礦井提升鋼絲繩張力與載重在線監測系統設計與應用

摘要：[A1]"由于煤礦提升運輸過程中經常發生提升墜罐、過卷等事故，嚴重制約著礦井的安全生產。因此，針對煤礦提升機在提升過程中存在的安全隱患，設計了鋼絲繩張力與載重在線監測系統。利用監測系統對提升機相關數據的采集、分析、實時監測等功能，可以及時發現提升機的運行情況，判斷鋼絲繩張力、提升載荷等故障，并進行故障報警。該系統的應用能夠有效保障礦井提升系統的安全、穩定運行，實現企業提質增效的目的。

關鍵詞：礦井提升系統 鋼絲繩張力 載重 在線監測

Design and Application of Online Monitoring System for Wire Rope Tension and Load of Mine Hoisting

WANG Jianjun HUANG Jun ZHANG Yong

Zaozhuang Mining （Group） Co.， Ltd.， Tianchen Coal Mine， Zaozhuang， Shandong Province， 277523 China

Abstract： Due to frequent accidents such as tank dropping and over rolling during coal mine lifting and transportation， it seriously restricts the safety production of mines. Therefore， in response to the safety hazards that exist during the lifting process of coal mine hoists， an online monitoring system for wire rope tension and load capacity has been designed. By using the monitoring system to collect， analyze， and monitor relevant data of the hoist， the operation of the hoist can be detected in a timely manner， faults such as wire rope tension and lifting load can be determined， and fault alarms can be issued. The application of this system can effectively ensure the safe and stable operation of the mine lifting system， and achieve the goal of improving the quality and efficiency of the enterprise.

Key Words： Mine hoisting system; Wire rope tension; Load; Online monitoring

國家能源局《智能化示范煤礦驗收管理辦法（試行）》（國能發煤炭規[2021]69號）有關主煤流運輸系統中，立井提升系統智能化建設標準要求“立井提升系統具有精確定量裝載功能，具有防重裝、過裝保護功能”“箕斗載重實現在線監測”，輔助運輸系統中要求“副立井提升系統實現載重在線監測”。按上述要求，棗礦集團田陳煤礦在主提升機安裝載重實時在線監測系統，準確監測鋼絲繩張力，顯示提升容器的提升載荷重量。若超載或載荷差超限，則系統報警，消除絞車超能力提升等問題，實現精確定量裝載，防重裝、過裝保護，該裝置提升時，可以監測提升載荷，提高提升系統的安全性和可靠性。

1 礦井提升系統的安全風險分析

在礦井生產過程中，礦井提升安全事故時有發生，其主要原因是由于提升系統超載、鋼絲繩張力過大而引發提升機墜罐或過卷情況。為有效防止此類故障的發生，需要加強對提升機鋼絲繩載荷與張力的實時監測，并利用先進的故障診斷技術進行科學診斷，便于及時解決故障，保障提升系統的安全性。此外，多繩摩擦式提升機運行中，如果各繩的受力不同，也會導致鋼絲繩與摩擦襯墊發生不同程度的磨損，進而降低鋼絲繩與襯墊的使用壽命。此外，在提升機箕斗裝載作業中，如果在出現重復裝載或煤炭超載后還進行提升的話，則會引發提升機動力下降、運行緩慢，鋼絲繩張力過大，甚至發生鋼絲繩斷裂等事故^[1]。因此，通過在線監測鋼絲繩張力差和載荷，并將監測數據實時傳輸至調度控制系統，可以確保煤礦的安全、高效生產。

2 礦井提升機監測系統設計

鑒于鋼絲繩傳感器測量過程中不僅受到強背景噪聲干擾，還受到不確定多源間隙激勵引起振動的影響，振動信號具有很強的非平穩性、非線性、突變等特性，因此，在監測傳感器的選型設計上，不可采用有潛在安全隱患的剪切力傳感器、拉力傳感器監測，也不可采用油壓傳感器，通過測量平衡油缸油壓的方式來換算成張力，因油壓傳感器不能監測張力差且不能準確監測張力^[2]。

根據礦井提升系統的實際情況，采用安裝在平衡油缸處的壓力傳感器直接監測每根鋼絲繩的張力。該壓力傳感器能夠消除鋼絲繩張力振動峰值并能夠準確監測鋼絲繩張力，無論是卡缸，還是活塞桿伸到最長或縮到最短位置，壓力傳感器均可以準確測量鋼絲繩張力，且壓力傳感器誤差≤0.5%FS。通過監測其中1根鋼絲繩的張力后，便可以通過4根相加計算出該提升機的提升總載荷。

2.1 提升機監測系統的組成結構

煤礦主井提升機載重在線監測系統主要通過采集平衡油缸張力信號，然后分析出提升機鋼絲繩的張力、載荷等故障情況，及時發出報警信號，保障礦井提升系統的安全運轉。系統主要包括壓塊式傳感器、雙霍爾傳感器、本安型位置傳感器、隔爆兼本安電源箱、隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源、無線采集發射裝置、本安型信號接收箱、地面數據采集箱與液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）[ 2]"。

2.2" 主要設備的安裝

2.2.1 傳感器探頭安裝

[A3]" 監測系統中，壓力傳感器通過“鑲嵌”的方式安裝在油缸滑塊處。第一，確認需要安裝的設備。現場技術指導人員和工作人員對油缸卸壓，回收油缸內油。第二，安裝傳感器探頭。施工人員使用抹布清理油缸滑塊處油污、灰塵，將傳感器探頭安裝在滑塊處。第三，油缸打壓。安裝完成后，用注油機向油缸內注油。

2.2.2" 電源箱的安裝

[A4]"首先，電源箱安裝位置確認。技術指導人員通過與施工人員溝通，確認安裝位置不影響其他施工后，以此作為電源箱安裝點位。其次，將電源箱安裝完成并固定在箕斗上。最后，由現場施工指導人員完成箱體內接線工作。

2.3"" 監測系統的工作原理

監測系統在提升機鋼絲繩中的監測原理如圖1所示。在原張力液壓自動平衡裝置系統的基礎上，在各平衡油缸管路中加裝壓力傳感器來采集各管路油壓數據參數，然后分別通過1和6數據采集裝置將數據信息傳輸至系統的A、B無線通訊模塊，由其發送到12無線數據接收裝置，再經地面的無線接收系統，借助有線傳輸到地面系統的上位機，經地面上位機對提升機張力情況實時監測^[3]。此外，為了實時觀測井下A、B罐籠的具體位置，還設置了霍爾傳感器，通過監測提升機轉筒旋轉的脈沖數據來分析罐籠的位置情況。

為了調節鋼絲繩張力平衡，在鋼絲繩與負載間加裝了4個平衡油缸，各油缸通過油管相互連接（如圖2所示）。該裝置主要由滑塊、活塞、油缸、側板、中板等主要部件構成。中板主要通過銷軸孔兩端分別與鋼絲繩和滑塊相互連接，側邊同樣也通過銷軸孔兩端與負載和平衡油缸相連。在平衡油缸的活塞桿與底座間加裝壓力傳感器后，在提升機運行中，當側板有負載力的情況下，油缸的活塞桿會在承壓端蓋產生作用力，此時，鋼絲繩張力會經中板和滑塊作用在加裝有傳感器的底座上，在不計動載的情況下，承壓端蓋與底座的受力相同且等于鋼絲張力，因此就可以通過傳感器所測的張力情況，計算出提升的載荷量，參照載荷大小來預防提升機超載事故的發生^[4]。

2.4" 監測系統的功能實現

礦井提升運輸中，提升前，監測提升載荷，若超載或載荷差超限，則閉鎖開車。（1）主井。診斷裝載箕斗裝煤超載和卸載箕斗未卸凈粘煤超限，閉鎖開車。超載時，控制提升機不啟動；卸載到正常載荷時，允許啟動。運算每勾次重罐和輕罐的差值，得出提升量。顯示每勾次載重差，當載重差過大時，及時報警。（2）副井。當乘人超重時，報警并閉鎖開車。提物超載或載荷差超限，閉鎖開車。稱量所加配重使載荷差不超限，可以解除閉鎖。

系統可以顯示每根鋼絲繩張力的實時變化狀態，當監測出任一根鋼絲繩的張力與平均張力之差超過±10%時，報警或閉鎖下次開車，滿足《煤礦安全規程》相關規定，鋼絲繩不平衡度可以實時顯示。

在每根鋼絲繩平衡油缸處安裝一個位置傳感器，能夠診斷活塞桿伸到最長或縮到最短的故障，報警或閉鎖下次開車。 在滾筒處安裝雙霍爾傳感器，能夠實時準確監測容器運行在井筒的位置。在兩個提升容器平衡油缸連通器上各安裝一個油壓傳感器，油壓傳感器僅用于測量平衡油缸油壓，監測到油壓為零的油缸漏油故障時，報警或閉鎖下次開車。

提升機載荷嵌入式監測控制裝置，主機用ARM處理器設計，采用域控制器接口通信，代替易染病毒的工控機，具備子模塊自診斷、參數可配置、故障報警、屏蔽和記錄等功能，可以實現實時曲線繪制、數據瀏覽、動態畫面瀏覽、語音報警提示等^[5]。

3"" 結論

1. 在主提升機安裝載重在線監測裝置，現場安裝壓塊式傳感器、隔爆兼本安型鋰離子蓄電池電源、無線采集發射箱、LCD[ 7]"，上傳至操作間顯示屏。通過采集平衡油缸張力信號，能夠分析出張力不平衡與超載故障，并上傳至調度監控顯示系統。當鋼絲繩張力發生異常變化時，及時報警，提示停車檢修，超載時預警。運算每勾次重罐和輕罐的差值，得出提升量。顯示每勾次載重差，當載重差過大時，及時報警；具備報警記錄瀏覽功能，便于查詢及作為提升系統的技術數據資料，進而提升礦井提升系統的安全性。

（2）多繩提升張力失衡和載荷動態監測系統的應用可以及時發現設備的異常，進行早期的診斷，排除鋼絲繩和機械系統零部件的故障，確保提升機安全運行。該系統的應用可以避免提升機重大事故的發生，在提升機安全運行方面具有經濟效益和社會效益。

參考文獻

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