矿用绞车钢丝绳超载保护装置研究

第２４卷第５期　２０１１年９月　文章编号：１００２—６６７３（２０１　１）０５—０３７—０３　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　机电产品开发与　新　ＶｏＩ．２４，ＮＯ．５　Ｓｅｐ．，２０１　１　矿用绞车钢丝绳超载保护装置研究　李明　，贾秀芹　（１．辽宁工程技术大学机械＿Ｔ程学院，辽宁阜新１２３０００；２．阜新矿业（集团）有限责任公司煤层气开发公司，辽宁阜新１２３０００）　摘　要：系统采用心形结构对煤矿绞车钢丝绳的实际承载力检测。煤矿绞车在工作过程中，由于被拉小车　承载力突变使钢丝绳承受拉力超限被拉断，本文设计了在小车与钢丝绳之间加装心形拉力检测装　置，控制系统以单片机为核心，基于无线电通讯技术，对心形结构中安装的压力传感器数据进行监　控，实现了钢丝绳拉力的测量。实现超载保护的功能。　关键词：矿用绞车；钢丝绳；超载保护；心形结构　中图分类号：ＴＤ５３２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１１．０５．０１６　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｍｉｎｅ　Ｗｉｎｃｈ　Ｓｔｅｅｌ　Ｗｉｒｅ　Ｒｏｐｅ＂ｓ　Ｏｖｅｒｌｏａｄ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　ＬＩ　Ｍｉｎ　，Ｊ１Ａ　Ｘｉｕ－Ｑｉｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１２３０００．Ｃｈｉｎａ；　２．ＣｏＭｂｅｄ　Ｍｅｔｈａｎｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｆｕｘｉｎ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，Ｆｕｘｉｎ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１２３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｅｓ　ａ　ｈｅａｒｔ—ｓｈａｐｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｎ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｗｉｎｃｈ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｒｅ　ｒｏｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｙ　ｔｔｅｓｔ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｈｅ　ｍｔｉｎｅ　ｗｉｎｃｈ，ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｂｅｉｎｇ　ｐｕｌｌｅｄ　ｃａｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｙ　ｏｆ　ｔｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｒｅ　ｒｏｐｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｇａｕｇｅ　ｍｕｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｂｒｏｋｅｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｔｈｅ　ｄｏｕｖ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｒｅ　ｒｏｐｅ　ｉｓ　ａｒｒａｎｇｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｒｔ—ｓｈａｐｅｄ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｔｏｍ－　ｐｕｔｅｒ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ，Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｒａｄｉｏ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｈｅａｒｔ—ｓｈａｐｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄａｔａ　ｍｏｎｉｔｏｒ，Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａ—　ｉｔｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｒｏｐｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌｏａｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ　ｗｉｎｃｈ；ｓｔｅｅｌ　ｉｒｅ　ｒｏｐｅ；ｏｖｅｄｏａｄ　ｐｒｏｔｗｅｃｔｉｏｎ；ｈｅａｒｔ—ｓｈａｐｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　０引言　煤炭行业中使用的钢丝绳占我国钢丝绳产量的一半　全规程》要求取样送检，二是可以变动易损段，延长使　用寿命。　（２）冲击和振动：主井提升系统采用低频拖动装　置，使停车前的爬行速度不超过０．４ｍ／ｓ，绳的冲击大为　减小。副井提升系统采用新式罐耳座和胶龙滚动罐耳．　并调整罐道接头，使提升系统运行中的冲击和振动显著　左右。由于它经常处于磨损、磨擦、潮湿、腐蚀、过载　等工作环境中，使得煤矿从井下每提升１０万吨煤．平　均需耗用５吨左右钢丝绳。由于对钢丝绳的认识不够，　各地大都发生过断绳跑车事故，给人身安全和经济造成　了很大损失。绞车是井下使用比较频繁的设备之一．由　于井下用液压支护装置。所以需要对沉重的液压支架设　备进行移动，而移动液压支架的主要方式是用绞车拉，　而液压支架经常会在无轨道移动。其受力极其不均衡．　有时会受高于安全系数几倍的力，所以会使钢丝绳由于　过载而断裂或把绞车拉跑。不仅造成了时间的浪费和经　济的损失，更重要的是容易造成人员的伤亡，因此本文　主要介绍绞车钢丝绳超载保护装置。　降低。　（３）疲劳损伤：在条件许可的情况下。尽可能使卷　筒和滑轮直径增大；在安排滑轮布局时，应尽量避免钢　丝绳反向弯曲；尽可能选择结构好的钢丝绳。　（４）外伤：严格执行操作规程：完善设备设施的防　护能力；新挂设的钢丝绳在其自由端设置旋转装置：特　殊的场合，研究采用不旋转钢丝绳。　（５）磨损：把斜井托绳轮由铸铁换成了聚氯酯托绳　轮，尽可能减少对钢丝绳的刚性磨损；尽可能避免钢丝　１钢丝绳常见防护措施　（１）腐蚀：涂油维护；定期调整：一是按《煤矿安　收稿日期：２０１１—０７—１８　绳在卷筒上打缠，遭受撞击；为避免单周磨损，要定期　倒换绞车钢丝绳绳头；结合实际，正确选择钢丝绳的规　格型号。　（６）超负荷运行：正确选择钢丝绳、操作人员严格　按照规程工作尽量避免超负荷运行。　作者简介：李明（１９６５－），硕士研究生，工程师。　３７　・产品与市场・　由于上述措施不能很有效的解决钢丝绳超负荷运　行，因此需要开发钢丝绳超载保护装置。　１．压力传感器　２．连接杆　３．箱体　４．勾头环　５．钢丝绳　２超载保护装置的主要功能　（１）钢丝绳的承载能力。钢丝绳拉力小于１０ｔ计算，　要求传感器设计符和标准，变送器输出电压信号在　５Ｖ。　（２）测量精度１０％。　（３）显示方式。数据四位ＬＣＤ显示，小数点浮动，　随钢丝绳的承载能力而变化；报警四位ＬＥＤ显示。　（４）参数的设定（压力传感器系数、报警的上下限　参数）。为确保矿用绞车安全运行，当所载的重量为提升　机安全载重的９０％时，发出预警信号．大于１１０％时发出　报警信号，并同时记录当时钢丝绳的受力数值及时问。　（５）通讯功能。通过ＲＳ一２３２无线收发模块完成井　图２传感器安装及受力示意圈　Ｆｉｇ．２　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉａｇｒａｍ　合．这样可以使杆在受压力时能够轴向移动，从而把钢　丝绳的拉力转换成压力传递到压力传感器上。　本装置是将钢丝绳的拉力转变为压力，当钢环与钢　丝绳分别受方向相反、大小均为Ｆ的拉力时．勾头环就　会由于受力而变形，使得传感器１的受压，进而使得　力传感器受到轴向压力。　由于心形环形状的不规则，通过传统力学计算２点　下在线监测和地上报警系统的实时监控的通讯功能。　的受力不是很准确，因此，运用ＡＮＳＹＳ对在力Ｆ的作　用下传感器理论的受力值进行分析．测出在力Ｆ的作用　下，图２中的２点的受力值与Ｆ的关系，首先通过　Ｐｒｏｅ／Ｅ建立简易模型，如图３，通过Ｐｒｏｅ／Ｅ和ＡＮＳＹＳ的　无缝连接．将模型导人ＡＮＳＹＳ中．通过有限元方法进　行分析。在ＡＮＳＹＳ中，首先对定义模型的类型，进行　前处理的设定，再进行网格的划分，如图３。通过图２　３系统设计　矿用绞车钢丝绳超载保护装置的硬件部分是由测力　传感器、测量系统、预警系统和无线收发模块组成，软　件部分由数据处理检验、报警限设定程序组成。保护装　置安装在勾头环内实时测量、记录钢丝绳的受力情况。　为防止拉力传感器在使用中断裂，该系统将拉力传感器　改装成压力传感器。使其测得的电压模拟信号通过Ａ／Ｄ　转换数字．送给单片机运算处理后，以钢丝绳为媒介通　过磁环发射出去；绞车房的接受机接到信号后，通过上　位机的运算处理后．分别送到显示装置和报警装置。系　统组成框图如图１所示。　所示的受力原理对模型施加拉力和约束。对不同力下２　点的受力进行分析，力Ｆ分别取５０００Ｎ、１００００Ｎ、　１５０００Ｎ、２０￣０Ｎ，得出５０００Ｎ的等效应力图如图３，２　点的所受的在２０Ｍｐａ左右，通过换算，在工程中约等于　２０００Ｎ，当Ｆ等于１００００、１５０００、２００００时，２点的受力　分别是４０００Ｎ、６０ｏ０Ｎ、８０００Ｎ。得出力Ｆ和２点所受力　的比例为２．５：１　由于模拟分析时忽略了钢丝绳与心彤环　传感器１　多　多ｒ　通　路｝　道　ｆ————————１｛发射电路　ｉ｝　Ｌ————一—　—　＿＿＿ｊ　ｔ　传感器３　传感器２　鬟　已　器Ｌ　０　１转　换　…一｝　ｌ接收电路　‘　。　。。　‘　。　‘’　‘　‘　｝　图１系统组成框图　Ｆｉｇ．１　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　图３　Ｐｒｏｅ，Ｅ模型及应力状态图　Ｆｉｇ．３　Ｐｒｏｅ／Ｅｍｏｄｅｌａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅｆｉｇｕｒｅ　４传感器的安装及受力原理　传感器的安装及受力示意图如图２所示。１为压力　传感器；２为连接杆，其作用为连接压力传感器与勾头　环；３为箱体，要求其有良好的密封性，主要是为了保　护传感器以及放在箱内的电源、电路板、信号发射装置　等不受粉尘、水等影响；４为勾头环；５为钢丝绳。　其中压力传感器１与连接杆２用螺栓连接；连接杆　２与勾头环４焊接在一起；下边的连接杆与箱体焊接焊　的接触，同时在ＡＮＳＹＳ中不能看出具体的数值，只是　近视的分析出２点受力，因此存在误差。　５信号处理方案　５．１采集软件流程　系统软件采用模块化设计，软件流程如图４所示。　系统上电或复位后，首先调用ＥＥＰＲＯＭ中的参数，然　后调用数据采集模块，将传感器输出的模拟电压值转换　成对应的数字量。为了提高系统检测精度，调用数据处　接在一起．而上边的连接杆与箱体问的配合利用间隙配　３８　・产品与市场・　１和表２所示。　５．３平均值滤波　将３个数据采集通道的采样值进行加权平均，并且　将连续的Ｎ个采集数据进行算术平均运算。期中Ｎ值　越大，信号的变化越平滑。此过程对一般随机干扰的信　号进行滤波，信号的特点就有一个平均值，并在某一数　值范围内上下波动。其算法为：　ｘ一　±兰　！　Ｂ一　茎　—　图４采集程序流程图　Ｆｉｇ．４　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆＮ　Ｎ　式中：Ｘ为均值，Ｘ。、ｘ：、…、Ｘ　为Ｎ次测量值。　为不影响检测的灵敏度。本系统根据实验，选择采　样点数为Ｎ＝ｌ０，此时信号平滑度较好，灵敏度也较高。　在通常情况下．采用平均值滤波可以防止噪声等原因引　理模块对采集到的数据进行数字滤波运算，避免大的误　差产生，再进一步进行线性插值运算。将所得的压力值　与报警值相比较，若压力值超限，则调用声光报警模块。　起误报警。总体来看，检测信号在某一数值附近上下波　动。通过实验，使用标准传感器进行数据标定，标准传　感器在受拉和受压时的具体的数据如下：　表３拉力和压力数据对比　Ｔａｂ．３　Ｐｕｌｌ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄａｔａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　５．２无线串口通讯程序　井下采集部分和地面检测部分的串口中断子程序软　’件流程如图５所示。其主要实现井下传感器数　据采集和地面监控室的通讯功能，接收上位机　发送的命令来判断单片机的　作模式，通过召　受力　唤信号将单片机的休眠状态唤醒，向地面发送　状态　实际采集值　压力　０测量　５０５　Ｏ．６１５　０．５１７　０．５９１　０．６Ｏ３　０．５４２　０．５３０　０．５６６　Ｏ．５ｌ５　Ｏ．６０３　Ｏ．６１５　Ｏ．５１７　．直接　１拉力　６３　１．７ｌ　１．６９　１．７７　１．８５　１．７１　１．６３　１．８２　１．６８　１．８５　１．８４　１．６ｌ　．表４拉力和压力数据对比　Ｔａｂ．４　Ｐｕｌｌ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄａｔａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　受力　状态　实际采集值　压力　测量　ｏ．６８８　０．７０１　０．７６２　０．６７６　０．６５２　０．７４９　０．７Ｏｌ　０．７２５　０．７７４　０．６１６　０．６８８　０．７８６　图５数据发送及接收流程图　Ｆｉｇ．５　Ｓｅｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｄａｔａ　ｆｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍ　直接　２拉力　１２　２＿２５　２．４８　２．１８　２．１８　２．７８　２．１３　２＿３６　２Ｉ３６　２．１５　２－２２　２．１５　．数据。　因为在井下的绞车的移动位置不固定，并且存在巷　道间隔，一次设立了信号转接装置，为防止信号之间传　输的冲突，在发送的字段中设置了字段地址，在发送的　字段中取异或值时，除去标志字符，具体收发格式如表　表１井下采集部分的发送字段　Ｔａｂ．１　Ｄｏｗｎｈｏｌｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　６结束语　通过现场数据调试分析可以看出，该监测系统的运　行是可靠的，所监测到的张力数值能够如实反映钢丝绳　的实际受力情况。实验表明：检测装置数据采用无线传　输方式可以有效减少通讯线路故障引起的通讯中断．采　用心形结构检测钢丝绳的拉力方案完全可行。　参考文献：　【１】胡乾斌，李光斌，李玲．单片微型计算机原理与应用【Ｍ】．武汉：华中　理工大学出版社．１９９７．　字头　设备　标志　数据地址　４０　３０　６０　数据字　１　数据２　数据３　异或　ＣＲ　节数　３２　３５　３３　０８　ＯＤ　３１　表２地面接收部分的应答字段　Ｔａｂ．２　Ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｆｉｅｌｄ　设备地　数据字　［２】康华光．电子技术基础（模拟部分）【Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９６．　［３】姜学军．计算机控制技术【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００５．　字头　４０　址　３０　节数　３３　数据１　数据２　数据３　异或　３ｌ　３２　３３　０８　ＣＲ　３９