一種提升機鋼絲繩張力動態(tài)測量裝置的設(shè)計與分析

□ 張俊杰 □ 文學(xué)洙

延邊大學(xué)工學(xué)院 吉林延吉 133002

礦井提升機作為煤礦的主要提升設(shè)備，其運行狀況在很大程度上影響著煤礦工業(yè)安全、高產(chǎn)、高效的目標(biāo)，直接關(guān)系著礦井工作人員的人身安全。隨著礦井開采深度的增加和一次提升量的加大，多繩摩擦式提升機由于具有體積小、自重輕、提升能力大、安全性能好、適合于深井等優(yōu)點，已在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮出越來越突出的作用［1］。

多繩摩擦式提升機安全運行的關(guān)鍵是保障多繩間的張力平衡［2］，我國《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定：任意一根提升鋼絲繩的張力與平均張力之差不得超過±10%。但在實際生產(chǎn)過程中，由于摩擦輪繩槽的直徑制造誤差、襯墊的磨損、鋼絲繩的直徑誤差、彈性模量、提升容器內(nèi)裝載物的分布不均勻等因素，都會使提升過程中的鋼絲繩產(chǎn)生較大張力差。若各鋼絲繩之間的張力不平衡，不僅會影響到提升性能，而且還會造成鋼絲繩疲勞損壞和摩擦襯墊的早期報廢，甚至?xí)l(fā)生滑繩、斷繩等重大生產(chǎn)事故［3］。目前，生產(chǎn)實踐中多采用三滾輪方式來檢測鋼絲繩的橫向力，通過檢測與中間輪相連接的連桿應(yīng)變量，測算鋼絲繩的張力。實踐證明，上述方法能夠在一定程度上解決鋼絲繩的張力檢測問題，但檢測結(jié)果不夠準(zhǔn)確。筆者結(jié)合提升機鋼絲繩所處的特殊工作環(huán)境，提出了一種新型提升機轎廂張力動態(tài)測量裝置，該裝置采用張力合成原理，將對鋼絲繩中的張力測量轉(zhuǎn)化為對壓力傳感器的壓力測量，受力分析結(jié)果表明，該鋼絲繩張力測量裝置可以動態(tài)測量鋼絲繩的張力。

1 張力動態(tài)測量裝置設(shè)計

根據(jù)提升機鋼絲繩的特殊工作環(huán)境，設(shè)計了滾輪式鋼絲繩張力測量裝置，工作原理如圖1所示，它采用大曲率的滾動接觸方式，保證鋼絲繩能夠平穩(wěn)導(dǎo)向。具體組成：5個滾輪均布在以O(shè)為圓心的圓弧上，鋼絲繩兩端分別連接提升機和鋼絲繩固定端，測力傳感器安裝在底板后方，通過加載軸來傳遞接觸力，壓力傳感器選用圓膜片式壓力傳感器［4，5］，由力矩平衡原理可知，當(dāng)鋼絲繩中存在張力時，該傳感器會受到相應(yīng)的壓應(yīng)力，使壓敏元件發(fā)生變形，產(chǎn)生電信號，從而檢測出相應(yīng)的張力值。

▲圖1 張力動態(tài)測量裝置工作原理及系統(tǒng)組成

2 張力動態(tài)測量裝置力學(xué)分析

作為一種機械傳動式測量裝置，需要分析鋼絲繩在測量過程中的實際受力情況，以獲得傳感器輸入端壓力與實際鋼絲繩張力間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而分析機構(gòu)傳動過程中由于摩擦等因素引起的測量誤差。筆者將張力動態(tài)測量裝置受力分為靜力分析和摩擦力分析兩部分，其中，靜力分析為張力測量裝置的基本設(shè)計依據(jù)，用于校核設(shè)計中的強度和剛度，并為摩擦力分析提供輸入條件。

2.1 測量裝置靜力分析

如圖2所示，張力動態(tài)測量裝置的真實受力情況可以簡化成3組不同的支反力，其中：Fc和Fd為鋼絲繩在測量裝置兩端的受力，靜力平衡條件下Fc=Fd；N為鋼絲繩與滾輪接觸施加于鋼絲繩的反作用力；Ps為底板傳遞給傳感器的力。對圖中的每組力分別進(jìn)行受力平衡分析。

2.1.1 組①受力分析

組①包括2號和4號滾輪，由于兩滾輪受力是關(guān)于線對稱分布，故只分析其中一個即可。受力分析如圖3所示，以2號滾輪為受力對象，F(xiàn)c為鋼絲繩張力，N2為合力。由圖可知，鋼絲繩作用于滾輪的合力方向指向滾輪分布圓的圓心，由此可得合力與水平方向的夾角為 16.1°+8.05°=24.15°，合力及其兩個方向的分力為：

2.1.2 組②受力分析

組②為3號滾輪，如圖4所示，以3號滾輪為受力對象，鋼絲繩作用于滾輪的合力方向指向滾輪分布圓的圓心，由此可得合力與水平方向的夾角為32.2°+8.05°=40.25°，合力及其兩個方向的分力為：

▲圖2 張力動態(tài)測量裝置靜力分析

2.1.3 組③受力分析

組③包括1號和5號滾輪，如圖5所示，該組拉力并不是沿著圓周對稱分布的，即合力并不是指向滾輪分布圓的圓心。以1號滾輪為受力對象，由幾何關(guān)系可知，合力方向與水平方向偏角為8.05°，兩拉力的夾角為64.4°，由此可得合力及其兩個方向的分力為：

如圖6所示，疊加上述3組滾輪所受合力，整理可得5個滾輪所受的合力Fs=FS1+FS2+FS3，該合力的作用方向與水平線成40.25°。結(jié)構(gòu)設(shè)計時取l1=l2，根據(jù)力矩平衡關(guān)系，可得壓力傳感器的理論壓力PS為：

▲圖3 組①滾輪受力分析

▲圖4 組②滾輪受力分析

▲圖5 組3滾輪受力分析

▲圖6 3組合力示意圖

▲圖7 滾輪摩擦受力分析

假設(shè)被測力FC=600 N，代入式（6），即可得靜力平衡下傳感器理論計算值為PS=775.4 N。

2.2 測量裝置摩擦力分析

靜力分析結(jié)果將為測力機構(gòu)的摩擦力分析提供輸入條件，如圖7所示，以單個滾輪為對象，進(jìn)行摩擦受力分析，其中：f為摩擦力，F(xiàn)為上一級滾輪內(nèi)拉力，F(xiàn)′為下一級滾輪內(nèi)拉力，且F′等于F加上單個滾輪的摩擦力f，M為摩擦力矩，r為摩擦圓半徑，R為鋼絲繩接觸半徑，N為滾輪對鋼絲繩的作用力。

以1號滾輪為受力分析對象，由于鋼絲繩受到摩擦力作用，所受合力大小較靜力狀態(tài)要大，方向不變，平衡方程如下：

式中：F1=FC；ρ為拉力-支撐力比例因子，ρ=0.280 1；ζv為等價摩擦因數(shù)潤滑條件下取 ζ=0.05［6］［7］，下同。

對2號滾輪分析可得：

式中：F2=F1′。

對3號滾輪分析可得：

式中：F3=F2′。

對4號滾輪分析可得：

表1 各個滾輪所受力計算結(jié)果/N

式中：F4=F3′。

對5號滾輪分析可得：

式中：F5=F4′。

假設(shè)被測力 FC=600 N，聯(lián)立式（7）～式（11），即可得到滾動摩擦情況下的各個滾輪受力情況，計算結(jié)果見表1。

將表1中的各個支持力 N1、N2、N3、N4、N5代入式（1）～式（6）中，進(jìn)行受力分解和合成，即可得出在摩擦情況下5個滾輪所受的合力FS為：

由力矩平衡可知，在滾動摩擦情況下傳感器理論計算值為PS′=831.9 N，相比靜力分析結(jié)果PS=775.4 N，偏大了56.6 N。由此可見該傳感器測量誤差主要來源于滾輪和鋼絲繩之間的滾動摩擦。因此在實際使用中應(yīng)盡可能采用液體或固體潤滑處理，避免發(fā)生干摩擦，或通過改變角度和材料等來減小摩擦力，提高測量精度。

3 結(jié)論

設(shè)計了一種新型檢測提升機鋼絲繩張力動態(tài)測量裝置，結(jié)合設(shè)計進(jìn)行了相關(guān)靜力分析及摩擦力分析，獲得了測量裝置的誤差影響因素。由力學(xué)分析結(jié)果可知，實際測量中應(yīng)盡可能采用潤滑處理，減少摩擦影響。該測力機構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，通用性強，具有較高的應(yīng)用價值。

［1］劉云楷，徐桂云，張曉光.多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.煤礦機械，2011（5）：131-133.

［2］侯英勇，譚繼文，張興波.基于虛擬儀器技術(shù)的鋼絲繩張力檢測方法的研究［J］.煤礦機械，2009（1）：43-45.

［3］王廣豐，潘宏歌，鐘海娜，等.摩擦提升鋼絲繩張力監(jiān)測［J］.煤礦機械，2005（5）：1-3.

［4］孫寶元，楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊（第一版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［5］卓如飛.高速紙機卷取部的張力測量和控制［J］.儀表自控，2001（1）：23-24.

［6］蔣維新，鄭英強.單機座冷軋機張力測量裝置的優(yōu)化設(shè)計［J］.上海有色金屬，1985（5）：32-35.

［7］溫詩鑄.摩擦學(xué)原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1990.