CN103528745A - 光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测方法及装置，包括钢丝绳、对称扣合卡套钢丝绳的防滑楔形橡胶圈和封装外壳，在封装外壳的内部设有弹性压柱，与弹性压柱固定连接的U型固定支架，U型固定支架固定定滑轮，弹性压柱上下两个端面粘贴光纤光栅，光纤光栅串联接在光纤上，光纤通过光纤引出孔与封装外壳外的光纤连接头的一端连接，光纤引出孔的内部通过密封胶进行密封，光纤连接头的另外一端与光纤尾纤连接，光纤尾纤利用铠装保护胶皮进行保护，封装外壳的顶部和底部利用紧固螺母紧固穿过螺栓孔的螺栓；装置结构简单，安装及操作使用方便，现场在线监测张力，利用光纤光栅传感技术，可靠性高，测量精度高，误差较小。

Description

光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿设备的安全监测技术领域，尤其是一种适用于煤矿提升机、罐笼等提升设备的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法。

背景技术

在煤矿开采过程中，提升设备的安全尤为重要，钢丝绳的张力大小直接决定其寿命和矿井提升安全，钢丝绳作为矿井提升设备的重要组成部分，在提升设备工作时，钢丝绳在运转时会受到许多应力的作用，将导致钢丝绳受到严重拉伸，有时可能会发生断裂，进而引起重大安全事故的发生，造成严重的人员和财产损失。因此，对矿井提升设备钢丝绳张力的监测非常有必要。

钢丝绳的张力监测是一项复杂的工作，往往难以做到正确的判断，对存在的安全隐患难以及时发现。目前，对钢丝绳张力监测的方法主要有三种：一种是在钢丝绳与提升重物之间串联一个测力传感器测量，此种方法必须是在钢丝绳静止的状态下进行测量，且这种测量方法在操作时，测力传感器要一直安装在提升设备上，传感器长期受载，使得传感器中的测量元件产生蠕变，造成测量时产生较大的漂移，线性度和灵敏度下降；一种是利用振波法进行测量，利用冲击力垂直打击钢丝绳产生横向振动，然后通过测试钢丝绳的振动频率，运算得到钢丝绳的张力值，不足之处是所基于的数学模型都是建立在不考虑钢丝绳重力的基础上，这种测量方法精度较低，误差较大，不能满足实际工程的需要；一种是利用电容或者电感来监测钢丝绳的张力，利用电容或者电感的变化值，以及钢丝绳的直径变化值，通过计算可求得钢丝绳的张力大小，这种测量方法的不足之处是电容或者电感均为带电工作，抗电磁的干扰能力弱，易受复杂环境的影响，影响测量的精度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、安装方便、操作方便、监测过程简易，测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可靠性高的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法。

技术方案：本发明的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，包括封装外壳、光纤光栅、光纤、密封胶、光纤连接头、铠装保护胶皮、光纤尾纤、螺栓、紧固螺母；其特征在于：所述的封装外壳对称扣合卡套在钢丝绳上，在封装外壳的顶部及底部与钢丝绳扣合处装有防滑楔形橡胶圈，封装外壳的顶部和底部均对称开设有便于螺栓、紧固螺母固定的螺栓孔；封装外壳的内部一侧固定有弹性压柱，弹性压柱前端设有U型固定支架，U型固定支架上固定有顶靠在钢丝绳上的定滑轮，弹性压柱上下两个端面的中心位置处对称粘贴有光纤光栅，光纤光栅串联接在光纤上，光纤通过光纤引出孔与封装外壳外的光纤连接头的一端连接，光纤引出孔内充填有进行密封的密封胶，光纤连接头的另外一端与光纤尾纤连接，光纤尾纤上设有铠装保护胶皮。

所述的防滑楔形橡胶圈在靠近封装外壳外部的一端尺寸较大，在靠近封装外壳内部的一端尺寸较小。

所述的弹性压柱为一弹性性能好、感知灵敏、横截面为矩形的长方体柱子，弹性压柱的两端均固定连接在封装外壳的内部。

所述的对称粘贴的两个光纤光栅形状大小相同，波长互不相同。

所述的定滑轮的凹槽中心线及封装外壳顶部、底部与钢丝绳的固定处位于同一平面。

所述的定滑轮为带U型槽的钢制轴承滑轮。

所述的弹性压柱、U型固定支架和定滑轮均设在封装外壳的内部，并且使内部的钢丝绳拱起，拱起时的方向与竖直方向成α角，将垂直方向的钢丝绳的张力转换成水平方向的压力进行测量。

使用上述装置的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测方法，包括以下步骤：

A、将内部设有弹性压柱、U型固定支架、定滑轮、光纤光栅、光纤的封装外壳和防滑楔形橡胶圈对称扣合卡套在靠近提升设备的提升容器或者牵引容器处的钢丝绳上，固定时将钢丝绳通过定滑轮的凹槽，使其与定滑轮接触，在封装外壳的顶部和底部利用螺栓和紧固螺母固定；

B、利用光纤光栅解调设备解调出提升设备没有提升重物时，即钢丝绳在未受力时，初始光纤光栅的波长大小λ_B；

C、当提升设备提升重物时，此时测量出钢丝绳拉紧时拱起处钢丝绳与竖直方向的夹角α，同时光纤光栅波长将产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出此时光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；

D、利用实测的光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B、拱起处钢丝绳与竖直方向的夹角α、初始的光纤光栅波长大小λ_B以及弹性压柱左或者右端面的面积大小，即可计算出水平方向的压力N，进而计算出钢丝绳的张力大小F，并通过计算机实时的直观动态显示张力数值大小，同时可以对过大的张力值进行预警，保证矿井提升设备的安全运行。

有益效果：本发明主要用于煤矿提升机、罐笼等提升设备的钢丝绳张力监测，能确保煤矿工人的安全下井和升井、安全顺利的提升煤炭。将钢丝绳的竖直方向的张力转换成水平方向的压力，现场在线测试钢丝绳的张力大小，不需要拆卸装置即可测量，适用范围广；利用先进的光纤光栅传感技术，抗电磁干扰能力强，可靠性高，测量精度高，误差较小；采用了差动式温度补偿方法，消除温度对光纤光栅的影响，解决应变与温度交叉敏感的问题；同时两个光纤光栅测量的波长值加权取平均值，可进一步的提高测量精度和灵敏度。与已有技术相比，具有如下优点：

1、装置结构简单，操作使用方便，安装方便，监测过程容易，无需人工进行记录测试数据和计算，适用范围广；

2、将钢丝绳的竖直方向的张力转换成水平方向的压力，现场在线测试钢丝绳的张力大小，不需要拆卸装置即可测量；

3、通过测量光纤光栅波长的变化间接测量钢丝绳的张力，光纤光栅灵敏度高，受工作环境影响较小，光纤光栅在受到很微弱的力时波长也可发生漂移变化，测量精度高、误差较小；

4、利用先进的光纤光栅传感技术，放弃使用传统的压电式压力传感器或者别的带电测量张力的装置及方法，光纤光栅本质安全、可靠性高，抗电磁干扰能力强，可以实时在线监测，同时可以对钢丝绳张力的大小进行预警；

5、装置中由于同时使用两个对称的光纤光栅，可利用差动式温度补偿的方法，消除由于温度变化引起的应力应变的干扰，解决应变与温度的交叉敏感的影响。

附图说明

图1为本发明装置的剖视结构图；

图2为本发明装置的俯视结构图；

图3为图2中本发明装置的I-I剖面结构图。

图中标号：1、封装壳体；2、钢丝绳；3、防滑楔形橡胶圈；4、定滑轮；5、U型固定支架；6、光纤光栅；7、弹性压柱；8、光纤；9、光纤引出孔；10、密封胶；11、光纤连接头；12、铠装保护胶皮；13、光纤尾纤；14、螺栓；15、螺栓孔；16、紧固螺母

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1、图2和图3所示，本发明的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，包括封装外壳1、钢丝绳2、防滑楔形橡胶圈3、定滑轮4、U型固定支架5、光纤光栅6、弹性压柱7、光纤8、光纤引出孔9、密封胶10、光纤连接头11、铠装保护胶皮12、光纤尾纤13、螺栓14、螺栓孔15、紧固螺母16；封装外壳1对称扣合卡套在钢丝绳2上，在封装外壳1的顶部及底部与钢丝绳2固定处之间安装有防滑楔形橡胶圈3，防滑楔形橡胶圈3在靠近封装外壳1外部的一端尺寸较大，在靠近封装外壳1内部的一端尺寸较小；在封装外壳1的顶部和底部均对称开设有螺栓孔15，利用紧固螺母16紧固穿过螺栓孔15的螺栓14；在封装外壳1的内部设有定滑轮4，定滑轮4的凹槽处顶靠在钢丝绳2上，定滑轮4为带U型槽的钢制轴承滑轮，且定滑轮4的凹槽中心线及封装外壳1顶部、底部与钢丝绳2的固定处位于同一平面，；利用U型固定支架5固定定滑轮4，U型固定支架5的底面和弹性压柱7的左端面固定连接，弹性压柱7的右端面与封装外壳1固定连为一体，弹性压柱7为一弹性性能好、感知灵敏、横截面为矩形的长方体柱子，且两端均固定连接在封装外壳1内部；在弹性压柱7上下两个端面的中心位置处对称粘贴光纤光栅6，两个光纤光栅6形状大小相同，波长互不相同，光纤光栅6串联接在光纤8上，光纤8通过光纤引出孔9与封装外壳1外的光纤连接头11的一端连接，光纤引出孔7的内部通过密封胶10进行密封，光纤连接头11的另外一端与光纤尾纤13连接，光纤尾纤13利用铠装保护胶皮12进行保护。

本发明的光纤光栅压缩式矿井提升设备张力监测装置的监测方法，步骤如下：

A、首先，选取张力监测装置待安装的位置，一般选取在靠近提升设备的提升容器或者牵引容器处的钢丝绳2上；

B、其次，将内部设有弹性压柱7、U型固定支架5、定滑轮4、光纤光栅6、光纤8的封装外壳1和防滑楔形橡胶圈3对称扣合卡套在钢丝绳2上，固定时将钢丝绳2通过定滑轮4的凹槽，使其与定滑轮4接触，在封装外壳1的顶部和底部利用螺栓14和紧固螺母16固定；

C、利用光纤光栅解调设备解调出提升设备没有提升重物时，即钢丝绳2在未受力时，初始光纤光栅的波长大小λ_B；

D、当提升设备提升重物时，此时测量出钢丝绳2拉紧时拱起处钢丝绳2与竖直方向的夹角α，同时光纤光栅波长将产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出此时光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；

E、利用实测的光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B、拱起处钢丝绳2与竖直方向的夹角α、初始的光纤光栅波长大小λ_B以及弹性压柱7左（或者右）端面的面积大小，即可计算出水平方向的压力N，进而计算出钢丝绳2张力F的大小，并通过计算机实时的直观动态显示张力数值大小，同时可以对过大的张力值进行预警，保证矿井提升设备的安全运行。

通过定滑轮4使内部的钢丝绳2拱起，拱起时的方向与竖直方向成α角，将垂直方向的钢丝绳2的张力转换成水平方向的压力进行测量。

钢丝绳的张力F的计算公式如下表示：

$F=\frac{N}{2\sin \mathrm{\α}}---\left(1\right)$

式中：F为钢丝绳的张力；N为水平方向的压力；α为拱起的钢丝绳与竖直方向的夹角；

N＝δ·S    (2)

式中：δ为弹性压柱左（或者右）端面横截面积上的应力；S为弹性压柱的左（或者右）端面横截面积；

δ＝Ε·ε    (3)

式中：E为弹性压柱的弹性模量；ε为弹性压柱受力压缩时的应变；

由于粘贴在弹性压柱上的光纤光栅随着弹性压柱同步变化，故弹性压柱的应变与光纤光栅的应变一致。

钢丝绳未受力时，光纤光栅的初始波长为λ_B；钢丝绳提升重物时，光纤光栅波长的变化漂移量为Δλ_B，利用公式：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\·\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

式中：P_e为光纤光栅的弹光系数，一般P_e=0.22；

通过上述公式，可以计算得出钢丝绳的张力F大小：

$F=\frac{N}{2\sin \mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\δ}\·S}{2\sin \mathrm{\α}}=\frac{E\·\mathrm{\ϵ}\·S}{2\sin \mathrm{\α}}=E\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)}\·\frac{S}{2\sin \mathrm{\α}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{ES}}{2{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\sin \mathrm{\α}}$

计算得出的钢丝绳的张力大小在计算机上实时显示，可直观动态的观察钢丝绳张力的大小，同时可对过大的张力值进行预警。

工作原理：当煤矿提升设备正常工作时，即提升设备提升重物时，钢丝绳由于重物的重力作用，将会被拉紧产生应力。由于弹性压柱和封装外壳固定连接，通过定滑轮将封装外壳内部的钢丝绳拱起，钢丝绳在拉紧时拱起处钢丝绳与竖直方向的夹角α，可将钢丝绳所受拉力转换成水平方向的压力，作用在弹性压柱上，引起弹性压柱压缩，介于弹性压柱的弹性性能较好，可以很灵敏的感知压力，同时粘贴在弹性压柱上的光纤光栅由于受应力变化，引起光纤光栅的中心波长产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出此时光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；已知弹性压柱的左右端面的面积S和初始光纤光栅的中心波长λ_B，可以计算得出水平方向的压力N的大小，根据力学模型分析计算得出钢丝绳张力F的大小，实现钢丝绳张力的监测。

Claims (8)

1.一种光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，包括封装外壳（1）、光纤光栅（6）、光纤（8）、密封胶（10）、光纤连接头（11）、铠装保护胶皮（12）、光纤尾纤（13）、螺栓（14）、紧固螺母（16）；其特征在于：所述的封装外壳（1）对称扣合卡套在钢丝绳（2）上，在封装外壳（1）的顶部及底部与钢丝绳（2）扣合处装有防滑楔形橡胶圈（3），封装外壳（1）的顶部和底部均对称开设有便于螺栓（14）、紧固螺母（16）固定的螺栓孔（15）；封装外壳（1）的内部一侧固定有弹性压柱（7），弹性压柱（7）前端设有U型固定支架（5），U型固定支架（5）上固定有顶靠在钢丝绳（2）上的定滑轮（4），弹性压柱（7）上下两个端面的中心位置处对称粘贴有光纤光栅（6），光纤光栅（6）串联接在光纤（8）上，光纤（8）通过光纤引出孔（9）与封装外壳（1）外的光纤连接头（11）的一端连接，光纤引出孔（9）内充填有进行密封的密封胶（10），光纤连接头（11）的另外一端与光纤尾纤（13）连接，光纤尾纤（13）上设有铠装保护胶皮（12）。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的防滑楔形橡胶圈（3）在靠近封装外壳（1）外部的一端尺寸较大，在靠近封装外壳（1）内部的一端尺寸较小。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的弹性压柱（7）为一弹性性能好、感知灵敏、横截面为矩形的长方体柱子，弹性压柱（7）的两端均固定连接在封装外壳（1）的内部。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的对称粘贴的两个光纤光栅（6）形状大小相同，波长互不相同。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的定滑轮（4）的凹槽中心线及封装外壳（1）顶部、底部与钢丝绳（2）的固定处位于同一平面。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的定滑轮（4）为带U型槽的钢制轴承滑轮。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的弹性压柱（7）、U型固定支架（5）和定滑轮（4）均设在封装外壳（1）的内部，并且使内部的钢丝绳（2）拱起，拱起时的方向与竖直方向成α角，将垂直方向的钢丝绳（2）的张力转换成水平方向的压力进行测量。

8.一种光纤光栅压缩式矿井提升设备张力监测装置的监测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将内部设有弹性压柱（7）、U型固定支架（5）、定滑轮（4）、光纤光栅（6）、光纤（8）的封装外壳（1）和防滑楔形橡胶圈（3）对称扣合卡套在靠近提升设备的提升容器或者牵引容器处的钢丝绳（2）上，固定时将钢丝绳（2）通过定滑轮（4）的凹槽，使其与定滑轮（4）接触，在封装外壳（1）的顶部和底部利用螺栓（14）和紧固螺母（16）固定；

B、利用光纤光栅解调设备解调出提升设备没有提升重物时，即钢丝绳（2）在未受力时，初始光纤光栅的波长大小λ_B；

C、当提升设备提升重物时，此时测量出钢丝绳（2）拉紧时拱起处钢丝绳（2）与竖直方向的夹角α，同时光纤光栅波长将产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出此时光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；

D、利用实测的光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B、拱起处钢丝绳（2）与竖直方向的夹角α、初始的光纤光栅波长大小λ_B以及弹性压柱（7）左或者右端面的面积大小，即可计算出水平方向的压力N，进而计算出钢丝绳（2）的张力大小F，并通过计算机实时的直观动态显示张力数值大小，同时可以对过大的张力值进行预警，保证矿井提升设备的安全运行。

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