王 影，周敬勇

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 合肥 238000)

多繩摩擦提升機(jī)由多根鋼絲繩共同承擔(dān)提升運(yùn)行，是我國各大煤礦的主要提升設(shè)備。鋼絲繩張力的不平衡、過載等現(xiàn)象是危害鋼絲繩使用壽命的主要因素，為了提高礦井的提升安全，需對其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。為此，國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)手段主要分為接觸式和非接觸式，接觸式檢測方法主要有串接方法、三滾輪法、五點(diǎn)彎曲法、振動波法、力電轉(zhuǎn)換法[1-3]，優(yōu)點(diǎn)在于可靠性及抗干擾能力較好；非接觸式檢測方法主要有磁通密度法、磁彈效應(yīng)法[4-5]，優(yōu)點(diǎn)在于檢測精度及壽命等更高。為了兼顧接觸式和非接觸式檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了全新的基于接觸式摩擦襯墊壓力轉(zhuǎn)換的鋼絲繩張力非接觸無線檢測方法。

1 接觸式摩擦襯墊壓力檢測方法

在每臺提升機(jī)根據(jù)鋼絲繩數(shù)量安裝相應(yīng)數(shù)量的傳感器，襯墊所受的壓力可以很好的反應(yīng)出鋼絲繩的張力，如圖1所示。每根繩槽均勻布置8個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器對稱安裝在摩擦輪的襯墊里面。通過測量襯墊所受壓力轉(zhuǎn)換為鋼絲繩張力，進(jìn)而測得各鋼絲繩間張力差，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理鋼絲繩張力差過大的情況。

圖1 接觸式摩擦襯墊壓力檢測方法

2 襯墊壓力與鋼絲繩張力關(guān)系分析

鋼絲繩的彈性變形從相遇點(diǎn)到分離點(diǎn)b隨著張力的減小而變小，由于摩擦襯墊和提升鋼絲繩都是彈性體，在張力的作用下會產(chǎn)生彈性變形，在工作過程中有彈性蠕動，因此提升鋼絲繩與摩擦襯墊之間將不可避免的要產(chǎn)生相對滑動。提升鋼絲繩與摩擦襯墊之間的相對滑動只發(fā)生在蠕動弧內(nèi)αR，靜止弧αR-α內(nèi)鋼絲繩各點(diǎn)張力相等，彈性伸長量也相同，鋼絲繩與摩擦襯墊之間沒有相對滑動，也沒有摩擦力存在。在蠕動角αR內(nèi)，提升鋼絲繩與摩擦襯墊之間有相對滑動，提升鋼絲繩的張力大小從Sy逐漸減小到S1，提升鋼絲繩的張力變化符合歐拉公式；在靜止角γ內(nèi)，鋼絲繩張力沒有變化，如公式(1)

(1)

(2)

從載荷情況看，提升鋼絲繩對摩擦輪作用有徑向壓力，同時(shí)也作用有切向摩擦力，徑向壓力作用于整個(gè)圍包弧內(nèi)。由于提升鋼絲繩與摩擦襯墊之間的相對滑動只發(fā)生在蠕動弧內(nèi)，因此，提升鋼絲繩作用于摩擦輪的切向摩擦力只存在于蠕動弧內(nèi)。通過傳感器可以測得鋼絲繩對摩擦襯墊的壓力，在摩擦輪的襯墊里面沿圓周方向均勻布置8個(gè)傳感器，相鄰傳感器之間的角度為45°，可得鋼絲繩張力S1與襯墊壓力傳感器F1和F2關(guān)系如公式(3)和(4)，中間變量μ為摩擦系數(shù)。

(3)

(4)

3 襯墊傳感器設(shè)計(jì)

襯墊傳感器采用輪輻式結(jié)構(gòu)，由輪箍、輪輻和輪轂和上受力體組成，為一體式設(shè)計(jì)，提高了彈性體的強(qiáng)度和精度，如圖3所示。其中輪輻相當(dāng)于一根兩端固定的梁，連接于輪箍和輪轂間。上受力體與輪箍之間留有一安全間隙0.5mm，能在傳感器過載時(shí)起到安全保護(hù)的作用。為了克服集中應(yīng)力的影響，在它們的連接處設(shè)置過渡圓弧，傳感器擬安裝在摩擦輪襯墊內(nèi)部，通過測襯墊所受壓力來間接推出鋼絲繩張力。因此在襯墊中心加工一與彈性體尺寸一致的槽，這樣能在滿足對襯墊強(qiáng)度影響較小的要求。襯墊安裝在摩擦輪槽內(nèi)，與提升鋼絲繩配合使用，能有效減小摩擦輪及鋼絲繩的磨損。將襯墊壓力傳感器安裝到礦井摩擦提升機(jī)滾筒內(nèi)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 襯墊傳感器安裝現(xiàn)場

4 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳輸系統(tǒng)基于ZIGBEE的信號無線傳輸部分，ZIGBEE局域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)兩部分。ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)壓力信號的采集和無線傳輸，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上。ZIGBEE的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)

無線通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括傳感器電路設(shè)計(jì)、ZigBee節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)，以及電源電路設(shè)計(jì)、天線配置電路設(shè)計(jì)等功能模塊的設(shè)計(jì)。傳感器電路負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息，ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和無線傳輸，ZigBee節(jié)點(diǎn)中的微控制器選擇的是CC2530芯片。ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。在ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)無線傳輸方案下，其信號無線傳送距離≥100m。基于協(xié)議棧的無線透傳程序執(zhí)行流程圖如圖5所示，時(shí)鐘節(jié)奏Timer定義為1ms。采用上述方式的無線傳輸，襯墊壓力傳感器以每秒6 000點(diǎn)的速度采集數(shù)據(jù)，采集來的各組數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換和高頻調(diào)制等處理后，被本安隔爆無線采集器采集和存儲。采集器經(jīng)磁感應(yīng)觸發(fā)器觸發(fā)后上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可被電磁信號接收裝置接收。電磁信號接收裝置接收到信號后，將信號進(jìn)行放大、帶通濾波等處理，再通過電腦軟件進(jìn)行分析對比，若數(shù)據(jù)值超范圍就會報(bào)警提示。

圖5 協(xié)議棧執(zhí)行流程

5 結(jié)論

本文針對礦井提升過程中存在的張力不平衡問題，根據(jù)提升機(jī)和襯墊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)兼顧接觸式和非接觸式檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了全新的基于接觸式摩擦襯墊壓力轉(zhuǎn)換的鋼絲繩張力非接觸無線檢測方法。通過計(jì)算鋼絲繩張力及絞車筒殼壓力模型，構(gòu)建了力學(xué)轉(zhuǎn)換對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了襯墊壓力對鋼絲繩張力的推算。設(shè)計(jì)的高精度輪輻式壓力傳感器和無線傳輸方式能夠較好的完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。