（机械电子工程专业论文）基于labview的矿井提升载荷在线监测系统.pdf

摘 要 摘要 矿井提升系统作为联系井上井下的主要运输工具，其运行状态直接关系到矿 井的安全生产。由于原煤受水分和矸石含量等因素影响，其容重和粘滞性变化较 大，在箕斗卸载过程中经常会发生滞煤现象。如不及时发现必然会发生“二次装 载”而导致过载情况的产生。为保证提升安全，防止过载和钢丝绳张力不平衡事 故的发生，研究矿井提升载荷在线监测系统是非常必要的。 本文将图形化编程语言l a b v i e w 应用到矿井提升载荷在线监测系统，设计 了一种钢丝绳张力传感器，将传感器安装在箕斗张力自动平衡悬挂装置的托架和 油缸之间，实现钢丝绳张力的在线测量。由于是动态在线测量，钢丝绳的张力信 号采取无线发射和接收的方式。测得的张力信号经调理后进入电磁信号发射及接 收装置，经过计算机分析处理可实时显示箕斗的装卸载情况，及时发现箕斗中是 否有滞煤情况，有效地防止“二次装载”。同时可在线监测钢丝绳张力平衡情况， 当出现过载、未卸空和钢丝绳张力不平衡时，系统会及时报警。 本文应用l a b v i e w 开发的矿井提升载荷在线监测系统，主界面丰富，可直 观反映箕斗的装卸载情况，对钢丝绳张力进行图形显示和数据显示。通过实验室 模拟实验，系统能实现设计的各种功能。 图6 3 表5 参5 3 关键词：提升载荷；二次装载；在线监测；钢丝绳张力；l a b v i e w ； 分类号：t h 2 2 1 a b s t r a c t a st h em o s ti m p o r t a n tm e a n so fc o n v e y a n c ew h i c hc o n n e c tg r o u n d t ou n d e r r o u n d i nt h em i n e ，m i n eh o i s t i n gs y s t e m sr u n n i n gs t a t u sh a s i n f l u e n c e o nt h es a f e t y p r o d u c t i o no fc o a lm i n e d u et ot h em o i s t u r ec o n t e n t ，g a n g u ec o n t e n ta n ds oo n , r a w c o a l sd e n s i t ya n dv i s c o s i t yc h a n g e sg r e a t l y , c o a ls l o w - m o v i n go f t e no c c u r sw h i l et h e s k i pu n l o a d i n g t h es e c o n d a r yl o a dt h a to f t e np r o d u c e sa n dc a u s e st oa p p e a ro v e r l o a d i fc o a ls l o w m o v i n gd o e s n tf i n di m m e d i a t e l y t op r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fo v e r l o a d a n du n b a l a n c eo ft h e t e n s i o n sa m o n gt h eh o i s t i n gr o p e s ，g u a r a n t e et h es a f ep r o d u c t i o n o fh o i s t i n g ，t h er e s e a r c ho fo n 1 i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rl i f t i n gl o a do f m i n es h a f ti s v e r ye s s e n t i a l t h i sa r t i c l ea p p l i e dap r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c hc a np r e s e n ti nf i g u r e sa n d d i a g r a m s l a b v i e w , at e n s i o no f w i r er o p es e n s o ri sd e s i g n e d ，t h es e n s o ri si n s t a l l e d b e t w e e nb r a c k e ta n df u e lt a n ko ft e n s i o nt ob a l a n c et h eh o i s t i n gd e v i c ea u t o m a t i c a l l y i ns k i p ，a c h i e v i n gw i r er o p et e n s i o nm e a s u r e m e n t t h et e n s i t ys i g n a li se n t e r e dt h e e l e c t r o m a g n e t i s ms i g n a ll a u n c ha n dt h er e c e i v i n gd e v i c ea f t e r d a t aa n a l y s i s ，t h e n e n l a r g e da n dc r o s s e dt h eb a n dp a s sf i l t e r , s e n ti nt h ec o m p u t e rt oa n a l y s i s ，p r o c e s s e d a n dd e m o n s t r a t e d w h e no v e r l o a d i n g ，n o td i s c h a r g i n ge m p t ya n dr o p e t e n s i o n i m b a l a n c e ，t h es y s t e mw i l le a r l yo nt h ec o r r e s p o n d i n gm a l f u n c t i o na l e r t t h i sa r t i c l ea p p l i e st h el a b v i e wt od e v e l o pt h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o r l i f t i n gl o a do fm i n es h a f t ，t h em a i ni n t e r f a c ei sr i c h ，i ta l s or e f l e c t st h es k i pu n l o a d i n g s i t u a t i o n ，c a r r i e so nt h eg r a p h i c a ld i s p l a ya n dt h ed a t ad e m o n s t r a t i o n t h r o u g ht h e l a b o r a t o r ys i m u l a t i o n , t h a ts y s t e mc a ne a r l yo u tk i n d s o fd e s i g nf u n c t i o n f i g u r e6 3 t a b l e5r e f e r e n c e5 3 k e y w o r d s ：h o i g i n gl o a d ，s e c o n d a r y l o a d ，o n l i n em o n i t o r i n g ，w i r e r o p et e n s i o n , l a b v i e w c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 2 2 1 i i 引言 引言 多绳摩擦提升机是我国各大煤矿的主要提升设备，它的安全高效运行直接关 系到煤矿的安全生产，随着科学技术的发展，提升系统的安全监控越来越完善。 但是提升载荷的动态在线监测问题一直没能很好解决。箕斗卸载时由于煤的粘滞 性而常常会发生箕斗内留有滞煤，如果不能即时发现并清理箕斗内滞煤，必然会 发生“二次装载”产生过载的安全隐患，严重时会发生断绳等重大安全事故。钢 丝绳张力不平衡也是导致单根钢丝绳超载的原因之一，直接影响煤矿的安全生产。 因此如何在提升系统正常运行的情况下，借助先进的传感器技术、动态测试技术 及计算机信息处理技术，实时掌握提升载荷的情况，在出现异常的情况时及时报 警，防止事故的发生，成为煤炭安全生产中急需解决的问题。 虚拟仪器技术是一种可视化界面的仪器概念，其专用开发平台软件l a b v i e w 是当今最完善、影响力最大的一种图形化编程语言，由于他的界面和功能与真实 仪器十分相像，并且具有简洁直观的程序框图和友好的图形化界面，因此被广泛 应用监控和测量场合。将虚拟仪器应用于提升载荷的在线检测是一种有益的尝试。 本文应用l a b v i e w 2 0 1 0 开发了矿井提升载荷的在线监测系统。完成了该监 测系统的整体设计以及相关硬件设计及选型，用l a b v l e w 软件进行了各功能模 块软件编程，实现了提升载荷的在线监测。 安徽理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究目的及意义 多绳摩擦提升机是我国各大煤矿的主要提升设备。担负着提升煤炭、矿石和 矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，它在采矿生产中占有极其重要的地位， 有矿井“明喉”之称。 多绳摩擦提升机是由多根钢丝绳共同承担箕斗的提升载荷重量，长时间运行 过程中，由于各钢丝绳弹性变形不同而导致载荷不平衡，载荷过大的钢丝绳首先 产生疲劳损坏，对应的摩擦衬垫也产生过度磨损。煤矿安全规程规定，摩擦提 升装置中任一根提升钢丝绳的载荷与平均载荷之差不得超过士1 0 。一旦超过( 即 失衡) 就潜伏下了危险，如不能及时调整就可能发生重大事故。矿井提升箕斗所担 负的任务十分艰巨，不仅每年要把数十万吨到数百万吨的煤炭和矿石提升到地面 而且还要完成其它辅助工作，工作条件是非常苛刻的【4 3 】。由于煤矿生产地质条件 复杂，生产的原煤受水分、矸石含量等影响，容重和粘滞性变化比较大，这就不 可避免地发生计量偏差和箕斗卸载滞煤现象。如不能即时发现再次装载，即“二次 装载”，势必导致过载。严重时会发生钢丝绳断裂箕斗“坠井”等重大事故。要从根 本上预防事故的发生，必须实时监测各钢丝绳的张力变化情况。目前由于没有箕 斗装卸载监测保护系统，无法监测箕斗装卸载情况，因此，箕斗卸载后是否有余 煤也无法及时发现。为了减少矿井事故的发生，实现提升载荷的在线监测成为当 务之急【4 4 1 。 本文对箕斗的装卸载状况和提升钢丝绳的张力进行实时动态监测监控，以便 工作人员随时了解提升载荷的情况，并在出现故障时，如箕斗的不完全卸载，钢 丝绳张力不平衡等，系统做出相应的报警，防止事故发生。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 提升载荷监测技术的研究现状及发展 矿山企业追求的是矿井提升设备的最大生产效率和最高安全性能。国内外许 多公司和研究院都在进行着相关的研究并取得了很多成果。鉴于矿井提升载荷的 重要性，煤矿监测技术要求越来越高，主要经历了以下几个阶段1 1 【2 】： 1 静态检测阶段：静态检测即人工离线检测，提升设备在离线状态下，工作 人员利用检测仪器对提升设备进行人工检测，并根据自己以往的经验对设备的状 2 1 绪论 况和发展趋势做出判断。例如钢丝绳张力静态监测法包括标记法；振波法；压轮、 力电转换传感器法等，虽然该监测方法简单易行，但是存在检测精度低、不能在 线监测等缺点。 2 单机集中式动态监测阶段：这一阶段主要是以计算机作为监测的核心部 件，将提升设备的所有监测状况都传送至这台计算机，然后通过系统监测、信号 处理、信号分析、故障报警模块实现所需监测的功能。 3 远程监测系统阶段：它是一种分布式监测诊断系统，由单一的监测诊断功 能向监测、诊断、管理和调度的集成化方向发展。监测诊断以设备的状态维修为 目标，直接服务于设备的维修、管理乃至参与生产调度。 箕斗的装卸载状况最初是通过卸载的时间来判断【3 l ，当电控系统发出信号， 两个箕斗的闸门同时打开，开始计时，经过一定的时间间隔( 经过多次试验验证的 时间段) ，即可认为箕斗卸载完毕。虽然此方法比较简单，但是由于卸载时间随着 煤湿、粘度的不同而变化，不同的煤质需要的卸载时间不同，对二次装载现象也 是无法做出判断，故二次装载事故频繁发生引。 龙口矿务局某矿【3 8 1 【4 9 】利用超声波传感器发射的声波束反射原理，通过计算时 间差来判断箕斗装卸载情况的监测。该方法存在的缺陷是：需要定期对探头进行 清理，因为当探头表面有煤尘时，会对数据造成大的误差。并且该传感器的安装 角度和位置也是不可忽视的1 9 】，超声波发射的声波束角度一定要对准箕斗内的物 料，否则就不能准确监测箕斗内煤炭的装卸载情况。 钢丝绳的监测包括：钢丝绳张力大小及各钢丝绳张力平衡状态的监测。监测 的主要方法有：磁检测法，振动测法、电涡流监测法、声发射监测法、超声波监 测法、光学监测法等，存在缺陷是检测精度低、不能在线监测。 目前，很多高校和机构已经开始研究提升载荷的动态监测系统，但还没有很 成熟的研究成果。例如，安徽理工大学利用激光技术监测提升速度和箕斗的提升 位置【】叭。在井口两侧统一水平处安装监测探头及放射源。根据探头监测到的辐射 强度来判断箕斗内煤炭卸空与否，因为该辐射强弱在箕斗的煤卸空前后差距大。 该监测方法需要用精度高、价格昂贵的激光传感器，并且对现场安装要求很高， 功能也很单一，只能对箕斗内有无物料进行判断，对于箕斗装载量无法监测。激 光对人体的危害也是不可忽视的，该放射源放在井口处，工作人员健康受到威胁。 激光技术目前在箕斗卸载监测中应用很少。 太原理工大学利用雷达非接触式监测技术监测箕斗内部煤炭卸空与否，它实 际就是一种物位监测，定时器控制发射机产生高频大功率的电磁波信号，经过定 3 安徽理工大学硕士学位论文 向天线向箕斗内部辐射电磁波。当电磁波照射到煤炭表面时，二次散波的一部分 到达雷达天线，再由接收机进行放大、混频等处理后，送到雷达终端设备削。 中国矿业大学曾为兴隆庄煤矿研制的l c 1 型钢丝绳张力监测系统，但是因 为其传感器的设计安装不合理而最终导致了失败；山东科技大学研制的监测系统 因为设计的的液压张力传感器经常漏油而无法使用。 国外研究较多的是采用传感器直接测量提升载荷。如英国迈克汉姆煤矿在 1 9 8 9 年研制成功了集传感器技术、计算机技术和感应通信技术相结合的钢丝绳载 荷动态监测系统；瑞典、德国、美国也相继研制出类似产品，但价格一般十分昂 贵，不易在我国引进推广。与国外的研究相比，国内在这方面从事的研究工作很 不成熟，存在很多亟待解决的问题。 1 2 2 虚拟仪器技术的发展与应用 美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 成立于1 9 7 6 年，在它成立的第十 个年头，提出“软件即是仪器”的概念，l a b v i e w 的第一个版本正式发布，推出了 l a b v i e w 直观的流程图编程风格的软件开发和运行平台，引发了测控技术领域的 一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，开启了虚拟仪器 ( v i ) 的先河。 虚拟仪器技术就是将现有的计算机主流技术、高效灵活易用的软件和高性能 的模块化硬件，结合相应的集成软硬件平台来完成测试、测量和自动化的应用， 建立功能强大而又灵活易变的基于计算机的测控系统来替代价格昂贵、功能单一 的传统仪器的功能。这种方式不仅可以应用普通计算机不断优化的性能，还可以 体会到完全自动化的测量及其系统功能的灵活性，最终建立满足特定需求的测控 系统。 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们 被称为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术【1 9 1 。虚拟仪器技术是测试技术和计算 机技术综合集成的产物，代表了测试技术和仪器技术发展的新方向。虚拟仪器利 用计算机软件技术，设计系统软件，实现诸如与标准数字接口总线的软件连接、 对系统中仪器的直接控制等与硬件有关的系统功能之外，还能够方便、灵活、充 分地运用计算机工业领域现有的大量使用的软件工具资源，从而真正地把仪器硬 件与计算机软硬件有机地结合在一个统一的系统中。因此，虚拟仪器的发展取决 于三个重要因素：计算机( 载体) 、软件( 核心) 和a d 采集卡及调理装置( 关键) 。 虚拟仪器与传统仪器的功能特点比较如表1 所示。 4 l绪论 表1 虚拟仪器与传统仪器特点比较 t a b c o m p a r i s o nt a b l eo f v i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 发 项术 虚拟仪器传统仪器 目 开发与维护费用低 高 技术更新周期 0 5 1 年5 1 0 年 关键技术软件硬件 价格低，资源可重复利用昂贵，一般无法相互利用 设备连接可通过网络联络周边各仪器功能单一，只可连接有限独立设备 功能性自动化，智能化，可自定义单一，厂家定义仪器功能 开放性开放灵活，与计算机技术同步封闭，不能重新配置，配合性差 虚拟仪器的发展过程主要有两个方面：* 1 ) g p i b o - v x 卜印x i 总线方式( 适用于大型高集成系统) 。g p i b 于1 9 7 8 年问 世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p x i 于1 9 9 7 年问世。 2 ) p c 插卡一并口式一串口u s b 方式( 适用于普及型的廉价系统) 。p c 插卡在 8 0 年代初问世，并口式在1 9 9 5 年问世，串口式于1 9 9 9 年问世。 虚拟仪器技术已经广泛应用于航空航天、军工、核工业、铁路交通、电子测 量、通信测试、机械工程、振动分析、声学分析、故障诊断、电力工程、建筑工 程、地质勘探、生物医疗、教学及科研等方面。 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 推出的基于图形 化编程语言的虚拟仪器软件开发环境l a b v l e w 是第一个使用虚拟前面板和框图 程序来搭建虚拟仪器的图形化编程语言程序设计系统。之后，著名的美国惠普( h a ) 公司推出h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用 户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如 t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种虚拟式仪器。 l a b v i e w 软件主要包括数据采集、自动控制、数据处理与分析、图形化显示、 软件接口、外部数据通信等功能。利用l a b v i e w 编写程序，只需清楚系统的目 的和实现顺序即可，大大提高编程效率、缩短开发周期。 以l a b v i e w 为平台的虚拟仪器的研究、开发在国内已经广泛进行。从0 9 年 代中期开始，我国科研工作者对虚拟仪器的概念、软硬件平台、设计方法等进行 了研究和探讨。哈尔滨工业大学进行了使用l a b v l e w 实时控制系统对3 自由度 5 安徽理工大学硕士学位论文 气动机械手的关节控制及空间轨迹跟踪方面的实验研究【2 0 】。赵四军等研究了利用 n i 公司的p x i 硬件和l a b v i e w 软件构建的虚拟仪器来测试液压伺服系统的频率 特性【2 1 1 。黄志坚等进行了基于虚拟仪器的蓄能器性能测试系统的研究3 9 1 。清华大 学、哈尔滨工业大学、长安大学、重庆大学等1 5 0 多所院校开设了虚拟仪器实验 室，n i 在中国的代理北京中科泛华测控技术有限公司也致力于研究和开发虚拟仪 器设计平台，为国内用户提供虚拟仪器核心技术，并协助n i 开发高性价比的产 品，获得了比较丰硕的研究成果【2 2 1 。 1 3 本文的主要研究内容 本文采用l a b v i e w 2 0 1 0 版平台开发矿井提升载荷在线监测系统，完成整个 系统的开发。主要的研究内容如下： 1 监测系统整体设计。设计一种压力传感器，将其安装在箕斗张力自动平衡 悬挂装置的托架和油缸之间，实现钢丝绳张力的在线测量；传感器压力信号采用 无线传输发送的方式实现了提升载荷的动态监测。 2 监测系统的硬件设计。设计可在线测量钢丝绳张力传感器，完成信号采集 系统、无线发送接收系统和信号处理显示系统的设计和选型工作。 3 监测系统的软件设计。以l a b v i e w 为开发平台设计相关软件系统，系统 能够实现主要数据的运算、显示、存储、打印以及历史查询等功能，当出现箕斗 未卸空、钢丝绳张力不平衡等事故状态时能及时报警。 4 在实验室进行模拟实验，验证软硬件系统能够实现设计功能。 1 4 本章小结 本章首先分析了课题研究的背景及意义，矿井提升载荷在线监测的重要性和 必要性。介绍了国内和国外矿井提升载荷监测的现状以及虚拟仪器技术的发展。 阐述了本文主要研究内容。 6 2 矿井提升载荷系统 2 矿井提升载荷系统 2 1 提升系统的基本组成 矿井提升设备的主要组成部分：提升容器、提升钢丝绳、提升机、井架、天 轮、装卸载附属设备。矿井提升容器主要包括两大类，即用于提升煤炭、矸石的 主井箕斗提升系统和完成其它辅助任务的副井罐笼提升系统。提升机类型分为缠 绕式提升设备和摩擦式提升设备。图1 表示落地式多绳摩擦箕斗提升系统图。 图1 立井双箕斗提升系统图 f i g 1d o u b l es k i po fh o i s t i n gs y s t e m 2 2 主井箕斗及其装卸载装置 2 2 1 箕斗装载装置 箕斗是用于提升煤炭、矸石的单一容器。根据卸载方式可分为翻转式、侧卸 式及底卸式。根据钢丝绳数目有单绳和多绳箕斗。 箕斗一般由三部分组成：斗箱、悬挂装置和卸载闸门。斗箱框架由两根直立 的槽钢和横向角钢组成，四面用钢板焊接，其外面用角钢或钢筋加固，悬挂装置 是钢丝绳与箕斗连接的装置，它与罐儿均固定于框架上，其卸载闸门型式多为底 卸式扇形闸门开启式。 7 安徽理工大学硕士学位论文 立井多绳箕斗结构与单绳箕斗基本相同，不同点是连接装置有所不同，多绳 箕斗下部有尾绳悬挂装置和安装配重的地方。多绳箕斗型号编制按m t t 1 5 4 1 的 规定3 9 】【4 0 】。 产品类型代号：卜箕斗 第一特征代号：g 一外滚轮式底闸门 第二特征代号：y - 一异侧装卸式 同侧装卸式不注 补充特征代号：a - 一适用提升高度5 0 0 8 0 0 m & 一适用提升高度8 0 0 11 0 0 m 补充特征代号 主参数代号( 箕斗宽度) 第二特征代号 第一特征代号 产品类型代 滚轮罐耳型号 尾绳数量 尾绳悬挂装置型号 尾绳数量 首绳悬挂装置型号 箕斗型号 根据以上组合编制，本文选择名义载煤量4 0 t 、箕斗宽度1 7 0 c m 、适应提升 高度1 0 0 0 m 以上的异侧装卸式箕斗与6 根2 1 3 k g 钢丝绳、妒3 5 0 m m 滚轮罐耳的组 合，其组合型号为： 8 2 矿井提升载荷系统 【 滚轮罐耳型号 尾绳数量 尾绳悬挂装置型号 首绳数量 首绳悬挂装置型号 箕斗型号 箕斗选择主要考虑其结构轻而坚固，有足够刚度，装卸载速度快，闸门工作 可靠。综合以上，本文选用多绳底卸式箕斗。异侧底卸式箕斗结构简图【9 】【5 1 1 如图 2 所示 1 连接装置；2 平台；3 罐儿；4 回转轴；5 扇形闸门； 6 卸载滚轮；7 滚动罐儿：8 溜煤槽；9 框架；l o 斗箱； 图2 扇形闸门底卸式箕斗简图 f i g 2t h eb o t t o mu n i n s t a l lo f f a ng a t es k i p 箕斗装载装冠是指从井下煤仓向箕斗装载原煤的中间贮装与计量装置，对装 载装置的要求是定量、定时、准确和快速地装载，其体积要小，并适应井下煤尘、 水分较大的特点。当今国内外广泛采用的预先定量装载设备有定量斗箱式和定量 输送机式两种。在我国煤矿主要使用定量斗箱式装载设备。 9 安徽理工大学硕士学位论文 竖井箕斗定量斗装载设备图如图3 所示。这种设备由斗箱、溜槽、闸门、控 制缸和压磁测重装置组成。利用压磁测重装置来控制斗箱的装煤量。达到装载位 置时，开动控制缸2 ，将闸门4 打开，斗箱l 中的煤便沿溜槽5 全部装入箕斗。 这种装置结构简单，环节少，装载不用其他机械，便于维修，价格低，在我国已 定位标准装载设备。 1 箕斗；2 控制缸；3 拉杆；4 闸门；5 溜槽：6 压磁测重装置；7 箕斗 图3 竖并箕斗定量斗装载设备图 f i g 3s h a f ts k i po fq u a n t i t a t i v el o a d i n gd e v i c ep l a n 2 2 2 箕斗卸载系统 箕斗的卸载系统主要由煤仓、气动搭接舌板和气动卸载小车组成。箕斗的卸 载方式目前主要有固定曲轨方式和外动力方式。 固定曲轨方式卸载：在慢速提升过程中利用设于套架上的固定曲轨将箕斗闸 门打开卸煤；卸载完毕后，箕斗在慢速下降过程中，闸门又通过曲轨作用关闭。 其优点：无须附加外动力设施，简化了卸载操作程序，故障点少，运行及维修费 用低，卸载时间较短。其缺点是：箕斗闸门上的滚轮进入卸载曲轨时，会对箕斗、 井塔产生冲击，卸载过程中有加大的水平力作用在套架上，另外，卸载过程中撒 煤量较大。 1 0 2 矿井提升载荷系统 外动力方式卸载：当箕斗达到井口卸载位置停稳后，利用外动力将箕斗闸门 打开，卸载完毕后，又用外动力关闭箕斗闸门。其优点t 开闭闸门时对套架的冲 击力较小，能延长箕斗、钢丝绳寿命，箕斗卸载位置固定，可设置防撤舌板减少 撒煤量，提升可采用三阶段速度图，能减缩提升循环时间。其缺点：需要曾设外 动力设备，在动力设备及连锁控制设置不佳时卸载时间稍长，设备投资和维护费 用也有所增加。 对于大箕斗提升，为避免重箕斗卸载过程中对套架、井塔产生过大的冲击， 保证设备运行的稳定性、可靠性，多采用外动力方式卸载，用压缩空气作为外动 力源，优化联动控制系统，以尽量缩短卸载休止时间。 2 3 提升系统力学分析 矿井提升机应按照设计合理的速度来运行，但是随着生产的发展，矿井提升 系统中的设备不可避免地有所变换或更新，如提升容器的加大、电动机更换、滚 筒直径改变等，为了研究提升容器的实际运动规律，以便在故障出现前及时地发 现隐患l l3 1 ，必须掌握提升系统的实际速度变化规律。 对提升机的速度图和钢丝绳受力图进行分析计算，是掌握提升系统实际速度 变化规律的主要方法。图4 所示，在矿井生产中，通常把立井箕斗提升工作过程 分为：岛、f 。、，2 、f 3 、f 4 、，5 和秒七个阶段，分别介绍如下。 v f o 图4 提升系统的速度图和力图 f i g 4v e l o c i t ya n df o r c ec h a r to fh o i s t i n gs y s t e m t 安徽理工人学硕士学位论文 1 ) 初加速阶段“：系统供电后松弛的钢丝绳被拉紧，提升机开始起动。此时 井底箕斗已经装载满，井口的箕斗已卸空，刚刚开始新的提升循环，箕斗在卸载 曲轨内运行，为了减少井架的冲击载荷，加速度a 。较小，速度达到v 。为止。1 ，。是 箕斗离开曲轨时的速度，通常在1 5 m s 以下。 2 ) 主加速阶段 ：此时箕斗已经离开了卸载曲轨，该阶段以加速度为主，直 到速度最大值v 。( v 。速度最大值) 。 3 ) 等速阶段f ：箕斗以v 。作等速运动。 4 ) 主减速阶段f 。：箕斗由v 。减速到l ，。此时空箕斗已接近装载点，重箕斗 进入井n ( v 。爬行速度) 。 5 ) 爬行阶段f 。：系统以v 。运行，重箕斗进入卸载曲轨，速度限制在0 5 m s 。 6 ) 抱闸停车阶段f ，：此阶段时间很短几乎不到1 秒，在这短短的时间内箕斗 到达停车位置，同时电源切断，提升机抱闸停车。 7 ) 停车休止阶段口：箕斗的停车休止时间与箕斗装载量时间有关【1 4 1 。 在整个运行过程中，对应满载箕斗悬挂装置处的一根钢丝绳张力用动力学公 式可表示为： 丁：( q + q ) g + g ( 办+ 功+ ( q + q + 趔口 ( 2 1 ) g 式中： q ：一箕斗自重，k g ； q 一有益载荷，蚝； 口一尾绳每米重量，n m ； 厅一重载端尾绳环高度，m ； x 一重载箕斗的提升高度，m 5 一箕斗在曲轨内运行距离，m ； 甄一主加速阶段行程，m ； 厅。一等速阶段行程，m ； 鸭减速阶段行程，m ； h 4 一爬行距离，m ； 其中h = h o + 啊+ h 。+ h 3 + h 4 ， 日提升高度，m 。 通过多整个提升过程的钢丝绳变化情况分析，将各阶段参数带入式2 1 中， 得出如表2 所示各阶段钢丝绳张力3 4 】【3 5 1 计算公式。 - 1 2 2 矿井提升载荷系统 表2 钢丝绳张力计算 t a b l e 2c a l c u l a t i o na tt h ew i r et e n s i o n 钢丝绳张力 计算 公 式 提升开始：死( q + q ) g + 和+ q a o h g 初加速结束：矗 ( q + q ) g + q ( h + h o ) + ( q ：+ q ) a o + q a o ( 办+ h o ) g 主加速开始：五( q ：+ q ) g + q ( h + h o ) + ( q ：+ q ) a o + g 口1 ( 向+ h o ) g 主加速结束：五。( q ：+ q ) g + q ( h + h o + ) + ( 0 ：+ q ) a o + q a o ( 办+ h o + ) g 等速开始：乙( q + q ) g + q ( h + + h 1 ) 等速结束：r 2 ( q + 9 ) g + g ( 乃+ h o + h 1 + h m ) 减速开始：疋( q + q ) g + g ( 办+ 1 z d + + i , m ) + ( q + 9 a 3 - q a 3 ( h + h o + 扬+ ) g 减速结束：( q + q 喧+ 口( 办+ + 啊+ + 吃) + + 0 a 3 一g 咚( 厅+ + 啊+ h m + h 3 ) g 爬行开始：兀( q + q ) g + q ( h + + h i + + 绣) 爬行终了：兄( q + q ) g + q ( h + h o + 啊+ h 。+ h 3 + 心) 停糍卸 ( q + q ) 刚哪”。) 卸tvr f ：丌叩u “n 几+ q y g + q 6 1 j l + g 办i ，g 提升开始矗 21”。 表l 反应了该提升系统箕斗悬挂点钢绳张力在整个提升过程中的变化规律。 通过表1 将各阶段重载上提升箕斗悬挂点钢绳张力随着提升高度的变化绘制出 来，横坐标为提升距离，纵坐标为钢绳张力，钢丝绳张力变化情况如图5 所示。 图5 提升高度图和钢丝绳张力图 f i g 5d i a g r a mo ft h eu p g r a d i n gh e i g h ta n dt h er o p et e n s i o n 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 本课题调研的淮南谢桥煤矿提升系统的参数如表3 所示： 表3 矿井提升系统参数和钢丝绳张力 t a b l e 3m i n eh o i s ts y s t e ma n dt h et e n s i o no nt h er o p e 单根钢丝绳张 参数名称数值提升状态 力n 提升钢丝绳每米重量n m g5 0 4 提升钢丝绳根数根n i 6 提升开始 r o = 6 9 2 4 2 尾绳每米重量n m p1 0 1 3 初加速结束 r o = 6 9 2 5 1 尾绳根数根n 2 3 加速开始 互= 6 9 3 5 4 尾绳环高度m 办3 加速结束 五= 7 5 3 2 3 箕斗在卸载曲轨内运行距离m 1 8 6 匀速开始 乙= 7 4 9 0 8 箕斗自重埏q 2 1 3 0 0 匀速结束 乙= 9 9 6 5 1 载荷重量埏q 2 1 0 0 0 减速开始 五= 9 7 4 6 8 提升高度mh 7 1 4 8 减速结束 五= 1 0 2 7 0 9 最大提升速度m s 1 2 5 爬行开始乃= 1 0 5 2 9 5 提升加速度m s 2 口1 0 7 爬行结束z = 1 0 5 4 4 7 卸载开始 瓦= 1 0 5 4 4 7 提升减速度m s 2口3 o 7 卸载结束、下 提升初速度m s 1 5 一提升开始 r o = 7 1 1 4 7 爬行距离m玩 3 爬行速度m s巧 o 5 由以上可知，箕斗悬挂点钢丝绳张力随着提升高度的增加而逐渐增加，在初 加速和主加速阶段，张力有所增加，在减速阶段有所减少。因主加速度产生的惯 性力一般比提升高度上尾绳产生的重力小，箕斗悬挂点钢绳最大张力应出现在爬 行阶段终了时z 点处。可用该点张力作为力传感器的设计选择依据。 2 4 多绳摩擦提升钢丝绳张力平衡 从安全规程中可以看出，与提升设备关系最大的许多安全规定是与钢丝绳有 关的，多绳提升的几根钢丝绳在运行中要受到多种应力的作用，如果像单绳钢丝 绳那样直接连接在提升容器上不做任何调整，便会出现几根钢丝绳之间张力不平 1 4 - 2 矿井提升载荷系统 衡，从而使各绳磨损不均匀，承受载荷较大的钢丝绳磨损较大，甚至绳断，而且 磨损大的绳槽又会产生急剧的过量磨损，这就是多绳提升不同于单绳的一个特殊 矛盾 5 0 】。为了防止以上现象的出现，必须使每个钢丝绳受力平衡，这是提高生产 率的一个关键问题。为了解决这个问题，我们首先要了解各钢丝绳出现受力不均 匀的原因。 2 4 1 影响钢丝绳张力不平衡的因素 1 绳槽直径的偏差。 加工各绳时，直径不可能绝对的相同，这就存在加工误差，以及衬垫绳槽加 工不精确等多方面因素，当摩擦轮转动时，搭在不同绳槽上的钢丝绳会产生不同 的伸长量。生产实践证明，为了让钢丝绳之间的张力不平衡现象减少到最小，各 绳槽直径大小相差不能超过o 0 5 m m t l 3 1 。 2 钢丝绳的长度偏差 、 由于在安装时，钢丝绳长度不可能做到绝对的相等，钢丝绳的两端都是分别 连接在箕斗上，各钢丝绳在载荷作用下，较短的就要被拉长，承载的拉力就比较 长钢丝绳承载的拉力大，从而造成它们之间的弹性伸长各不相同，使钢丝绳受力 不均匀。 3 钢丝绳的刚度偏差 钢丝绳在生产制造中，其加工材料和质量不可能完全相刚1 6 1 ，因此在承受载 荷时，他们的弹性伸长也各不相同，使各绳受力不相等。为了尽量减少这种偏差， 选用六根钢丝绳时，一般采用同一规格并尽可能使用三根右捻和三根左捻钢丝绳， 并且分别由同一根右钢丝绳中截取( 左捻的取自一根钢丝绳，右捻的取自一根钢丝 绳) 。 4 摩擦衬垫的影响 摩擦衬垫存的弹性不同，会影响各钢丝绳之间张力大小，也是导致钢丝绳受 力不均匀的一个因素【2 3 】。 2 4 2 改善钢丝绳张力不平衡的措施 1 采用钢丝绳张力平衡机构 设计钢丝绳张力平衡时，采用张力平衡机构。张力平衡机构大致分为：平衡 杆式平衡机构、弹簧式平衡机构、角杆式平衡机构、液压式平衡机构。这些平衡 机构本身的任务就是尽力消除各提升钢丝绳之间的张力偏差，使各钢丝绳张力接 1 5 安徽理工人学硕士学位论文 近平衡。其中液压式平衡装置使用效果较好【1 5 】。 2 利用调绳器调整钢丝绳张力差 定期调整钢丝绳的长度，使张力大的放松一些，张力小的拉紧一些。这样可 以有效减少各钢丝绳之间的张力差。这就要用到液压调绳器，其工作原理是利用 液压调绳器油缸在钢丝绳张力不平衡时能够自动伸缩，并且能够在调绳器油缸活 塞杆滑块的行程上反映出来，从而能够根据活塞杆与相对标准的变化距离来测定 钢丝绳的张力差【1 6 1 。目前已出现的调绳器有螺旋式、垫块式、螺旋液压式、完全 液压式等几种类型。 3 采用弹性摩擦衬垫 钢丝绳张力不平衡，很大程度上是因为采用的摩擦衬垫弹性小刚度大。如果 使用弹性大的摩擦衬垫，钢丝绳的张力大小能够自动地调整绳槽直径，使各钢丝 绳张力自动平衡。其原理是当某钢丝绳张力增大时，其压向衬垫的压力也增大， 因而压缩弹性衬垫使其绳槽直径减小，钢丝绳张力也随之减小。这样各钢丝绳张 力自动达到平衡【1 2 】。 2 5本章小结 本章首先介绍了提升系统的基本组成，对提升箕斗及其装卸载装置进行了详 细的阐述，接着对矿井提升力学做了进一步的分析。详细介绍了出现钢丝绳张力 不平衡的原因以及改善钢丝绳张力不平衡的措施。 1 6 3 监测系统整体设计 3 监测系统整体设计 3 1 监测系统的功能 提升载荷在线监测是指系统在运行过程中，对提升钢丝绳和箕斗的有关参数 进行实时监测，掌握提升载荷大小，并且能够对于提升设备的故障做出相应的报 警，显示故障原因及故障数据记录，以便提升设备的维修【3 1 。 本文主要是对提升钢丝绳张力、箕斗装卸载情况进行监测。具体要实现以下 功能： ( 1 ) 可在线监测提升钢丝绳动态张力情况，防止钢丝绳受力不平衡。 ( 2 ) 根据监测到的钢丝绳张力大小，确定箕斗装卸载情况，防止二次装载。 ( 3 ) 实现故障报警，当出现钢丝绳张力不平衡、超载等故障时，进行相应的 实时声光报警。 ( 4 ) 主界面丰富，可直观反映出箕斗的装卸载情况，对于钢丝绳张力进行图 形显示和数据显示。 ( 5 ) 实现数据存储、数据处理和历史查询功能。 3 2 系统整体设计 提升钢丝绳张力动态监测系统是一套无线检测系统。压力传感器测得的钢丝 绳张力信号经过放大、a d 转换和高频调制等数据处理进入电磁信号发射装置。 信号被电磁信号接收装置接收后，再经过放大和带通滤波，被送入计算机中分析 处理和显示。钢丝绳动态张力监测系统图如图6 所示。箕斗测力传感器安装在箕 斗的张力自动平衡悬挂装置油缸处，安装位置如图7 所示， 本系统采用定量斗的装载方式对箕斗进行装载，在定量斗底部安装一个压磁 测重装置。利用压磁测重装置来控制定量斗的装煤量。当定量斗需要储煤时，控 制信号启动仓口给煤机、装载带式输送机，煤由井底煤仓经给煤机、装载带式输 送机连续向定量斗中输煤，当定量斗煤量达到设定重量时，传感器发出信号使仓 口给煤机、装载带式输送机依次关闭，定量斗等待卸煤；当箕斗到达装载位置时， 传感器发出信号，定量斗下的气动扇形闸门打开，此时存储在定量斗中的煤经装 载溜槽被迅速装入箕斗，直至放空定量斗。装载完毕后，定量斗闸门关闭，重箕 斗上提，同时装载溜槽内的翻版换向，装载设备即开始下一个作业循环。 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 厂 、 一，1 3 f f l 陟 问 i 羽 f 陌 1 2 ，、，一 、一 卅k l ，l i 门闷 刁队rz t陌 1 张力传感器；2 信号放大；3 a d 转换；4 高频调制；5 发射放大； 6 磁环发射天线；7 信号接收磁体；8 信号放大及带通滤波；9 r s 2 3 2 通信； 1 0 工业计算机；11 提升容器；1 2 提升钢丝绳：1 3 主提升轮；1 4 定量斗 图6 钢丝绳动态张力监测系统 f i g 6t h ew i r e r o p eo fd y n a m i ct e n s i o nd e t e c t i o ns y s t e m 图7 传感器的安装示意图 f i g 7s e n s o ri n s t a l lm a p 钢丝绳测力传感器安装在箕斗的张力自动平衡悬挂装置油缸处，传感器引线 预留5 米，引线穿过一根金属软管接入本安隔爆无线采集器一侧，金属软管通过 捆扎的方式固定在箕斗悬挂装置的附近。 无线采集器固定在箕斗顶部的空间侧壁上，进行一次性作业。无线采集器分 1 8 3 监测系统整体设计 为待机和主动上传两种工作状态。当采集器随箕斗运行在井下时因通讯困难，采 集器处于待机状态。在井下区段各传感器感应箕斗重量( 即单根钢丝绳的张力) ， 数据以l o o m s 为一个点进行采集并储存在无线采集器内。 当箕斗运行到井口时，采集器处于主动上传状态，即将在井下的存储数据和 当前数据采集一并上传给远程智能控制终端( r t u ) 。 为确保采集器到达井口时准确进行状态切换，采用在接近地面处安装触发器， 并成带状分布来触发采集器工作。当箕斗载煤上升，触发器感应到无线采集器时， 触发无线采集器由待机变成主动上传状态，同时发送信号给工控机，r t u 开始接 收数据，无线采集器第一时间把待机状态段的数据以2 5 m s 一组打包发给r t u ， 随后实时上传数据( 各传感器重量、总重量) 直至卸煤完成后再次下井感应到触发 器为止。 当箕斗卸煤完成后，无线采集器随箕斗空载下降，触发器感应到无线采集器， 触发无线采集器由主动上传状态变成待机采集状态。r t u 输出重量信号，随后箕 斗下降进入井下装载。至此，整个箕斗的装载、上升、卸载、下降全过程为一循 环，如此周而复始运转。 在井口附近安装磁感应传感器，在箕斗上粘贴磁铁，当箕斗上升或下降时经 过井口即感应一次，采集器在被触发时根据自身采集的重量数据判断是上升还是 下降( 上升是载煤重量，下降是空载) ，也就决定采集器是主动上传还是待机状态。 无线采集器与r t u 之间用x b e e 无线通讯方式进行通讯。r t u 、工控机和i o 工控盒之间采用c a n 总线的通讯方式进行通讯。工控机网口连接c a n 通讯网关。 网关、r t u 与i o 工控盒接入c a n 接线盒。 采集器主动上报数据时，r t u 收到数据，通过c a n 总线传输给工控机并通 过