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    通用公司  张子明  

     

       将小康矿南翼绞车天轮改装成机械式称重测力机构,采用两件称重传感器采集信号,分别安装在天轮轴两端,输出信号经可编程控制器PLC运算处理,由液晶显示屏直观地显示钢丝绳张力值和负载曲线,张力超限时音箱发出语音报警,为绞车司机操作提供准确信息,确保绞车安全运行。

    关键词  钢丝绳张力在线监测优化设计应用

    1引言 

    煤矿井下斜巷运输是矿井运输的重要组成部分和重要环节,斜巷串车提升在煤矿运输系统中占有相当大的比重。煤矿斜巷运输环境条件复杂,运输斜巷距离长、弯道多、变坡多,对绞车安全运行造成不利影响。以往绞车司机只能按信号操作,一旦发生矿车掉道或侧翻等事故时无法及时发现,如果斜巷绞车继续拉车运行,容易发生绞车过载及牵引钢丝绳破断,造成机械及人身事故,形成安全隐患。煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置应适应不同地质条件特点,采取灵活的信号采集方式,才能实现绞车钢丝绳张力的在线实时监测、显示和报警,从而保证斜巷运输绞车安全运行,确保煤矿安全生产。 

    2优化设计技术原理

    2.1力学模型及传感器受力分析

    煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置优化设计力学模型及传感器受力分析见图1。

       1  力学模型及称重传感器受力分析

    2.2建立PLC运算方程

    F=P1+P2-W        (1)

    式中:P1、P2:两个传感器测量的分力,kN;

    W:测力轮轴自重kN;

    F:F1、F2对称重传感器产生的合力,kN;

    F1、F2:钢丝绳张力kN。

    测力轮轴轴套摩擦阻力可忽略不计,亦即:F2≈F1;

    α、β:钢丝绳与传感器受力方向形成的夹角。

    建立PLC运算公式:

    F=F1cosα+F2cosβ  (2)

    2.3设备构成及工作原理

    2.3.1设备构成

    煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置由机械式称重测力机构和电气部分组成。

    2.3.2优化设计前机械式称重测力机构

    优化设计前机械式称重测力机构由压绳轮、机架、测力轮、称重传感器、横梁和测力轮轴组件等组成。优化设计前机械式称重测力机构见图2。

    2  优化设计前机械式称重测力机构

    1——压绳轮;2——机架;3——测力轮;4——称重传感器;5——横梁;6——测力轮轴组件

    优化设计前机械式称重测力机构外形尺寸:1992×1770×1730mm,重量:1800kg。由于自身重量和外形尺寸大,不利于在煤矿井下运输及安装,影响推广应用。测力轮轴组件在横梁上平移阻力大,绞车钢丝绳排绳到滚筒两侧时压绳轮与钢丝绳摩擦使钢丝绳径向旋转产生扭劲和自身缠绕现象,对钢丝绳造成损伤,影响使用寿命。容易对把钩操作工人造成伤害,存在安全隐患。

    2.3.3优化设计后机械式称重测力机构

    经过优化设计的机械式称重测力机构由绞车天轮总成改装而成,由天轮轴、称重传感器、天轮、枕座、黄铜套和定位套等组成。

    将煤矿斜巷绞车天轮总成改装成机械式称重测力机构,天轮套装于轴上,天轮内孔与轴间镶有黄铜套,天轮与黄铜套经过盈配合装配成一体,绞车钢丝绳从天轮上部绳槽通过。绞车运行时钢丝绳带动天轮以天轮轴为中心回转,天轮与天轮轴之间采用黄甘油润滑,具有承载能力强、运行阻力小和使用寿命长等优点。天轮总成改装的机械式称重测力机构见图3。

    3 天轮总成改装的机械式称重测力机构

    1——天轮轴;2——称重传感器;3——天轮;4——枕座;5——混凝土基础;6——黄铜套;7——定位套

    天轮轴两端侧面和下部加工成平面,下平面向上加工成圆弧底面圆孔,该圆孔与称重传感器弧形顶面圆柱凸台进行装配,轴端圆孔直径略大于传感器凸台直径,圆孔深度略小于凸台高度,称重传感器凸台嵌入圆孔中,起到支撑和定位的作用,使压力更好地传递到称重传感器。圆弧面接触能够增大接触面积,改善传感器受力效果,避免局部应力造成传感器损坏,延长传感器使用寿命。轴端径向水平方向两侧预留合理间隙,避免影响压力传递到称重传感器而出现测量误差。机械式称重测力机构水平安装,使称重传感器垂直受力。天轮轴与传感器装配见图4。

    4 天轮轴与传感器装配图

    天轮轴两端分别设置定位套,并使用平头顶丝定位。设备初安装时将天轮锁定在天轮轴中间,使天轮总成保持平衡,方便吊装和运输;设备运行时定位在天轮轴两端,能够控制天轮水平位移量,约束钢丝绳受力方向和角度,避免绞车在天轮附近弯道拉放车时天轮平移到极限位置引发矿车发生掉道事故。定位套宽度根据天轮到附近弯道距离确定。

    2.3.4电气部分

    电气部分由可编程电气控制箱、称重传感器、液晶显示屏、报警音箱和矿用控制电缆等组成。电气原理框图见图5。

    5  电气原理框图

    2.3.5设备现场布置方式

    利用绞车钢丝绳出绳方向巷道倾角和运输斜巷倾角形成的地势的凸起,在凸起的最高点安装由天轮总成改装而成的机械式称重测力机构,使钢丝绳和称重传感器受力方向形成一个夹角。机械式称重测力机构安装在混凝土基础上。

    天轮前后方向各设置支撑辊将钢丝绳抬高,在天轮和支撑辊之间人为形成一个相对稳定的运行区间,防止张力变化时发生钢丝绳飘绳和抖动对采集信号的扰动,保持区间内钢丝绳运行的稳定性,提高测量精度。煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置设备现场布置方式见图6。

    6  设备现场布置方式

    运行过程中天轮以天轮轴为中心进行回转的同时,随绞车钢丝绳排绳方向水平移动,能够减小平移阻力,避免钢丝绳与天轮轮沿摩擦使钢丝绳径向旋转产生扭劲和自身缠绕现象对钢丝绳损伤以及对把钩操作工人形成伤害,消除安全隐患。天轮随绞车滚筒排绳方向平移使钢丝绳趋于直线,能够有效改善钢丝绳受力状态、减少钢丝绳磨损,延长钢丝绳使用寿命。绞车钢丝绳排绳及天轮平移示意图见图7。

    7 绞车钢丝绳排绳及天轮平移示意图

    2.2.6工作原理

    矿用绞车钢丝绳张力在线监测装置采用间接测量的方法,首先对原绞车天轮总成进行优化设计,将原绞车天轮总成改装成机械式称重测力机构,运用称重传感器采集钢丝绳作用在测力轮轴上的压力,得出的重力值减去测力轮轴组件的自重,根据钢丝绳与测力轮轴和传感器的受力夹角,精确换算得出钢丝绳实际张力值。采用两件称重传感器分别安装在天轮轴两端,天轮随绞车钢丝绳排绳方向平移时称重传感器受力发生交替偏载,两件称重传感器输出信号自动相互补偿,能够有效提高测量精度。可编程控制器PLC将两件称重传感器输出信号叠加运算,由液晶显示屏实时直观地显示出钢丝绳的张力值和负载曲线,视觉效果一目了然。当钢丝绳张力超限时根据超限程度由音箱发出清晰语音预警和报警,提示绞车司机安全操作。

    3应用效果分析 

    经过优化设计,拓展了煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置应用条件,进一步完善了产品技术性能,提高了设备运行的安全性和可靠性。

    1)技术原理科学合理,首先测量钢丝绳张力对测力轮轴形成的压力,得出的数值减去测力轮组的自重,根据钢丝绳与测力轮轴和传感器的受力夹角,精确换算得出钢丝绳实际张力值。采用两只称重传感器采集信号,可编程控制器PLC将两个信号叠加运算,由液晶显示屏直观地显示出钢丝绳的张力数值和负载曲线,视觉效果一目了然。

    2)传感器安装结构新颖,天轮轴两端侧面和下部加工成平面,下平面向上加工成圆弧底面圆孔,该圆孔与传感器弧形顶面圆柱凸台进行装配,圆孔直径略大于凸台直径,圆孔深度略小于凸台高度,传感器凸台嵌入圆孔中,起到支持和定位的作用,使压力更好地传递到称重传感器。圆弧面接触能够增大接触面积,改善传感器受力效果,避免局部应力造成的传感器损坏,延长传感器使用寿命。

    3)利用绞车安装现场形成的地势凸起,把原安装在地势凸起的天轮改装成机械式称重测量机构,使钢丝绳张力和称重传感器受力方向形成夹角,采集不同张力时钢丝绳作用于称重轮轴上的压力信号,实现在线测量和实时显示及超限报警。

    4)采用两件称重传感器,传感器对称布置在天轮轴两端,天轮随绞车钢丝绳排绳方向平移时称重传感器受力发生交替偏载,两件称重传感器输出信号自动相互补偿,能够确保测量精度。

    5)运行过程中天轮以天轮轴为中心回转的同时随绞车钢丝绳排绳方向水平移动,能够减小平移阻力,避免钢丝绳与天轮轮沿摩擦使钢丝绳径向旋转产生扭劲和自身缠绕现象对钢丝绳损伤以及对把钩操作工人形成伤害,消除安全隐患。天轮随绞车滚筒排绳方向平移使钢丝绳趋于直线,能够有效改善钢丝绳受力状态、减少钢丝绳磨损,延长钢丝绳使用寿命。

    6)天轮前后方向各设置支撑辊将钢丝绳抬高,在天轮和支撑辊之间人为形成一个相对稳定的运行区间,防止张力变化时发生钢丝绳飘绳和抖动对采集信号的扰动,保持区间内钢丝绳运行的稳定性,提高测量精度。

    7)在天轮两侧设置双功能定位套,设备初安装时将天轮锁定在天轮轴中间,使天轮总成整体保持平衡,方便吊装和运输;设备运行时定位在天轮轴两端,能够控制天轮水平位移量,约束钢丝绳受力方向和角度,避免绞车在天轮附近弯道拉放车时天轮运行到极限位置发生矿车掉道事故。

    8)电源供电、信号采集、信号传输、信息显示和语音报警等环节设备全部采用固定安装方式,提高设备运行的安全性和可靠性。

    9)煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置运行时输出开关量信号,该信号接入绞车控制系统,为绞车运行提供前提条件,实现联锁控制。

    10)经调试和精度测试,系统响应迅速,显示精度≤±5%,报警语音清晰宏亮。煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置运行稳定,使用效果良好。

    4结语

    利用煤矿斜巷绞车现场自然地质条件,将绞车天轮总成改装成机械式称重测力机构,结构得到极大简化,减小了外形尺寸和重量,降低了制造成本和维护成本,更便于设备在煤矿井下运输及安装,有利于斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置在煤矿井下的推广应用。实现了煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线实时测量和同步显示及超限报警,能够根据不同规格绞车及钢丝绳的承载能力设定保护参数能够实现数据远传实现集中控制和远程监控;能够调取设备超限运行历史记录,实现井下斜巷运输安全科学管理;能够提供及时准确的设备运行信息,发现问题及时合理处置,做到防患于未然能够有效避免斜巷绞车运输事故的发生有利促进煤矿安全生产。经过优化设计的煤矿斜巷绞车钢丝绳张力在线监测装置于2019年10月26日在小康矿南翼绞车投入实际应用,设备运行状况良好。

     

    作者简介:张子明1967-),男,高级工程师。2013年毕业于东北大学机械工程及自动化专业,现任辽宁通用重型机械股份有限公司技术研发中心主任工程师,联系电话:13065232816。


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