鋼絲繩張力及箕斗載重在線監測技術的研究與應用

　　摘要：根據《煤礦安全規程》第393條規定，立井提升容器和載荷，必須符合下列要求：箕斗提升必須采用定重裝載。該規程由國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局聯合頒布。該條規定決定了該項技術應用在法律層面具有強制性，主立井箕斗的提升安全關乎全礦的安全生產，原煤自主井底通過箕斗提升至地面，必須確保箕斗裝載噸位的準確性，嚴禁超載。在國內，箕斗因超載運行造成鋼絲繩斷裂并導致箕斗墜井的事故屢見不鮮。按照煤礦行業內的說法：《煤礦安全規程》的每條強制措施的規定都是重大事故催生的，也都是血和淚的教訓總結。

　　關鍵詞：鋼絲繩張力;箕斗載重;在線監測技術;應用;

　　引言

　　當前，煤礦提升機繼續向超深、重負荷、高速發展。同時，多il摩擦波提升系統的成熟度逐漸取代了單邊提升系統。多il摩擦波提升系統的應用中，提升繩的電壓不平衡嚴重影響了鋼絲繩的使用壽命和整個提升系統的安全運行。伴隨著電子技術的不斷發展，傳統的鋼絲繩張力靜態檢測方法已不再適合現代煤礦建設企業的生產情況。當鋼絲繩張力動態實時監測能夠實現時，我們可以隨時了解鋼絲繩張力差的大小，及時采取措施提高礦井提升機的安全性。因此，鋼絲繩張力在線監測系統的研究與開發對于當前確保礦井提升機安全尤為重要。國內外學者對鋼絲繩張力動態監測方法進行了大量研究，由于實踐中存在著巨大的局限性，相關技術成果無法得到很好的應用。

　　1稱重原理

　　由安裝在提升井塔頂部平臺上的稱重傳感器采集提升系統總重量模擬量信號，主副天輪各由兩件稱重傳感器采集信號，經可編程序控制器PLC運算處理，輸出信號為兩件傳感器輸出信號的疊加值，運算結果由觸摸屏顯示負載曲線和負載實時數據。主副天輪分別對應主副箕斗，當箕斗下降到主井底部裝載點時打開電動閘門進行裝載，地面提升機控制室的觸摸屏實時顯示裝載煤炭重量，當裝載煤炭重量達到設定值時關閉電動閘門，同時語音播報滿載信息。當裝載煤炭重量超過設定值及系統發生故障時播報相應語音。通過觸摸屏能夠對系統運行參數和保護參數進行設定。觸摸屏能夠輸出音頻信號，經過擴音后播報系統運行狀態及系統故障等信息，同時具有系統運行超限及系統故障歷史記錄的查詢功能。

　　2淘汰定量斗原因

　　隨著科學技術的不斷進步及過程裝備的快速發展，尤其是動態稱重技術的日趨成熟，定量斗式主井箕斗裝載設備的缺點越來越顯現，尤其是其裝載工藝復雜落后。在使用的過程中，該設備出現了眾多弊端，嚴重影響了煤礦主井提升的全面自動化。現代化礦井倡導“機械化換人、自動化減人”，具體要求以自動化控制減少人為操作，大力提高企業安全生產科技保障能力，并要求積極推進煤礦設備自動化、信息化、智能化、無人化等改造。在這些政策的背景下，復雜的定量斗式主井箕斗裝載工藝就顯得極為落后，這就是淘汰定量斗的主因所在。定量斗的具體缺點如下：(1)定量斗式主井箕斗裝載系統工藝過于復雜，主井底裝載硐室內設備眾多，環境惡劣，無法實現真正的“無人值守”模式。(2)定量斗更換周期6a左右，更換周期頻繁，更換及檢修費時、費力，在更換過程中從井筒內下大件，危險系數非常高。(3)定量斗內物料的卸載完全是受自身重力產生的作用，當出現粘煤、潮煤時，自流不暢，容易出現堵倉、壓倉的難題，定量斗的計量精度嚴重下降，給安全生產帶來了諸多不確定性。(4)定量斗式主井箕斗裝載系統共涉及9臺設備，在正常運轉過程中，日常的維護量、檢修量都較為繁多。(5)安委辦[2021]3號文規定，在井口和井筒內動火作業時，必須撤出井下所有作業人員。由于定量斗磨損快，經常需要動火焊接，給礦井安全生產帶來諸多不利因素。

　　3系統總體設計

　　鋼零件作為起重系統的支承構件，必須承受較大的載荷，作為記錄鋼零件應力的載荷傳感器，其承載能力至少是實際載荷的13倍。傳感器連接鋼絲繩后，不得影響起重機械的原有結構或損壞鋼絲繩，降低鋼絲繩的強度。因此，安裝負載傳感器是一個重要的考慮因素。多股摩擦提升機通常使用自動平衡裝置實現各鋼絲繩之間的應力平衡。列車自動平衡裝置主要采用閉環被動液壓通信的原理，自動調節安裝偏差、鋼絲繩殘馀應力等引起的列車偏差，更好地解決多樣式摩擦提升塔零件的動態平衡問題。鋼絲繩張力可以用自動應力平衡懸掛裝置的特殊結構來檢測，鋼絲繩張力可以通過檢測負載傳感器數據來反映。如圖2所示。將傳感器安裝在滑塊和端口板之間。鋼絲繩張力可以直接通過擠壓載荷傳感器測量，避免了起重系統的主要結構改造，對起重系統的結構強度沒有影響。該系統結合了無線通信技術，整個系統主要由采集裝置、上位機和配置監控界面三部分組成。采集裝置包括傳感器、無線采集和傳輸設備，上部計算機包括地面收發設備或井上PLC。當起重工具工作時，工人通過配置監控界面向上級計算機發送“采集”命令，然后上級計算機通過無線通信向采集設備發送控制命令。采集裝置啟動數據采集，并通過無線通信將采集的數據信息傳輸到上部計算機。收到數據信號后，上位機將數據信號傳輸到配置軟件系統，經軟件處理后顯示并保存。如果不需要數據收集，只需發出Stop命令即可。由于監測系統的設計和安裝是基于礦井提升儀器固有的結構，因此在規劃監測和傳感器系統時，有必要將它固定在礦井結構上，不改變原有的礦井結構模式。

　　4在線監測方案

　　煤礦提升機主要使用鋼繩進行吊裝作業。當鋼件由于鋼件對鋼件施加一定壓力而繞過提升機的皮帶輪時，鋼件的應力會連續傳遞到位于皮帶輪底部的傳感器裝置，然后通過導線直接連接到數據處理裝置。數據處理設備接收數據時，執行簡單的處理和計算，然后通過串行接口將處理后的數據發送到計算機。計算機上安裝了數據處理軟件，以重新處理數據處理設備發送的數據。當鋼絲繩測量電壓超過正常閾值時，認為起重系統異常，同時發出報警。數據處理是監控系統的核心。傳感器設備傳輸的數據屬于模擬數量，而計算機處理的數據必須是數字數量，因此傳感器設備數據必須轉換并通過串行接口發送到計算機。為保證系統的可靠運行，監控系統的數據處理部分需要集成處理和必要的簡化處理。數據處理部分電路主要由STC12C5A60S2單片機構建。該單片機集成了多達10位的數據轉換芯片。通過應用這些芯片，傳感器設備數據可以快速轉換成數字，然后操作后數據由單片機初步計算，并通過串行接口傳輸到計算機上。該計算機主要采用RS232級，而單片機主要采用TTL級，因此發送的數據信號需要從MAX232芯片轉換，以滿足數據傳輸的基本要求。

　　結束語

　　相較于定量斗式裝載系統，定重給煤機式主井箕斗智能裝載系統的最大特點是：裝載過程簡單實用。在動態稱重技術完全成熟的情況下，定量斗靜態稱重，所采用實物校驗的原理日趨落后，其裝載工藝完全屬于淘汰落后工藝范疇。定重給煤機可成功地解決“二次裝載”這一世界難題。所謂“二次裝載”，就是箕斗沒有卸載完畢，進入下一次循環裝載，定量斗閘門打開，斗體內原煤全部傾倒入箕斗，造成箕斗嚴重超載，給主井提升系統帶來災難性后果。定重給煤機根據箕斗內剩余的原煤量，進行靈活差額補償，確保箕斗不超載。

　　參考文獻

　　[1]張子明，孟翠翠，賈俊博.煤礦主井箕斗裝載稱重裝置研究與應用[J].山東煤炭科技，2022，40(01)：144-146.

　　[2]鄭余勝.摩擦提升機鋼絲繩張力動態監測系統研究[D].安徽理工大學，2020.

　　[3]朱真才，李翔，沈剛，湯裕.雙繩纏繞式煤礦深井提升系統鋼絲繩張力主動控制方法[J].煤炭學報，2020，45(01)：464-473.

　　推薦閱讀：煤礦機電設備的故障檢測與診斷技術