.25，并對(duì)比當(dāng)μ=0.35和μ=0.45時(shí)襯墊壓力的曲線圖。當(dāng)襯墊在運(yùn)行過(guò)程中由于溫升導(dǎo)致摩擦因數(shù)的變化將會(huì)對(duì)鋼絲繩的張力及襯墊的壓力產(chǎn)生很大的影響。

4 系統(tǒng)硬件組成

該監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要有傳感器、信號(hào)調(diào)理器、無(wú)線收發(fā)模塊和電源四部分組成。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖7所示。無(wú)線收發(fā)模塊和供電電源的選擇如下：

圖7 鋼絲繩張力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件方案圖

4.1 無(wú)線收發(fā)模塊的選擇

無(wú)線收發(fā)模塊主要包括無(wú)線采集發(fā)射器和無(wú)線接收器，它主要完成對(duì)傳感器壓力信號(hào)的拾取和采集，以及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。由于采用無(wú)線傳輸，要求其抗干擾能力強(qiáng)，頻率穩(wěn)定性極好靈敏度高，本文選用傳輸距離遠(yuǎn)，低功耗的433MHz的NF905芯片射頻傳輸模塊，利用SPI口實(shí)現(xiàn)與MSP430雙向通訊。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)每根鋼絲繩對(duì)應(yīng)的壓力傳感器輸出的電壓進(jìn)行采樣，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到PC端。

4.2 供電電源的選擇

由于無(wú)線數(shù)據(jù)采集發(fā)射器的安裝在提升機(jī)滾筒的輻板上，無(wú)法鋪設(shè)電纜，只能采用電池電源供電。煤礦設(shè)備對(duì)蓄電池有著嚴(yán)格的要求，只能選用礦用蓄電池，通過(guò)對(duì)比，選擇磷酸鐵鋰電池，滿足其高電壓、高能量的要求。既節(jié)約了成本，又節(jié)省了空間。

5 工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)檢測(cè)工況的要求，設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)軟件。通過(guò)對(duì)每根鋼絲繩的張力進(jìn)行檢測(cè)，獲得每根鋼絲繩的張力數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)后臺(tái)對(duì)比運(yùn)行，實(shí)時(shí)反映鋼絲繩的張力情況。為檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性，該裝置在淮南礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示每根鋼絲繩的張力值、張力變化曲線圖及歷史數(shù)據(jù)曲線查看，同時(shí)在出現(xiàn)超載、鋼絲繩張力不平衡時(shí)，可進(jìn)行相應(yīng)的故障報(bào)警。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鋼絲繩張力如圖8所示。

圖8 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鋼絲繩張力曲線圖

6 結(jié) 論

1)通過(guò)測(cè)量鋼絲繩對(duì)襯墊的壓力來(lái)獲取鋼絲繩的張力，解決了長(zhǎng)期困擾的鋼絲繩張力信號(hào)傳輸困難、安裝維修不便的問(wèn)題。

2)通過(guò)將壓力傳感器安裝在滾筒繩槽襯墊的內(nèi)部，安裝簡(jiǎn)單、快捷、方便，信號(hào)傳輸距離短，穩(wěn)定性強(qiáng)。

3)研究了鋼絲繩張力與其對(duì)襯墊壓力的函數(shù)關(guān)系式以及襯墊的壓力分布曲線圖，可準(zhǔn)確地測(cè)量鋼絲繩的張力。

4)運(yùn)用了無(wú)線傳輸和虛擬儀器等先進(jìn)測(cè)試技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鋼絲繩的張力，對(duì)張力不平衡、提升超載等故障進(jìn)行報(bào)警。