第46屆等級獎論文---煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置優(yōu)化設計及應用
通用公司??張子明??
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摘 ?要 ?將小康礦南翼絞車天輪改裝成機械式稱重測力機構，采用兩件稱重傳感器采集信號，分別安裝在天輪軸兩端，輸出信號經可編程控制器PLC運算處理，由液晶顯示屏直觀地顯示鋼絲繩張力值和負載曲線，張力超限時音箱發(fā)出語音報警，為絞車司機操作提供準確信息，確保絞車安全運行。
關鍵詞 ?鋼絲繩張力在線監(jiān)測優(yōu)化設計應用
1引言?
煤礦井下斜巷運輸是礦井運輸?shù)闹匾M成部分和重要環(huán)節(jié)，斜巷串車提升在煤礦運輸系統(tǒng)中占有相當大的比重。煤礦斜巷運輸環(huán)境條件復雜，運輸斜巷距離長、彎道多、變坡多，對絞車安全運行造成不利影響。以往絞車司機只能按信號操作，一旦發(fā)生礦車掉道或側翻等事故時無法及時發(fā)現(xiàn)，如果斜巷絞車繼續(xù)拉車運行，容易發(fā)生絞車過載及牽引鋼絲繩破斷，造成機械及人身事故，形成安全隱患。煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置應適應不同地質條件特點，采取靈活的信號采集方式，才能實現(xiàn)絞車鋼絲繩張力的在線實時監(jiān)測、顯示和報警，從而保證斜巷運輸絞車安全運行，確保煤礦安全生產。?
2優(yōu)化設計技術原理
2.1力學模型及傳感器受力分析
煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置優(yōu)化設計力學模型及傳感器受力分析見圖1。
???圖1 ?力學模型及稱重傳感器受力分析
2.2建立PLC運算方程
F＝P1＋P2－W ???????（1）
式中：P1、P2：兩個傳感器測量的分力，kN；
W：測力輪軸自重kN；
F：F1、F2對稱重傳感器產生的合力,kN；
F1、F2：鋼絲繩張力kN。
測力輪軸軸套摩擦阻力可忽略不計，亦即：F2≈F1；
α、β：鋼絲繩與傳感器受力方向形成的夾角。
建立PLC運算公式：
F＝F1cosα＋F2cosβ ?（2）
2.3設備構成及工作原理
2.3.1設備構成
煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置由機械式稱重測力機構和電氣部分組成。
2.3.2優(yōu)化設計前機械式稱重測力機構
優(yōu)化設計前機械式稱重測力機構由壓繩輪、機架、測力輪、稱重傳感器、橫梁和測力輪軸組件等組成。優(yōu)化設計前機械式稱重測力機構見圖2。
圖2 ?優(yōu)化設計前機械式稱重測力機構
1——壓繩輪；2——機架；3——測力輪；4——稱重傳感器；5——橫梁；6——測力輪軸組件
優(yōu)化設計前機械式稱重測力機構外形尺寸：1992×1770×1730mm，重量：1800kg。由于自身重量和外形尺寸大，不利于在煤礦井下運輸及安裝，影響推廣應用。測力輪軸組件在橫梁上平移阻力大，絞車鋼絲繩排繩到滾筒兩側時壓繩輪與鋼絲繩摩擦使鋼絲繩徑向旋轉產生扭勁和自身纏繞現(xiàn)象，對鋼絲繩造成損傷，影響使用壽命。容易對把鉤操作工人造成傷害，存在安全隱患。
2.3.3優(yōu)化設計后機械式稱重測力機構
經過優(yōu)化設計的機械式稱重測力機構由絞車天輪總成改裝而成，由天輪軸、稱重傳感器、天輪、枕座、黃銅套和定位套等組成。
將煤礦斜巷絞車天輪總成改裝成機械式稱重測力機構，天輪套裝于軸上，天輪內孔與軸間鑲有黃銅套，天輪與黃銅套經過盈配合裝配成一體，絞車鋼絲繩從天輪上部繩槽通過。絞車運行時鋼絲繩帶動天輪以天輪軸為中心回轉，天輪與天輪軸之間采用黃甘油潤滑，具有承載能力強、運行阻力小和使用壽命長等優(yōu)點。天輪總成改裝的機械式稱重測力機構見圖3。
圖3 天輪總成改裝的機械式稱重測力機構
1——天輪軸；2——稱重傳感器；3——天輪；4——枕座；5——混凝土基礎；6——黃銅套；7——定位套
天輪軸兩端側面和下部加工成平面，下平面向上加工成圓弧底面圓孔，該圓孔與稱重傳感器弧形頂面圓柱凸臺進行裝配，軸端圓孔直徑略大于傳感器凸臺直徑，圓孔深度略小于凸臺高度，稱重傳感器凸臺嵌入圓孔中，起到支撐和定位的作用，使壓力更好地傳遞到稱重傳感器。圓弧面接觸能夠增大接觸面積，改善傳感器受力效果，避免局部應力造成傳感器損壞，延長傳感器使用壽命。軸端徑向水平方向兩側預留合理間隙，避免影響壓力傳遞到稱重傳感器而出現(xiàn)測量誤差。機械式稱重測力機構水平安裝，使稱重傳感器垂直受力。天輪軸與傳感器裝配見圖4。
圖4 天輪軸與傳感器裝配圖
天輪軸兩端分別設置定位套，并使用平頭頂絲定位。設備初安裝時將天輪鎖定在天輪軸中間，使天輪總成保持平衡，方便吊裝和運輸；設備運行時定位在天輪軸兩端，能夠控制天輪水平位移量，約束鋼絲繩受力方向和角度，避免絞車在天輪附近彎道拉放車時天輪平移到極限位置引發(fā)礦車發(fā)生掉道事故。定位套寬度根據天輪到附近彎道距離確定。
2.3.4電氣部分
電氣部分由可編程電氣控制箱、稱重傳感器、液晶顯示屏、報警音箱和礦用控制電纜等組成。電氣原理框圖見圖5。
圖5 ?電氣原理框圖
2.3.5設備現(xiàn)場布置方式
利用絞車鋼絲繩出繩方向巷道傾角和運輸斜巷傾角形成的地勢的凸起，在凸起的最高點安裝由天輪總成改裝而成的機械式稱重測力機構，使鋼絲繩和稱重傳感器受力方向形成一個夾角。機械式稱重測力機構安裝在混凝土基礎上。
天輪前后方向各設置支撐輥將鋼絲繩抬高，在天輪和支撐輥之間人為形成一個相對穩(wěn)定的運行區(qū)間，防止張力變化時發(fā)生鋼絲繩飄繩和抖動對采集信號的擾動，保持區(qū)間內鋼絲繩運行的穩(wěn)定性，提高測量精度。煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置設備現(xiàn)場布置方式見圖6。
圖6 ?設備現(xiàn)場布置方式
運行過程中天輪以天輪軸為中心進行回轉的同時，隨絞車鋼絲繩排繩方向水平移動，能夠減小平移阻力，避免鋼絲繩與天輪輪沿摩擦使鋼絲繩徑向旋轉產生扭勁和自身纏繞現(xiàn)象對鋼絲繩損傷以及對把鉤操作工人形成傷害，消除安全隱患。天輪隨絞車滾筒排繩方向平移使鋼絲繩趨于直線，能夠有效改善鋼絲繩受力狀態(tài)、減少鋼絲繩磨損，延長鋼絲繩使用壽命。絞車鋼絲繩排繩及天輪平移示意圖見圖7。
圖7 絞車鋼絲繩排繩及天輪平移示意圖
2.2.6工作原理
礦用絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置采用間接測量的方法，首先對原絞車天輪總成進行優(yōu)化設計，將原絞車天輪總成改裝成機械式稱重測力機構，運用稱重傳感器采集鋼絲繩作用在測力輪軸上的壓力，得出的重力值減去測力輪軸組件的自重，根據鋼絲繩與測力輪軸和傳感器的受力夾角，精確換算得出鋼絲繩實際張力值。采用兩件稱重傳感器分別安裝在天輪軸兩端，天輪隨絞車鋼絲繩排繩方向平移時稱重傳感器受力發(fā)生交替偏載，兩件稱重傳感器輸出信號自動相互補償，能夠有效提高測量精度?？删幊炭刂破?/span>PLC將兩件稱重傳感器輸出信號疊加運算，由液晶顯示屏實時直觀地顯示出鋼絲繩的張力值和負載曲線，視覺效果一目了然。當鋼絲繩張力超限時根據超限程度由音箱發(fā)出清晰語音預警和報警，提示絞車司機安全操作。
3應用效果分析?
經過優(yōu)化設計，拓展了煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置應用條件，進一步完善了產品技術性能，提高了設備運行的安全性和可靠性。
（1）技術原理科學合理，首先測量鋼絲繩張力對測力輪軸形成的壓力，得出的數(shù)值減去測力輪組的自重，根據鋼絲繩與測力輪軸和傳感器的受力夾角，精確換算得出鋼絲繩實際張力值。采用兩只稱重傳感器采集信號，可編程控制器PLC將兩個信號疊加運算，由液晶顯示屏直觀地顯示出鋼絲繩的張力數(shù)值和負載曲線，視覺效果一目了然。
（2）傳感器安裝結構新穎，天輪軸兩端側面和下部加工成平面，下平面向上加工成圓弧底面圓孔，該圓孔與傳感器弧形頂面圓柱凸臺進行裝配，圓孔直徑略大于凸臺直徑，圓孔深度略小于凸臺高度，傳感器凸臺嵌入圓孔中，起到支持和定位的作用，使壓力更好地傳遞到稱重傳感器。圓弧面接觸能夠增大接觸面積，改善傳感器受力效果，避免局部應力造成的傳感器損壞，延長傳感器使用壽命。
（3）利用絞車安裝現(xiàn)場形成的地勢凸起，把原安裝在地勢凸起的天輪改裝成機械式稱重測量機構，使鋼絲繩張力和稱重傳感器受力方向形成夾角，采集不同張力時鋼絲繩作用于稱重輪軸上的壓力信號，實現(xiàn)在線測量和實時顯示及超限報警。
（4）采用兩件稱重傳感器，傳感器對稱布置在天輪軸兩端，天輪隨絞車鋼絲繩排繩方向平移時稱重傳感器受力發(fā)生交替偏載，兩件稱重傳感器輸出信號自動相互補償，能夠確保測量精度。
（5）運行過程中天輪以天輪軸為中心回轉的同時隨絞車鋼絲繩排繩方向水平移動，能夠減小平移阻力，避免鋼絲繩與天輪輪沿摩擦使鋼絲繩徑向旋轉產生扭勁和自身纏繞現(xiàn)象對鋼絲繩損傷以及對把鉤操作工人形成傷害，消除安全隱患。天輪隨絞車滾筒排繩方向平移使鋼絲繩趨于直線，能夠有效改善鋼絲繩受力狀態(tài)、減少鋼絲繩磨損，延長鋼絲繩使用壽命。
（6）天輪前后方向各設置支撐輥將鋼絲繩抬高，在天輪和支撐輥之間人為形成一個相對穩(wěn)定的運行區(qū)間，防止張力變化時發(fā)生鋼絲繩飄繩和抖動對采集信號的擾動，保持區(qū)間內鋼絲繩運行的穩(wěn)定性，提高測量精度。
（7）在天輪兩側設置雙功能定位套，設備初安裝時將天輪鎖定在天輪軸中間，使天輪總成整體保持平衡，方便吊裝和運輸；設備運行時定位在天輪軸兩端，能夠控制天輪水平位移量，約束鋼絲繩受力方向和角度，避免絞車在天輪附近彎道拉放車時天輪運行到極限位置發(fā)生礦車掉道事故。
（8）電源供電、信號采集、信號傳輸、信息顯示和語音報警等環(huán)節(jié)設備全部采用固定安裝方式，提高設備運行的安全性和可靠性。
（9）煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置運行時輸出開關量信號，該信號接入絞車控制系統(tǒng)，為絞車運行提供前提條件，實現(xiàn)聯(lián)鎖控制。
（10）經調試和精度測試，系統(tǒng)響應迅速，顯示精度≤±5%，報警語音清晰宏亮。煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置運行穩(wěn)定，使用效果良好。
4結語
利用煤礦斜巷絞車現(xiàn)場自然地質條件，將絞車天輪總成改裝成機械式稱重測力機構，結構得到極大簡化，減小了外形尺寸和重量，降低了制造成本和維護成本，更便于設備在煤礦井下運輸及安裝，有利于斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置在煤礦井下的推廣應用。實現(xiàn)了煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線實時測量和同步顯示及超限報警，能夠根據不同規(guī)格絞車及鋼絲繩的承載能力設定保護參數(shù)；能夠實現(xiàn)數(shù)據遠傳，實現(xiàn)集中控制和遠程監(jiān)控；能夠調取設備超限運行歷史記錄，實現(xiàn)井下斜巷運輸安全科學管理；能夠提供及時準確的設備運行信息，發(fā)現(xiàn)問題及時合理處置，做到防患于未然；能夠有效避免斜巷絞車運輸事故的發(fā)生，有利促進煤礦安全生產。經過優(yōu)化設計的煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置于2019年10月26日在小康礦南翼絞車投入實際應用，設備運行狀況良好。
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作者簡介：張子明（1967-），男，高級工程師。2013年畢業(yè)于東北大學機械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)任遼寧通用重型機械股份有限公司技術研發(fā)中心主任工程師，聯(lián)系電話：13065232816。
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