基于ZigBee通信的提升机钢丝绳动态张力检测研究

摘要

多绳摩擦式提升机钢丝绳动态张力检测系统的主要作用之一就是实时检测提升机钢丝绳之间的张力变化，确保当张力差超过规定范围时检测系统及时报警，以避免发生断绳、坠罐等事故，切实保护好工作人员的生命安全和国家的财产安全。目前在工程应用中的动态张力检测系统存在多种缺陷，比如信号采集精度低、信号传输可靠性差、蓄电池待机时间短等。由于存在这些缺陷，在实际生产过程中，多次发生重大生产事故，给工作人员的生命健康和国家财产安全带来了严重威胁，因此，必须开展新型动态张力检测系统的研究。
　　本文针对普通的动态张力检测系统存在的问题，提出并设计了一种基于ZigBee无线传输的提升机钢丝绳动态张力检测系统，这种检测系统采用液压称重检测代替张力检测，使钢丝绳张力检测更加安全可靠；将新型ZigBee无线传输方式与信号传输策略相结合，使张力信号传输更可靠，功耗更低；应用云技术，使用户能够进行远程监测；设计了独立的发电系统为蓄电池在线充电。
　　本文综合运用了机械、液压和电气理论对提升机钢丝绳动态张力检测系统进行了研究分析。本文根据某矿多绳摩擦式提升机的实际运行工况，对提升系统进行了动力学分析，得出了提升系统的速度图和钢丝绳张力图。根据求出的最大张力值，运用液压理论设计了一种新型的液压式称重传感器作为信号采集装置，并利用软件对该传感器的密封装置和摩擦力分别进行了有限元分析。运用单片机对采集到的张力信号进行分析、处理，并利用电气软件进行了PCB板的绘制。运用新型的ZigBee无线传输方式对张力信号进行无线发送与传输，在传输过程中，采用了Standby模式，实现了系统的低功耗功能。在数据接收与处理中，利用PLC对接收到的张力信号进行处理、传输与显示。在数据的呈现方面，不仅采用了传统的上位机显示，还运用了互联网与云技术，使用户在计算机、手机等终端均能进行远程监控，以确保提升系统的安全运行。最后，考虑到矿井的实际工作环境，采用永磁直流发电机设计了独立的发电系统，为整个检测系统供电，解决了工作人员为蓄电池充电不方便的问题。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 钢丝绳检测方法的性能比较和主要研究方向

1.4 课题研究的目的与意义

1.5 本文主要研究内容

2 提升机钢丝绳动态张力检测系统的总体设计

2.1 提升机钢丝绳动态张力检测系统的功能要求

2.2 提升机钢丝绳动态张力检测系统的构成

2.2.1 数据采集系统

2.2.2 数据发送系统

2.2.3 数据接收系统

2.2.4 上位机监控系统

2.2.5 发电系统

2.3 检测系统的总体设计图及工作原理

2.4 本章小结

3.1 矿井提升设备的技术参数

3.2 矿井提升过程中静张力的分析计算

3.3 提升系统变位质量的分析计算

3.3.1 直线运动变位质量的计算

3.3.2 旋转运动变位质量的计算

3.3.3 提升系统总变位质量的计算

3.4 矿井提升过程中加速度的分析计算

3.4.1 提升初加速度的计算

3.4.2 提升主加速度的计算

3.4.3 提升减速度的计算

3.5 提升速度图参数和钢丝绳张力的计算

3.5.1 矿井提升过程中速度图参数的计算

3.5.2 矿井提升过程中钢丝绳张力的计算

3.6 本章小结

4 张力信号采集装置的设计

4.1 传感器的概述

4.2 称重传感器的设计要求与类型选择

4.3 液压式称重传感器的设计计算

4.3.1 液压缸缸筒的设计和计算

4.3.2 活塞杆的设计和计算

4.3.3 液压缸工作行程的确定

4.3.4 最小导向长度的计算

4.3.5 缸体长度的计算

4.3.6 压力变送器的选用

4.3.7 液压式称重传感器整体结构设计

4.4 液压式称重传感器的密封

4.4.1 密封技术的概述

4.4.2 同轴密封件的介绍

4.4.3 低泄漏同轴密封件的设计

4.4.4 密封系统的设计

4.5 密封系统的有限元仿真分析

4.5.1 两种密封系统的有限元仿真比较

4.5.2 密封系统的泄漏仿真分析

4.6 液压式称重传感器的校核

4.7 本章小结

5 检测系统方案的分析与设计

5.1 数据采集系统的设计与安装

5.2 数据发射系统的分析与设计

5.2.1 ZigBee无线通信技术的简介

5.2.2 发射系统的设计

5.3 数据接收系统的分析与设计

5.4 上位机系统的研究与设计

5.5 发电系统的分析与设计

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究内容展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况