钢丝绳张力及箕斗载重在线监测技术的研究与应用

　　摘要：根据《煤矿安全规程》第393条规定，立井提升容器和载荷，必须符合下列要求：箕斗提升必须采用定重装载。该规程由国家安全生产监督管理总局、国家煤礦安全监察局联合颁布。该条规定决定了该项技术应用在法律层面具有强制性，主立井箕斗的提升安全关乎全矿的安全生产，原煤自主井底通过箕斗提升至地面，必须确保箕斗装载吨位的准确性，严禁超载。在国内，箕斗因超载运行造成钢丝绳断裂并导致箕斗坠井的事故屡见不鲜。按照煤矿行业内的说法：《煤矿安全规程》的每条强制措施的规定都是重大事故催生的，也都是血和泪的教训总结。

　　关键词：钢丝绳张力;箕斗载重;在线监测技术;应用;

　　引言

　　当前，煤矿提升机继续向超深、重负荷、高速发展。同时，多il摩擦波提升系统的成熟度逐渐取代了单边提升系统。多il摩擦波提升系统的应用中，提升绳的电压不平衡严重影响了钢丝绳的使用寿命和整个提升系统的安全运行。伴随着电子技术的不断发展，传统的钢丝绳张力静态检测方法已不再适合现代煤矿建设企业的生产情况。当钢丝绳张力动态实时监测能够实现时，我们可以随时了解钢丝绳张力差的大小，及时采取措施提高矿井提升机的安全性。因此，钢丝绳张力在线监测系统的研究与开发对于当前确保矿井提升机安全尤为重要。国内外学者对钢丝绳张力动态监测方法进行了大量研究，由于实践中存在着巨大的局限性，相关技术成果无法得到很好的应用。

　　1称重原理

　　由安装在提升井塔顶部平台上的称重传感器采集提升系统总重量模拟量信号，主副天轮各由两件称重传感器采集信号，经可编程序控制器PLC运算处理，输出信号为两件传感器输出信号的叠加值，运算结果由触摸屏显示负载曲线和负载实时数据。主副天轮分别对应主副箕斗，当箕斗下降到主井底部装载点时打开电动闸门进行装载，地面提升机控制室的触摸屏实时显示装载煤炭重量，当装载煤炭重量达到设定值时关闭电动闸门，同时语音播报满载信息。当装载煤炭重量超过设定值及系统发生故障时播报相应语音。通过触摸屏能够对系统运行参数和保护参数进行设定。触摸屏能够输出音频信号，经过扩音后播报系统运行状态及系统故障等信息，同时具有系统运行超限及系统故障历史记录的查询功能。

　　2淘汰定量斗原因

　　随着科学技术的不断进步及过程装备的快速发展，尤其是动态称重技术的日趋成熟，定量斗式主井箕斗装载设备的缺点越来越显现，尤其是其装载工艺复杂落后。在使用的过程中，该设备出现了众多弊端，严重影响了煤矿主井提升的全面自动化。现代化矿井倡导“机械化换人、自动化减人”，具体要求以自动化控制减少人为操作，大力提高企业安全生产科技保障能力，并要求积极推进煤矿设备自动化、信息化、智能化、无人化等改造。在这些政策的背景下，复杂的定量斗式主井箕斗装载工艺就显得极为落后，这就是淘汰定量斗的主因所在。定量斗的具体缺点如下：(1)定量斗式主井箕斗装载系统工艺过于复杂，主井底装载硐室内设备众多，环境恶劣，无法实现真正的“无人值守”模式。(2)定量斗更换周期6a左右，更换周期频繁，更换及检修费时、费力，在更换过程中从井筒内下大件，危险系数非常高。(3)定量斗内物料的卸载完全是受自身重力产生的作用，当出现粘煤、潮煤时，自流不畅，容易出现堵仓、压仓的难题，定量斗的计量精度严重下降，给安全生产带来了诸多不确定性。(4)定量斗式主井箕斗装载系统共涉及9台设备，在正常运转过程中，日常的维护量、检修量都较为繁多。(5)安委办[2021]3号文规定，在井口和井筒内动火作业时，必须撤出井下所有作业人员。由于定量斗磨损快，经常需要动火焊接，给矿井安全生产带来诸多不利因素。

　　3系统总体设计

　　钢零件作为起重系统的支承构件，必须承受较大的载荷，作为记录钢零件应力的载荷传感器，其承载能力至少是实际载荷的13倍。传感器连接钢丝绳后，不得影响起重机械的原有结构或损坏钢丝绳，降低钢丝绳的强度。因此，安装负载传感器是一个重要的考虑因素。多股摩擦提升机通常使用自动平衡装置实现各钢丝绳之间的应力平衡。列车自动平衡装置主要采用闭环被动液压通信的原理，自动调节安装偏差、钢丝绳残馀应力等引起的列车偏差，更好地解决多样式摩擦提升塔零件的动态平衡问题。钢丝绳张力可以用自动应力平衡悬挂装置的特殊结构来检测，钢丝绳张力可以通过检测负载传感器数据来反映。如图2所示。将传感器安装在滑块和端口板之间。钢丝绳张力可以直接通过挤压载荷传感器测量，避免了起重系统的主要结构改造，对起重系统的结构强度没有影响。该系统结合了无线通信技术，整个系统主要由采集装置、上位机和配置监控界面三部分组成。采集装置包括传感器、无线采集和传输设备，上部计算机包括地面收发设备或井上PLC。当起重工具工作时，工人通过配置监控界面向上级计算机发送“采集”命令，然后上级计算机通过无线通信向采集设备发送控制命令。采集装置启动数据采集，并通过无线通信将采集的数据信息传输到上部计算机。收到数据信号后，上位机将数据信号传输到配置软件系统，经软件处理后显示并保存。如果不需要数据收集，只需发出Stop命令即可。由于监测系统的设计和安装是基于矿井提升仪器固有的结构，因此在规划监测和传感器系统时，有必要将它固定在矿井结构上，不改变原有的矿井结构模式。

　　4在线监测方案

　　煤矿提升机主要使用钢绳进行吊装作业。当钢件由于钢件对钢件施加一定压力而绕过提升机的皮带轮时，钢件的应力会连续传递到位于皮带轮底部的传感器装置，然后通过导线直接连接到数据处理装置。数据处理设备接收数据时，执行简单的处理和计算，然后通过串行接口将处理后的数据发送到计算机。计算机上安装了数据处理软件，以重新处理数据处理设备发送的数据。当钢丝绳测量电压超过正常阈值时，认为起重系统异常，同时发出报警。数据处理是监控系统的核心。传感器设备传输的数据属于模拟数量，而计算机处理的数据必须是数字数量，因此传感器设备数据必须转换并通过串行接口发送到计算机。为保证系统的可靠运行，监控系统的数据处理部分需要集成处理和必要的简化处理。数据处理部分电路主要由STC12C5A60S2单片机构建。该单片机集成了多达10位的数据转换芯片。通过应用这些芯片，传感器设备数据可以快速转换成数字，然后操作后数据由单片机初步计算，并通过串行接口传输到计算机上。该计算机主要采用RS232级，而单片机主要采用TTL级，因此发送的数据信号需要从MAX232芯片转换，以满足数据传输的基本要求。

　　结束语

　　相较于定量斗式装载系统，定重给煤机式主井箕斗智能装载系统的最大特点是：装载过程简单实用。在动态称重技术完全成熟的情况下，定量斗静态称重，所采用实物校验的原理日趋落后，其装载工艺完全属于淘汰落后工艺范畴。定重给煤机可成功地解决“二次装载”这一世界难题。所谓“二次装载”，就是箕斗没有卸载完毕，进入下一次循环装载，定量斗闸门打开，斗体内原煤全部倾倒入箕斗，造成箕斗严重超载，给主井提升系统带来灾难性后果。定重给煤机根据箕斗内剩余的原煤量，进行灵活差额补偿，确保箕斗不超载。

　　参考文献

　　[1]张子明，孟翠翠，贾俊博.煤矿主井箕斗装载称重装置研究与应用[J].山东煤炭科技，2022，40(01)：144-146.

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　　推荐阅读：煤矿机电设备的故障检测与诊断技术