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(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)，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(jīng)可編程控制器PLC運(yùn)算處理，由液晶顯示屏直觀地顯示鋼絲繩張力值和負(fù)載曲線，張力超限時音箱發(fā)出語音報警，為絞車司機(jī)操作提供準(zhǔn)確信息，確保絞車安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 ?鋼絲繩張力在線監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

1引言?

煤礦井下斜巷運(yùn)輸是礦井運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的比重。煤礦斜巷運(yùn)輸環(huán)境條件復(fù)雜，運(yùn)輸斜巷距離長、彎道多、變坡多，對絞車安全運(yùn)行造成不利影響。以往絞車司機(jī)只能按信號操作，一旦發(fā)生礦車掉道或側(cè)翻等事故時無法及時發(fā)現(xiàn)，如果斜巷絞車?yán)^續(xù)拉車運(yùn)行，容易發(fā)生絞車過載及牽引鋼絲繩破斷，造成機(jī)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(yīng)適應(yīng)不同地質(zhì)條件特點(diǎn)，采取靈活的信號采集方式，才能實(shí)現(xiàn)絞車鋼絲繩張力的在線實(shí)時監(jiān)測、顯示和報警，從而保證斜巷運(yùn)輸絞車安全運(yùn)行，確保煤礦安全生產(chǎn)。?

2優(yōu)化設(shè)計技術(shù)原理

2.1力學(xué)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(shè)計力學(xué)模型及傳感器受力分析見圖1。

???圖1 ?力學(xué)模型及稱重傳感器受力分析

2.2建立PLC運(yùn)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(chǎn)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(yùn)算公式：

F＝F1cosα＋F2cosβ ?（2）

2.3設(shè)備構(gòu)成及工作原理

2.3.1設(shè)備構(gòu)成

煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置由機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)和電氣部分組成。

2.3.2優(yōu)化設(shè)計前機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計前機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)由壓繩輪、機(jī)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(shè)計前機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)見圖2。

圖2 ?優(yōu)化設(shè)計前機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)

1——壓繩輪；2——機(jī)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(shè)計前機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)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(yùn)輸及安裝，影響推廣應(yīng)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(cè)時壓繩輪與鋼絲繩摩擦使鋼絲繩徑向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)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(shè)計后機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)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(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)，天輪套裝于軸上，天輪內(nèi)孔與軸間鑲有黃銅套，天輪與黃銅套經(jīng)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(yùn)行時鋼絲繩帶動天輪以天輪軸為中心回轉(zhuǎn)，天輪與天輪軸之間采用黃甘油潤滑，具有承載能力強(qiáng)、運(yùn)行阻力小和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。天輪總成改裝的機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)見圖3。

圖3 天輪總成改裝的機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)

1——天輪軸；2——稱重傳感器；3——天輪；4——枕座；5——混凝土基礎(chǔ)；6——黃銅套；7——定位套

天輪軸兩端側(cè)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(jìn)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(yīng)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(cè)預(yù)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(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)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(shè)置定位套，并使用平頭頂絲定位。設(shè)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(yùn)輸；設(shè)備運(yùn)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(jù)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(shè)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(yùn)輸斜巷傾角形成的地勢的凸起，在凸起的最高點(diǎn)安裝由天輪總成改裝而成的機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)，使鋼絲繩和稱重傳感器受力方向形成一個夾角。機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)安裝在混凝土基礎(chǔ)上。

天輪前后方向各設(shè)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(yùn)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(nèi)鋼絲繩運(yùn)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(shè)備現(xiàn)場布置方式見圖6。

圖6 ?設(shè)備現(xiàn)場布置方式

運(yùn)行過程中天輪以天輪軸為中心進(jìn)行回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將原絞車天輪總成改裝成機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)，運(yùn)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(jù)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(shí)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(bǔ)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(yùn)算，由液晶顯示屏實(shí)時直觀地顯示出鋼絲繩的張力值和負(fù)載曲線，視覺效果一目了然。當(dāng)鋼絲繩張力超限時根據(jù)超限程度由音箱發(fā)出清晰語音預(yù)警和報警，提示絞車司機(jī)安全操作。

3應(yīng)用效果分析?

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，拓展了煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線監(jiān)測裝置應(yīng)用條件，進(jìn)一步完善了產(chǎn)品技術(shù)性能，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

（1）技術(shù)原理科學(xué)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(jù)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(shí)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(yùn)算，由液晶顯示屏直觀地顯示出鋼絲繩的張力數(shù)值和負(fù)載曲線，視覺效果一目了然。

（2）傳感器安裝結(jié)構(gòu)新穎，天輪軸兩端側(cè)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(jìn)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(yīng)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(jī)械式稱重測量機(jī)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)在線測量和實(shí)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(bǔ)償，能夠確保測量精度。

（5）運(yùn)行過程中天輪以天輪軸為中心回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)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(shè)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(yùn)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(nèi)鋼絲繩運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高測量精度。

（7）在天輪兩側(cè)設(shè)置雙功能定位套，設(shè)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(yùn)輸；設(shè)備運(yùn)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(yùn)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(shè)備全部采用固定安裝方式，提高設(shè)備運(yùn)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(yùn)行時輸出開關(guān)量信號，該信號接入絞車控制系統(tǒng)，為絞車運(yùn)行提供前提條件，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。

（10）經(jīng)調(diào)試和精度測試，系統(tǒng)響應(yīng)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(yùn)行穩(wěn)定，使用效果良好。

4結(jié)語

利用煤礦斜巷絞車現(xiàn)場自然地質(zhì)條件，將絞車天輪總成改裝成機(jī)械式稱重測力機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(hù)成本，更便于設(shè)備在煤礦井下運(yùn)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(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了煤礦斜巷絞車鋼絲繩張力在線實(shí)時測量和同步顯示及超限報警，能夠根據(jù)不同規(guī)格絞車及鋼絲繩的承載能力設(shè)定保護(hù)參數(shù)；能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控；能夠調(diào)取設(shè)備超限運(yùn)行歷史記錄，實(shí)現(xiàn)井下斜巷運(yùn)輸安全科學(xué)管理；能夠提供及時準(zhǔn)確的設(shè)備運(yùn)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(yùn)輸事故的發(fā)生，有利促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(shí)際應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)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(xué)機(jī)械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)任遼寧通用重型機(jī)械股份有限公司技術(shù)研發(fā)中心主任工程師，聯(lián)系電話：13065232816。