礦井提升機鋼絲繩張力監測傳感器應用研究

魏豆云

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046200）

引言

提升機作為煤礦生產和運輸的關鍵設備，被稱為“礦井咽喉”，在保障安全生產中起著至關重要的作用，通常用于提升礦物、設備或運輸工人。在長時間的運行過程中，如果出現鋼絲繩過載和張力不平衡等起重問題，會導致危險事故發生。因此，鋼絲繩張力實時監測對保障煤礦安全生產具有重要的理論和現實意義[1]。許多學者對鋼絲繩張力監測系統和用于不同條件下測力的相關傳感器的設計進行了大量的研究，但是它們幾乎都不適合礦井惡劣環境情況下的實時張力監測。本文針對現有礦用壓力傳感器在張力監測階段頻繁出現劇烈擾動，設計一種新型特殊結構的聲過濾傳感器，并應用顆粒阻尼的減振技術。

1 提升機鋼絲繩張力實時監控系統

1.1 系統架構設計

多繩提升機鋼絲繩張力監測系統如圖1 所示。以下井籠A 為例，聲過濾傳感器安裝在平衡缸的中間。首先，通過數據采集裝置采集的張力信號被傳輸到無線通信模塊。通信模塊將獲取的信號發送到安裝在井中的數據接收模塊。然后，信號通過RS485/232 轉換器傳輸到提升機監測平臺[2]。最后，數據由主計算機處理，實現鋼絲繩的張力監測。為了說明張力隨籠A深度的變化規律，籠位置信號和籠內位置信號也傳送到主機，分別由霍爾傳感器和位置監測裝置獲得。

圖1 張力實時監控系統安裝布置示意圖

1.2 平衡缸模型設計

為了說明監控系統的可行性，在圖2 中建立了提升機的平衡缸模型。該模型主要由內板、側板、液壓缸、活塞桿、滑塊等組成。內板的頂部為提升端，提升端通過銷孔與一根鋼絲繩連接，另一端通過凹槽與滑塊的底部連接。側板上端與油缸連接，底部為負載端，負載端通過銷孔與保持架連接。濾聲傳感器安裝在活塞桿和滑塊之間。在提升機運行過程中，作用在濾聲傳感器下端的牽引力等于鋼絲繩的張力，表示為P0。負載端通過側板和活塞桿作用在濾聲傳感器的上端的力，稱為P1。在忽略動載荷的情況下，P0=P1。因此，基于上述監測系統，可以獲得鋼絲繩的張力。平衡缸將底部貫通，保持了不同部位液體的流通性，在面對振動時，也能根據外部條件變化而進行自我調節[3]。

圖2 監測系統的平衡缸模型

2 監控系統傳感器設計及其原理

2.1 傳感器設計

聲濾波傳感器的結構如下頁圖3 所示。傳感器主要由圓盤蓋和圓盤底座組成。這兩部分螺紋連接后焊接在一起，形成一個圓柱形空腔和一個平的間隙。選擇二甲基硅油作為傳感器的填充液[4]。為了防止漏油，在閥瓣蓋和閥瓣底座的連接處安裝了一個墊圈。考慮到傳感器焊接后不會再更換墊片，選用銅材作為墊片材料。應變區是一塊圓形薄板，設置在盤蓋的中心，應變區的上側貼有應變片，用于測量油壓。在閥瓣蓋中間提供了一個引線槽，用于接線和保護繩索。此外，在盤座的下部設計了一個注油孔，將油注入空腔和間隙。

圖3 聲濾波傳感器結構示意圖

為了防止空氣進入油腔，噴油需要用特殊的真空泵裝置來完成。如圖4 所示，左邊的裝置用于容納二甲基硅油，并通過塑料管與右邊的真空泵連接。無油傳感器浸入油中，然后真空泵開始抽吸容器中剩余的空氣。隨著內壓的降低，無氣油通過噴油孔逐漸注入傳感器，注油后用螺釘將孔密封在油中。

圖4 抽真空裝置示意圖

2.2 傳感器測量原理

根據平衡缸工作原理，外部載荷通過平衡缸作用在傳感器的圓盤蓋上，鋼絲繩的牽引力作用在傳感器的圓盤底座上。在這兩種力的作用下，傳感器會被擠壓和彎曲。變形主要發生在圖3 中陰影色標記區域。為了研究牽引力和外部載荷之間的關系，將標記的傳感器結構進行簡化，如圖5-1 所示。陰影標記區域的下圓薄板從力學角度相當于懸臂板，如圖5-2 所示的彎曲懸臂板。面對外力時，會改變油腔容積和內部油壓。油壓增加導致應變區域變形，通過測量的輸出值就能夠計算鋼絲繩的張力。

圖5 聲濾波傳感器測量原理示意圖

2.3 傳感器濾波原理

當懸臂板彎曲時，油腔中的流體會被擠壓并振動。油腔由間隙和圓柱形腔兩部分組成。假設間隙中的流體質量為M1，圓柱形空腔中的流體質量為M2，由于間隙寬度較窄，M1能量通過間隙阻尼耗散。此外，如果設計參數使振動頻率接近流體M1的固有頻率，就會發生共振。通過這種方式，包含在流體M1中的動能被耗散到最大。因此，流體M2的振動將被減弱，作用在應變區的油壓和應變儀產生的輸出電壓信號變得更加穩定[5]。

為了證明聲濾波傳感器的濾波原理，建立了油腔的動力學模型。與圓柱形空腔相比，間隙平坦、狹窄且體積較大，當流體M1在間隙中流動時，會產生阻尼效應和彈性效應。因此，間隙可以簡化為彈簧- 質量-阻尼系統。對于流體M2，應變區在圓柱腔內流動時會受到擠壓，此時應變區對流體M2的影響相當于彈簧。因此，圓柱形空腔可以簡化為彈簧- 質量系統。油腔的等效振動模型如圖6 所示。

圖6 油腔的等效振動模型

3 系統試驗分析

3.1 試驗裝置

如下頁圖7 所示的實驗裝置由顯示器、DC 電源、濾聲傳感器、標準傳感器和液壓缸組成[6]。聲學過濾傳感器同心放置在標準傳感器上，兩種傳感器安裝在液壓缸和支架之間。液壓缸用于模擬外部負載。液壓缸作用在標準傳感器上的力等于標準傳感器作用在聲過濾傳感器上的力。因此，通過傳感器的輸出電壓來驗證線性度是可行的。理論上，輸出電壓應與測量范圍內的外部負載成線性比例。在室溫下對標準傳感器施加液壓缸的靜態預載，預載范圍0～12 t，模擬提升機運行時的工況狀態。

圖7 實驗裝置示意圖

3.2 結果分析

聲過濾傳感器對同一根鋼絲繩的張力測量結果，如圖8 所示，有效消除了對采集數據的干擾，曲線光滑且噪點小，張力隨提升時間近似呈線性變化。煤礦提升機的兩條尾繩質量約為6 t，在整個提升過程中，一根鋼絲繩的張力差最大值約為1.47 t，四根鋼絲繩的總張力約為5.88 t，相當于尾繩的質量。計算結果表明，所設計的傳感器測量的信號是可靠的。因此，聲濾波傳感器可以應用于鋼絲繩的動態張力監測。

圖8 提升機鋼絲繩張力監測曲線

4 結語

提升機作為煤礦生產的重要機械部件，關系到了煤炭物料和人員運輸的連續性。針對其鋼絲繩安全監測問題，本文介紹了一種用于鋼絲繩張力實時監測的聲學濾波傳感器，并且應用了顆粒阻尼的減振技術。與通用壓力傳感器相比，聲過濾傳感器具有更好的消振和濾噪特性，可進一步推廣并用于鋼絲繩張力不平衡事故的診斷和預測。設計的傳感器可以有效降低系統的聲輻射功率，提升了對張力監測的精確性。研究成果為煤礦電氣設備監測傳感器研發提供了依據。