深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的动态径向变形与动张力监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的动态径向变形与动张力监测装置，包括基架、驱动系统、拉压检测系统、动态变形监测系统；驱动系统包括电动机，电动机通过联轴器A、减速器、联轴器B与卷筒相连，卷筒挡板外侧与制动盘贴合；拉压检测系统包括伺服电动缸，S型拉力传感器分别连接伺服电动缸与钢丝绳夹具连接，卷筒表面设有摩擦衬垫，钢丝绳缠绕在摩擦衬垫表面双折线绳槽上，钢丝绳夹具一端通过钢丝绳夹具锁紧，摩擦衬垫背面沿卷筒轴向设置多个传感器安装槽，称重式压力传感器设置在传感器安装槽内；动态变形监测系统包括二维激光传感器。本发明可模拟钢丝绳在多种工作情况下所受拉力特性，可精确检测每一层钢丝绳形变量及张力。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的径向变形及张力的动态监测装置及方法，能够模拟缠绕式提升系统中钢丝绳在加速、减速、匀速、急停等多种工作情况下所受拉力特性，可用于探究卷筒上每层钢丝绳的实时径向变形、卷筒外壁不同区域所受压力及钢丝绳张力的动态变化。

背景技术

矿山生产的全过程离不开矿山运输和提升工作，因此，运输和提升工作的好坏直接关系到矿上生产能否正常高效进行。矿井提升设备是矿山生产的咽喉，是集机、电、液于一体的大型复杂系统。它是矿山生产的一条生命线，主要用于提运矿石、煤炭、物料、人员和设备，是矿山井下生产系统与地面工业广场相连接的枢纽。随着矿井开采走向深部和现代化大型矿井安全高效生产的要求，多层缠绕式提升机的应用日趋大型化，随着卷筒的增长,重量和转动惯量增加,需要更大的电机,而且需要更大的布置空间，采用多层缠绕卷筒可以节省成本。双折线绳槽是适合多层缠绕的一种绳槽形式,它能有效地克服传统卷筒在多层缠绕方面的缺点,避免乱绳,有效地延长钢丝绳的使用寿命。并以其提升能力大，提升高度大，安全系数高，造价便宜等显著优点，被越来越多地用于深井及超深矿井的矿井提升中。随着矿井开采深度的增加，为了提高深井及超深矿井提升机的运输效率，提升装备必然向大提升载荷和高提升速度发展，这也为提升设备的安全性和可靠性提出了更高要求，因钢丝绳在长时间工作中会发生形变，特别是工况突然变化时钢丝绳所受拉力及张力易使钢丝绳发生断裂从而引起作业吊篮坠落事故，造成人员伤亡。

在摩擦提升机的提升过程中，由于可变的提升钢丝绳悬垂长度和惯性载荷的共同作用，提升钢丝绳在上提加速、匀速、减速一个周期的提升过程中，提升系统会发生振动，钢丝绳也承受动张力变化，特别是在提升的加速、减速阶段，钢丝绳的动张力振动较大，振动频率随着钢丝绳长度的减小而增大。振动使钢丝绳所受拉力及张力改变，钢丝绳产生径向形变，在长时间周期工作后影响钢丝绳寿命，引发提升机的恶性事故。因为每一层钢丝绳受到的力是不同且多样的，如果能检测出每一层钢丝绳的变形及张力就能有效预防矿井事故的发生。所以，提出一种深井提升钢丝绳径向变形及张力的动态监测装置及方法，探究卷筒上每层钢丝绳的实时径向变形、卷筒外壁不同区域所受压力及钢丝绳张力的动态变化是至关重要的。

现有提升机钢丝绳检测装置包括：专利号为ZL201220715786.1的实用新型专利公开了一种多绳摩擦提升机钢丝绳张力在线监控装置，可以通过无线发射模块和压力传感器采集钢丝绳张力并通过无线方式发送至无线接收模块，不受提升机结构和运行状态的影响，实现对提升机钢丝绳动态张力的实时监测，然而不能检测每一层钢丝绳的径向形变量；专利号为ZL201420703971.8的实用新型专利公开了一种矿井提升机张力监测系统，实现了矿井钢丝绳张力远程实时监测，提高矿井提升机的安全性，然而，该系统检测钢丝绳形变使用的三点弯曲法精确度不高，不能精确地算出钢丝绳所受的张力；申请号为201510634389.X的发明申请公开了一种提升系统中钢丝绳张力测量方法，是一种间接测量方法，没有对钢丝绳进行直接接触，不破坏钢丝绳结构，该方法不能测量每层钢丝绳的张力值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的径向变形及张力的动态监测装置及方法，能够模拟缠绕式提升系统中钢丝绳在加速、减速、匀速、急停等多种工作情况下所受拉力特性，可用于探究卷筒上每层钢丝绳的实时径向变形、卷筒外壁不同区域所受压力及钢丝绳张力的动态变化。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的动态径向变形与动张力监测装置，包括基架、驱动系统、拉压检测系统、动态变形监测系统；

所述基架包括电动机及减速器支架、伺服电动缸支架、二维激光传感器夹具及二维激光传感器支架，通过地脚螺栓将电动机及减速器支架和伺服电动缸支架固定在地面上，二维激光传感器夹具通过螺栓A固定在二维激光传感器支架上；

所述驱动系统包括电动机、联轴器A、减速器、联轴器B，电动机及减速器通过螺栓固定在电动机及减速器支架上，电动机输出轴通过联轴器A与减速器输入轴相连，减速器输出轴通过联轴器B与卷筒的主轴相连，卷筒端部的卷筒挡板外侧与盘形制动器的制动盘相贴合；

所述拉压检测系统包括伺服电动缸、S型拉力传感器、钢丝绳夹具、钢丝绳、称重式压力传感器，电动缸通过螺栓固定在电动缸支架上，S型拉力传感器一端与伺服电动缸相连，S型拉力传感器另一端与钢丝绳夹具连接，在卷筒表面设有摩擦衬垫，摩擦衬垫表面设有双折线绳槽，钢丝绳缠绕在双折线绳槽上，钢丝绳夹具一端通过钢丝绳夹具上的钢丝绳U型锁具锁紧，摩擦衬垫背面沿卷筒轴向设置多个与称重式压力传感器外形相匹配的传感器安装槽，称重式压力传感器设置在传感器安装槽内；

所述动态变形监测系统包括二维激光传感器，二维激光传感器对准设置在卷筒挡板、制动盘上的监测孔。

进一步的，所述称重式压力传感器包括称靠近卷筒两端的重式压力传感器A、称重式压力传感器C以及位于卷筒中部的称重式压力传感器B。

进一步的，所述卷筒表面与传感器安装槽对应的位置设有平面槽，称重式压力传感器通过螺栓B与平面槽固定。

根据上述监测装置的深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的动态径向变形与动张力监测方法，该方法包括以下内容：

a)通过电动机带动卷筒转动将钢丝绳缠绕三层到卷筒上，然后关闭电动机，钢丝绳一端通过钢丝绳夹具后用钢丝绳U型锁具夹紧，钢丝绳夹具与S型拉力传感器的一端相连，S型拉力传感器的另一端与伺服电动缸相连；

b)开启二维激光传感器，确保二维激光传感器能通过监测孔监测到钢丝绳的第一层绳体、第二层绳体、第三层绳体，通过盘形制动器制动卷筒，通过计算机控制伺服电动缸水平移动使得钢丝绳的受力达到设定疲劳载荷，此时用二维激光传感器实时记录下钢丝绳三层绳体外轮廓，通过与未加力时钢丝绳三层绳体外轮廓比较计算得出每一层钢丝绳的变形量；

c)松开盘形制动器，关闭伺服电动缸并重新启动电动机，通过电动机带动卷筒7反向旋转至钢丝绳只缠绕一层在卷筒上，通过盘形制动器制动卷筒，并通过钢丝绳夹具的钢丝绳U型锁具重新夹紧钢丝绳，通过计算机控制伺服电动缸水平移动对钢丝绳加载，使二维激光传感器监测到的钢丝绳变形量分别达到b)步骤所得到的每一层钢丝绳的变形量，并通过称重式压力传感器分别测出不同区域单根钢丝绳的压力值；

d)根据c)步骤所得的每一层钢丝绳所受到的压力值，通过计算得到每一层钢丝绳相应的张力值；

e)关闭伺服电动缸、二维激光传感器和不同位置的称重式压力传感器，停止试验；

f)通过计算机控制伺服电动缸给钢丝绳以不同的加载，实现提升机的加速、匀速、减速和急停等工况，通过二维激光传感器、S型拉力传感器和不同位置的称重式压力传感器所测得的数据来研究钢丝绳在多种工况下的拉力特性、张力变化及钢丝绳的径向变形。

有益效果：本发明专利能够模拟缠绕式提升系统中钢丝绳在加速、减速、匀速、急停等多种工作情况下所受拉力特性，可以精确检测每一层钢丝绳形变量及张力，从而更精确的判断是否需要更换钢丝绳，来减少因提升机钢丝绳断裂而引起的矿难事故。

附图说明

图1为本发明专利的主视图；

图2为本发明专利的B向视图；

图3为图2中I处的局部放大图；

图4为检测单层钢丝绳的张力时的I处局部放大图；

图5为图2的A-A局部剖视图；

图6为图5中II处的局部放大图；

图7为图5中III处的局部放大图；

图8为图5中IV处的局部放大图；

图中：1、电动机及减速器支架；2、电动机；3、联轴器A；4、减速器；5、联轴器B；6、卷筒挡板；7、卷筒；8、螺栓A；9、二维激光传感器；10、二维传感器夹具；11、二维激光传感器支架；12、盘形制动器；13、制动盘；14、监测孔；15、钢丝绳U型锁具；16、钢丝绳夹具；17、S型拉力传感器；18、伺服电动缸；19、伺服电动缸支架；20、第一层绳体；21、第二层绳体；22、第三层绳体；23、称重式压力传感器A；24、钢丝绳；25、摩擦衬垫；26、称重式压力传感器B；27、称重式压力传感器C；28、平面槽；29、螺栓B。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1和2所示，本发明的一种深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的动态径向变形与动张力监测装置，包括基架、驱动系统、拉压检测系统、动态变形监测系统。

所述基架包括电动机及减速器支架1、伺服电动缸支架19、二维激光传感器夹具10及二维激光传感器支架11。通过地脚螺栓将电动机及减速器支架1和伺服电动缸支架19固定在地面上，二维激光传感器夹具10通过螺栓A8固定在二维激光传感器支架11上。

所述驱动系统包括电动机2、联轴器A3、减速器4、联轴器B5。电动机2及减速器4通过螺栓固定在电动机及减速器支架1上，电动机2输出轴通过联轴器A3与减速器4输入轴相连，减速器4输出轴通过联轴器B5与卷筒7的主轴相连，卷筒7端部的卷筒挡板6外侧与盘形制动器12的制动盘13相贴合。

所述拉压检测系统包括伺服电动缸18、S型拉力传感器17、钢丝绳夹具16、钢丝绳24、称重式压力传感器。电动缸18通过螺栓固定在电动缸支架19上，S型拉力传感器17一端与伺服电动缸18相连，S型拉力传感器17另一端与钢丝绳夹具16连接，在卷筒7表面设有摩擦衬垫25，摩擦衬垫25表面设有双折线绳槽，钢丝绳24缠绕在双折线绳槽上，钢丝绳夹具16一端通过钢丝绳夹具16上的钢丝绳U型锁具15锁紧。

如图5至8所示，摩擦衬垫25背面沿卷筒7轴向设置多个与称重式压力传感器外形相匹配的传感器安装槽，称重式压力传感器设置在传感器安装槽内，所述卷筒7表面与传感器安装槽对应的位置设有平面槽28，称重式压力传感器通过螺栓B29与平面槽28固定。本实施例中，所述称重式压力传感器包括称靠近卷筒7两端的重式压力传感器A23、称重式压力传感器C27以及位于卷筒7中部的称重式压力传感器B26。

所述动态变形监测系统包括二维激光传感器9，二维激光传感器9对准设置在卷筒挡板6、制动盘13上的监测孔14。

根据上述监测装置的深井双折线式多层缠绕提升机钢丝绳的动态径向变形与动张力监测方法，该方法包括以下内容：

a)通过电动机2带动卷筒7转动将钢丝绳24缠绕三层到卷筒7上，然后关闭电动机2，钢丝绳24一端通过钢丝绳夹具16后用钢丝绳U型锁具15夹紧，钢丝绳夹具16与S型拉力传感器17的一端相连，S型拉力传感器17的另一端与伺服电动缸18相连；

b)如图3所示，开启二维激光传感器9，确保二维激光传感器9能通过监测孔14监测到钢丝绳24的第一层绳体20、第二层绳体21、第三层绳体22，通过盘形制动器12制动卷筒7，通过计算机控制伺服电动缸18水平移动使得钢丝绳24的受力达到设定疲劳载荷，此时用二维激光传感器9实时记录下钢丝绳24三层绳体外轮廓，通过与未加力时钢丝绳24三层绳体外轮廓比较计算得出每一层钢丝绳24的变形量；

c)如图4所示，松开盘形制动器12，关闭伺服电动缸18并重新启动电动机2，通过电动机2带动卷筒7反向旋转至钢丝绳24只缠绕一层在卷筒7上，通过盘形制动器12制动卷筒7，并通过钢丝绳夹具16的钢丝绳U型锁具15重新夹紧钢丝绳24，通过计算机控制伺服电动缸18水平移动对钢丝绳24加载，使二维激光传感器9监测到的钢丝绳变形量分别达到b)步骤所得到的每一层钢丝绳24的变形量，并通过称重式压力传感器分别测出不同区域单根24钢丝绳的压力值；

d)根据c)步骤所得的每一层钢丝绳24所受到的压力值，通过计算得到每一层钢丝绳24相应的张力值；该步骤中，通过钢丝绳张力计算经验公式将压力值转化为张力值；

e)关闭伺服电动缸18、二维激光传感器9和不同位置的称重式压力传感器，停止试验；

f)通过计算机控制伺服电动缸18给钢丝绳24以不同的加载，实现提升机的加速、匀速、减速和急停等工况，通过二维激光传感器9、S型拉力传感器17和不同位置的称重式压力传感器所测得的数据来研究钢丝绳在多种工况下的拉力特性、张力变化及钢丝绳的径向变形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。