提升机钢丝绳载荷动态监测装置的设计及试验_陈纲.pdf

提升机钢丝绳载荷动态监测装置的设计及试验陈纲（山西华阳新材料科技集团机电设备管理中心，山西阳泉045000）摘要：针对矿井提升机吊挂时的钢丝绳振动、冲击等问题，研究了对处于动态状态下的钢丝绳张力监测工作，介绍了一种新型的油腔传感器，并将其安装于液压缸的活塞杆与滑块之间，通过将应力信号转化为活塞杆、滑块的压力信号，可有效地消除张力传感器与钢丝绳串联产生的安全隐患，保证系统的安全运行。关键词：提升机；钢丝绳张力；油腔传感器；动态监测中图分类号：TD532文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0085-030引言矿井提升和输送装置多为多绳摩擦式提升机，多绳摩擦式提升机是矿井生产中的一个重要设备，它担负着煤炭的提升、物料的下放、人员和设备的升降等工作，是保证矿井的安全生产和职工的生命安全的关键1。煤矿提升过程中出现的吊车、过卷等事故，最好的预防措施就是对钢丝绳张力差和负载进行实时监控。本文就矿井安全问题进行了探讨，着重从提高矿井运输可靠性，保障职工的工作安全，发现安全隐患，减少恶性事故四个方面着手，有效地提高矿井提升设备的安全管理与维护水平，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。1多绳摩擦式提升机结构及钢丝绳张力分析1.1多绳摩擦式提升机结构及提升特点多绳摩擦式提升机是利用绳索与辊子之间的摩擦力来实现的，其结构见图 1，以摩擦力为驱动动力，与起重机械比较，不需要考虑提升机滚筒的承载力，因而节省提升装置的结构空间；与缠绕式提升机相比，其具有一次升降两装载的主副罐（或箕斗），输送效率高，因而被广泛采用，辊子与钢丝绳的摩擦力符合欧拉公式，从而防止钢丝绳与辊子的相对滑动，克服提升系统的静态不均衡2。就摩擦式起重阶段而言，可以划分为加速、均匀、缓慢、爬行、停车等几个阶段，各阶段的运动规律各不相同3。在加速度阶段，起重机既要克服起重负荷，还要克服起动时的惯性负载，需要较大的提升驱动力。因此，在加速阶段，在提升端的钢丝绳将会存储大量的能量，并在均匀的速度下释放出来，这样，钢丝绳就会出现起伏；在减速阶段，由于绳索的拉力降低，笼体受拉索的摆动而产生振动。因此，在整个提升过程中，由于绳索本身的弹性，使绳索产生震动和碰撞。钢丝绳在自由振动时，因其纵向刚度高，拉力起伏较大，在线缆拉力信号中反映其提升负荷的成分提取带来了难度，而要实现动态状态下的有效张力检测，必须对起重过程中的有效拉力变化进行研究，并对其动态载荷进行监控。1.2钢丝绳张力监测方案的设计为了调节钢丝绳的拉力平衡，钢丝绳与负载间设有张力自动平衡装置，该结构由 4 个短管道连通的平衡缸构成，平衡缸由中板、侧板、液压缸、活塞、滑块组成，中板一端设有一销孔，与钢丝绳连接，而另一端则与滑块通过沟槽相连；在测板的一端设有与载荷相连的销轴孔，其一端由油缸座与平衡缸相连，为了监测钢丝绳的张力，在其活塞杆和底座之间安装了一个减振压力传感器，在升降机的提升过程中，通过侧板、柱塞和柱杆对油腔传感器的承压端盖施加压力，当不考虑动载时，通过传感器端帽所受的力与底座所受的力相等，从而可由传感器所测得的信号来求出绳索的张力。摩擦式提升机通常是用四条钢丝绳来吊起重物，通过测量四条钢丝绳的拉力来计算吊重。因此，本文所研制的油腔传感器不仅可以监控钢丝绳的张力，而且还可以对提升负荷进行检测，从而有效地预防可能的超限事故。2油腔传感器结构设计及工作特性分析2.1油腔传感器的结构设计针对钢丝绳在动力运转过程中产生的振动，给钢收稿日期：2022-09-23作者简介：陈纲（1978），男，河北行唐人，本科，毕业于太原科技大学机械设计制造及自动化专业，机电工程师，综合科科长，研究方向为党务系统。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.034图 1多绳摩擦式提升机结构提升滚筒井下定量装载A 组B 组尾绳结构设计机械管理开发第 38 卷丝绳的有效张力检测带来了一定的难度。根据所述的钢丝绳张力监控方案，利用平衡悬挂机构的活塞杆推力对钢丝绳进行张力监控。由于外部负荷是通过活塞作用在传感器上的，负载是轴对称的，所以在圆周上应变的是一个圆盘，以保证应变信号在圆周上的分布。鉴于油腔式传感器的设计要求与升降机的结构相匹配，且易于安装，因此，采用了一种轴对称式的传感器，并将其放置在平衡机构的滑块凹槽内，其结构如图 2 所示。这种传感装置由三个部件组成，分别是盘形端盖、盘体和盘形基座。圆盘端帽起到承压活塞杆的作用，圆盘与圆盘之间形成一个密封的空间，也就是油腔；圆盘上设有应变区域，以抽取活塞杆的推力负荷，圆盘底部有一个注油口，将油液按顺序喷射，圆盘与圆盘座之间用密封圈将油腔内的油液密封起来，圆盘和圆盘的底部采用螺纹联结，用焊接固定，内油选用温度系数很低的三甲基油；在工作时，将盘片底座置于平衡缸组件的滑块内部的凹槽内，以支撑活塞杆并承受推力。要想达到很好的过滤效果，需要设置减振环节，所以采用了圆盘和圆盘底座之间的狭缝，也就是减振缝；油腔内的液体在阻尼间隙中流动时，会与其发生摩擦，从而消耗掉振动的能量，实现目标的稳定。当流体在油腔中发生高频振动时，槽缝的阻尼作用会增加，能量消耗的幅度也会增加，因而油腔传感器具有高频滤波性质。2.2油腔传感器的测量原理在提升系统平衡悬挂推杆与滑块之间设有一个油腔传感器，其中间的圆盘状端帽用来从平衡悬架活塞杆上接受推力，圆盘基座位于滑动件的凹槽中，其测量原理见图 3，当钢丝绳张紧力通过平衡悬架作用在圆盘状基座上，载荷通过活塞杆作用在圆盘状端帽上时，固支梁会发生弯曲，固支梁将产生弯曲，造成油室容积的改变，油液室的压力出现变化，在传感器应变区上施加油压，使得应变区出现变形，通过测量应变值可以反映出钢丝绳的拉力。从以上分析可以看出，均匀加载作用下圆形薄板的形变与外力呈线性关系，通过开发一种新型的传感器来实现活塞杆的推力测试是十分可行的。3传感器性能实验与现场试验数据分析3.1油腔传感器钢丝绳张力监测实验为证实钢丝绳在起重过程中出现的波动，又对设计的油腔传感器性能进行了检验，并进行了现场测试，而图 4 中的曲线则是设计的油缸传感器的测量结果。由曲线可知，液压油缸传感器可以有效地消除钢索的振动信号，并且可以反映出钢丝绳在上升高度（或时间）的线性变化，而实际的矿井提升机使用的钢索是 2 条，井口和井下的钢丝绳的长度相差 6 t，如图4 所示，从井底到井口的距离为 1.4 t，4 条钢丝绳的张力 G=1.474=5.88 t。因此，通过设计传感器可以准确地描述钢丝绳的起重负荷。研制的新型的减振过滤式油腔传感器，它既能缓冲钢丝绳的振动对钢索的有效张力的影响，又不会产生摩擦和其他干扰，从而能够精确地监测钢丝绳的张力。3.2油腔传感器现场使用效果本文所研制的油腔传感器已在山西某煤矿现场实际应用，在实际应用中，不但能测得钢丝绳的有效张力，还能计算出起重负荷，同时也能对钢丝绳的张力差异情况进行监控，并能通过数据分析，找出发生事故的原因。下页图 5 是关闭两个油缸并与其他两个油缸的联通回路，在该图中，存在两个钢丝绳张力和其他两个钢丝绳张力不同的情况，这种差异是由于提升机不工作时钢丝绳的张紧差所造成的。基于上述分析，油腔传感器不仅可以消除钢丝绳张振的干扰，还可以反映矿井安全生产的各项安全指标，探测到不平衡状态下的钢丝绳不平衡现象，从而可以对出现这图 2油腔传感器的结构图 3油腔传感器测量原理示意图图 4油缸传感器的测量结果曲线应变片盘形端盖应变区密封圈盘体盘形底座阻尼缝隙油腔注油孔固支梁固支梁应变区应变区油腔油腔654321010203040506070800时间/s钢丝绳张力/kN862023 年第 6 期种情况的原因进行分析，因此对煤矿安全生产具有十分重要的意义。4结语钢丝绳张力是矿井安全提升的重要指标，严重影响矿山的安全生产。然而，在工程实践中，因受横向和纵向振动的冲击而产生影响，会对其张力的检测造成很大的干扰。因此，在动态状态下，本文针对多绳摩擦式起重机的提升负荷进行了动态监控的研究，并设计出了一种具有声腔结构的油腔传感器装置。最后，基于所设计的传感器，对多绳摩擦式提升机进行了张力监测方案的设计，经现场应用，对其工作特性进行了检验，得到的结果可作为故障诊断的基础。参考文献1谢丽蓉，刘艺明，张革荣，等.摩擦提升机的钢丝绳动态张力仿真研究J.计算机仿真，2019（10）：210-213；358.2刘志祥.矿井提升机钢丝绳张力监测系统研究J.煤，2021（1）：65-66.3孟宪举.矿井提升机钢丝绳纵向动态载荷的研究J，河北理工学院学报，1998（2）：4-10.（编辑：柴晓峰）图 5两根钢丝绳张力不平衡时钢丝绳张力变化曲线2.01.81.61.41.21.020406080-200100 120 140 160 180时间/s时间/s2.01.81.61.41.220406080-200100 120 140 160 180Design and Experiment of a Dynamic Load Detection Device for Steel Wire Ropes of HoistsChen Gang（Mechanical and Electrical Equipment Management Center of Shanxi Huayang New Materials TechnologyGroup,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:In response to the vibration and impact of the steel wire rope during the suspension of a mine hoist,a study was conducted onthe monitoring of the tension of the steel wire rope in a dynamic state.A new type of oil chamber sensor was introduced and installedbetween the piston rod and slider of the hydraulic cylinder.By converting the stress signal into the pressure signal of the piston rod andslider,the safety hazards caused by the series connection of the tension sensor and the steel wire rope can be effectively eliminated,Ensuring the safe operation of the system.Key words:elevator;wire rope tension;oil chamber sensor;dynamic monitoring电压/mV电压/mVStructural Design of Wind Turbine Blade Surface Online Detection System Based onUnmanned Aerial Vehicle PlatformLi Guoqiang1,Li Ziyong1,Chen Fei1,Wang Yongquan1,Dong Panhan1,Guo Xin2（1.Inner Mongolia Electric Investment Energy Co.,Ltd.Shanxi Branch,Taiyuan Shanxi 030031;2.StateGrid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.Huludao Power Supply Company,Huludao Liaoning 125000）Abstract:A blade online detection system based on unmanned aerial vehicle platform was designed.The system is composed of quadrotorUAV,damage detection instrument and space position adjustment device of detection equipment.Firstly,a micro mobile platform wasdesigned,which uses a precision lead screw to drive the damage detection equipment to adjust the spatial posture in the horizontal verticaltwo degrees of freedom direction;Secondly,an infrared detection mechanism was designed,using a small rotating motor to adjust the frontview angle direction of the infrared detection equipment,effectively expanding the infrared detection range.After verification,the onlineblade detection system is feasible for improving the stability of blade detection equipment and improving the clarity of detection images.Key words:drone;blade;wind power;infrared detection system（上接第 84 页）陈纲：提升机钢丝绳载荷动态监测装置的设计及试验5-1关闭状态下5-2联通状态下87