煤矿提升钢丝绳张力监测系统的研发与应用

高 斌

（兖矿能源集团股份有限公司，山东 济宁 273500）

在多绳摩擦提升系统中钢丝绳张力问题主要表现为张力不平衡以及超载情况，这是目前矿井提升机系统中亟需解决的主要技术难点。引发该问题的因素有很多，比如钢丝绳槽间直径尺寸不一致、各绳间的物理性质存在差异性、钢丝绳安装过程中的误差以及钢丝绳间蠕动量的不同等等。在多绳摩擦提升系统中钢丝绳张力不平稳问题经常发生，这一问题不但加剧了钢丝绳的破坏程度，缩短了使用寿命，严重的话还会导致钢丝绳脱轨或断绳事故的发生。

通过以上情况可知，虽然多绳提升系统中安装有液压钢丝绳张力自动平衡装置，但在具体运行过程中，还是会出现运行失效的状况。因此，针对提升机运行过程中实时存在的张力差，需要加装相应的张力监测装置，实时监测钢丝绳的张力情况，便于及时采取相应措施。通过加装钢丝绳张力监测装置，利用可靠的检测方法，可以时刻掌握各钢丝绳张力的变化情况，及时发现问题，并采取相应的措施来规避因钢丝绳张力不平衡所引发的各类事故，同时还能够提升钢丝绳的运行寿命，为企业提质增效[1]。该项目的有效实施对提升机安全、可靠、高效运行具有重要的理论和实际意义。

根据目前矿井提升系统的运行环境与监测目标，对矿井提升系统的安全运行设计了监测方案，其运行工作原理如图1 所示，该提升系统监测技术主要应用有线与无线通信技术，对提升机系统进行实时监测。通过在提升系统中安装相应的检测传感器，可以实时监测钢丝绳的张力以及提升箕斗的平衡状况。由于安装在箕斗上的检测传感器会跟随箕斗的运行发送位置变化，因此在进行箕斗运行监测中，主要应用无线通信监测技术，而对于尾绳位置的监测主要采用固定有线通信的传输监测技术，因为尾绳部位安装的传感器是固定式的，有线传输的信号更为稳定可靠，监测数据更为精准。

矿井提升机运行监测系统主要由三大部分构成，分别是上位机、下位机及组态监控界面，其中上位机和下位机都分别安装了相应的传感器、无线收发装置以及PLC。在矿井提升机工作过程中，监测人员可以通过组态监控界面，对上位机发出“采集”控制指令，随后上位机再通过无线或有线通信技术，将相应指令传送至下位机，下位机接收指令后，开始进行数据的采集，将获取后的相应数据信息再上传至上位机，然后完成上位机至组态软件系统信息传输的闭环控制，最后经由组态软件系统进行信息的实现与存储。假如想要结束信息采集指令时，由上位机发出“停止采集”指令，就可停止数据信息的采集。

无线通信技术在整个监测系统中发挥着重要的信息传输作用。主要工作原理是将采集后的相应信号转变为低频电信号，然后再通过调制，将低频变为高频，经放大后的电信号发射，再经过天线作用转为电磁波，然后接收端从接收到的电磁波中选择有用的高频电信号，再经调制由高频电信号变为低频电信号，最终完成整个信息的传输。无线监测通信技术主要是应用在提升机箕斗传感器中，由于监测钢丝绳载荷的传感器安装在箕斗上，而箕斗与传感器是协同运动的，因此，采用无线通信技术最为合适。

在无线监测通信中信息采集端对箕斗传感器上的信号采集后，通过无线通信技术发送给信息接收端，无线信息接收装置主要安装在矿井的井口位置，接收采集端发送来的数据信息，对信息信号处理后上传至上位机，经上位机传输至组态软件系统中，显示、分析数据，同时对危险信号进行报警处理，并对信息进行存储。

无线传输与有线传输的不同点主要是传输媒介的不同，有线通信需要有光纤及金属导线等实体的传输媒介进行信息的输送。其原理主要是将采集的信号转为光信号或者电信号，再经过实体媒介进行终端传输。有线传输相比于无线传输的优点主要是传输信息速率快、稳定性好、安全性有保障且对应外界环境的抗干扰能力较强，有线通信传输技术的应用需要具备信息出发点、接收点以及网络协议等三方面的要素。在提升机监测系统中，由于钢丝绳尾部传感器是固定式的，因此，采用有线传输技术可以更好、更快捷地传输监测信息。

钢丝绳张力常用的监测方法有旁压监测法、电机电流法、磁通密度法、油压监测法以及串接载荷传感器法等。通过对以上几种监测方法进行对比分析可知，旁压监测法在对钢丝绳张力的监测中，存在钢丝绳磨损及弯曲等问题。电机电流法的检测需要满足电机运行条件，才可以进行相应的监测工作。磁通密度法由于技术成熟度不够，对于监测数据准确性有待考察。油压监测法虽然技术成熟，但是无法做到针对每根钢丝绳张力的有效监测，并且在监测过程中还容易发生漏油的现象，因此也不宜采用。而在串接载荷传感器法中，如图2-1 所示，传感器串接在钢丝绳与提升箕斗之间，危险系数相对较高。如图2-2 所示，传感器安装在油缸与调绳螺母之间，监测性能相对较好，通过对国内外相关献进行研究，最终采取该监测方法测量载荷传感器压力值，对提升机钢丝绳的张力进行监测，同时在此基础上进行技术改进，可以更加快速精确地监测钢丝绳张力情况。

传感器主要用于数据检测，但安装位置也是极为重要的，会直接影响到检测数据的准确性和系统的稳定性。因此，在选择传感器的安装位置时必须谨慎小心。

钢丝绳作为矿井提升系统中的重要传输部件，需要具备较大的载荷力，而满足钢丝绳载荷监测的传感器，其承载能力至少应是钢丝绳载荷能力的13 倍。当钢丝绳与传感器协同工作后，不能降低钢丝绳的强度，不能损坏钢丝绳，更不能影响提升机的原有结构。多绳摩擦提升机是通过张力自动平衡装置去实现各根钢丝绳之间的平衡，张力自动平衡装置主要是采用闭环无源液压连通原理，能够实现对各种因素所引起的张力不平衡进行自动调节，并能有效解决多绳摩擦提升钢丝绳产生的动态平衡问题。

借助于张力自动平衡悬挂装置的特殊结构，可以有效实现钢丝绳张力的有效检测，通过检测载荷传感器的检测数据，可以直观地读取钢丝绳的张力状况[2]。载荷传感器的位置安装有两种设计方式：一是安装在油缸活塞与滑块处，二是安装在滑块与中板底部。通过分析两种方式可知，当滑块移动到横梁处时，受横梁限制，不再向上移动。如将传感器的位置设置在滑块与中板底部处时，当提升机受到较大冲击或加速时，安装的相应传感器也会受到相应的冲击破坏作用，造成传感器的损坏。若设置在油缸活塞与滑块处，受油缸的影响，产生缓冲效果，能减轻传感器因受冲击造成的破坏，断定油缸活塞收缩即将达到极限，进而调整钢丝绳的张力。可见，安装在油缸活塞与滑块处是最合适的，见图3。

1）提升机钢丝绳动态张力实时监控系统，能够对每根提升钢丝绳运行的张力实时监测，及时、准确地将每根提升钢丝绳的张力数据实时反映到监控终端，并对提升运行过程中出现的提升钢丝绳张力超限实现报警功能。

2）针对多绳摩擦提升钢丝绳的张力不平衡问题，监测系统通过根据每根钢丝绳间张力差大小，预警钢丝绳之间不平衡的超限值，可提前安排截绳、调绳等维护工作，避免因维修不及时而造成损失。

3）通过实时监测系统的应用，探究了循环变化载荷作用下钢丝绳的损伤机理，分析钢丝绳的应力和变形模型，以及在变载荷模式下对钢丝绳的疲劳破坏预测，从而预测钢丝绳的使用寿命。

4）建立了有效的管理预防机制,指导钢丝绳使用过程的维护工作，为提升钢丝绳使用年限提供了科学依据。该项目在煤矿主井进行了工业性试验，取得了良好的效果。