CN104261225A - 一种超深矿井提升系统试验台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超深矿井提升系统试验台及方法，所述试验台包括四个变频电机(1)以及与其对应的四个提升机卷筒(2)、水平导轨(3)、提升容器(4)、位姿角传感器(5)、拉力传感器(6)、伺服液压缸(7)、钢丝绳(8)、滑轮(9)、变频电机控制器(10)、钢丝绳断丝断股检测装置(11)、伺服液压缸控制器(12)、位姿监测装置(13)、张紧轮(14)、张紧弹簧(15)、万向轮(16)；本发明的试验台采用易于实现的电动机水平拖拽的方式替代实际工况下的垂直提升的工况，操作简单，便于维护，同时该试验台能够实现多种功能模拟。

Description

一种超深矿井提升系统试验台及方法
技术领域
本发明涉及一种超深矿井提升系统试验台及方法，具体涉及对提升系统各种实际工况的模拟实验以及对钢丝绳拉力、卷筒所受压力、提升容器所处位置的坐标等重要参数的检测，通过对现场工况的合理模拟，实现对超深立井提升系统各方面性能的检测，从而保证系统能够在所有可能异常情况下安全可靠的运行，更好的适用于实际操作环境。
背景技术
目前，随着我国将深部资源开发作为重要的发展战略，超深矿井大型提升装备成为实现深部资源开发的关键装备。然而，由于超深矿井开采的特殊环境，提升装备很难在现场进行试验。因此为了能够应对超深井面临复杂的工况，全面的验证控制算法和安全保障机制的有效性，实现对超深立井提升系统各方面性能的检测，确保钢丝绳、卷筒、提升容器等的正常工作，亟需一种能够模拟真实情况的超深矿井提升系统试验台。该仿真模拟平台需要模拟正常状态和异常状态系统的绝大部分工况，以达到验证控制算法和故障处理能力的目的，保证系统能够在所有可能异常情况下安全可靠的运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种超深矿井提升系统试验台及方法，该试验台能够模拟正常状态和异常状态提升系统的绝大部分工况，以达到验证控制算法和故障处理能力的目的，保证系统能够在所有可能异常情况下安全可靠的运行。
本发明的技术方案如下：
一种超深矿井提升系统试验台，包括四个变频电机(1)以及与其对应的四个提升机卷筒(2)、水平导轨(3)、提升容器(4)、位姿角传感器(5)、拉力传感器(6)、伺服液压缸(7)、钢丝绳(8)、滑轮(9)、变频电机控制器(10)、钢丝绳断丝断股检测装置(11)、伺服液压缸控制器(12)、位姿监测装置(13)、张紧轮(14)、张紧弹簧(15)、万向轮(16)；位姿角传感器(5)固定连接在提升容器(4)上；所述变频电机控制器(10)分别与各个变频电机、钢丝绳断丝断股检测装置(11)连接；伺服液压缸控制器(12)与伺服液压缸(7)连接；安装在容器上的位姿角传感器(5)用于测出因容器倾斜与各平面形成的夹角，位姿角传感器(5)获取的夹角大小信息经AD转换信号后传输给位姿监测装置(13)，进而实现实时监测提升容器的姿态；拉力传感器(6)获得的钢丝绳张力信号反馈给伺服液压缸控制器(12)，伺服液压缸控制器(12)通过计算得到每根钢丝绳长度与其平均长度的长度差值，通过调节各个伺服液压缸(7)的伸缩来改变钢丝绳的张力，避免钢丝绳间运动不同步引起的提升容器倾斜；钢丝绳断丝断股检测装置(11)检测钢丝绳是否断丝断股并通过变频电机控制器(10)控制变频电机的停止与启动。
所述的超深矿井提升系统试验台，所述位姿监测装置(13)和伺服液压缸控制器(12)有无线接收器，位姿角传感器(5)和拉力传感器(6)有无线发射器。
所述的超深矿井提升系统试验台，所述提升容器(4)通过其底部的万向轮(16)放置在水平面上，水平导轨(3)沿试验台中心线分布在提升容器(4)的两侧，用于限制提升容器(4)在横向上的摆动，在水平导轨(3)的两端各设置一对变频电机(1)和一对提升机卷筒(2)，各个变频电机(1)的输出轴与对应的提升机卷筒(2)连接；在试验台中心线的一侧，提升机卷筒(2)连接一根钢丝绳(8)，钢丝绳(8)一端依次通过滑轮、张紧轮(14)、滑轮连接到提升容器(4)一端，另一根钢丝绳(8)一端连接在提升机卷筒上，通过滑轮、伺服液压缸(7)连接到提升容器的另一端，伺服液压缸(7)和提升容器(4)之间的钢丝绳上设置有拉力传感器(6)，提升机卷筒和滑轮(9)之间的钢丝绳上设置钢丝绳断丝断股检测装置(11)；中心线另一侧设置与此相同。
所述的超深矿井提升系统试验台，该试验台为双绳拖拽，在水平导轨(3)两端设置了两对变频电机(1)，变频电机转向的不同对应着提升容器的提升与下放。
所述的超深矿井提升系统试验台，所述张紧轮(14)下安装有张紧弹簧(15)，通过调节张紧弹簧的预伸长长度或更换不同弹性系数的弹簧来改变钢丝绳所受拉力，即模拟提升系统提升负载的不同。
所述的超深矿井提升系统试验台，所述伺服液压缸控制器包括AD板卡PCI1716、张力控制器、DA板卡ACL6126和伺服放大器，AD板卡PCI1716接收钢丝绳张力信号、提升容器的位姿角信号以及液压缸的位移信号，液压缸位移反馈信号、两根钢丝绳的张力差值及两根钢丝绳张力信号反馈给张力控制器，张力控制器将信号用算法进行处理后传输给DA板卡ACL6126，信号进入伺服放大器，进而传递给比例伺服阀，对伺服液压缸进行控制，进行钢丝绳拉力的平衡。
应用所述的超深矿井提升系统试验台的试验方法，当进行试验时，首先给定速度信号和位姿信号，使两对变频电机同速运转，一对卷筒缠绕钢丝绳，一对卷筒松放钢丝绳；速度信号通过变频电机控制器控制提升机卷筒速度，进而控制钢丝绳缠绕速度，调节提升容器速度；通过位姿监测装置(13)实现提升容器姿态的实时监测；拉力传感器(6)获得的钢丝绳张力信号反馈给伺服液压缸控制器(12)，进而通过调节伺服液压缸(7)来平衡钢丝绳张力；钢丝绳在运动过程中，一旦钢丝绳发生断丝断股，钢丝绳断丝断股检测装置(11)发出的信号反馈到变频电机控制器(10)，进而通过变频器对变频电机进行制动。
所述的试验方法，当进行固定模拟测试钢丝绳时，两对变频电机停止运转，通过调节张紧弹簧(15)的预伸长长度或更换不同弹性系数的张紧弹簧(15)来改变钢丝绳所受拉力，来模拟不同负重时对钢丝绳性能的影响.
所述的试验方法，当模拟强扰动下的提升工况时，采用不同角度木楔块贴装在水平导轨(3)表面来模拟；当模拟罐道弯曲和倾斜时，采用不同直径万向轮(16)或者在万向轮(16)上附加额外激励来模拟。
所述的试验方法，还可以通过外部对提升容器进行加载来模拟提升容器在实际工况中的冲击震动；还可以在卷筒上贴上应变片进行卷筒扭矩变形切应力应变的测量；还可以在卷筒主轴上安装编码器进行提升深度的测量。
本发明的试验台采用易于实现的电动机水平拖拽的方式替代实际工况下的垂直提升的工况，操作简单，便于维护。该试验台能够实现多种功能。可以通过拉力传感器进行钢丝绳张力的测量；可以通过对变频电机的调节使其停止，进行固定模拟来测试钢丝绳；还可以通过外部对容器进行加载来模拟提升机在实际工况中的冲击震动；通过张紧轮的调整可进行钢丝绳张紧模拟；在卷筒上贴上应变片可以进行卷筒扭矩变形切应力应变的测量；在卷筒主轴上安装编码器可以进行提升深度的测量；该试验台还能通过钢丝绳断丝断股检测装置对钢丝绳状态的检测来控制电机的起停，实现安全保护。
附图说明
图1为本发明俯视图。
图2为本发明主视图。
图3为伺服液压缸控制器控制结构图。
图4为液压控制系统原理图。
图中，1-变频电机，2-提升机卷筒，3-水平导轨，4-提升容器，5-位姿角传感器，6-拉力传感器，7-伺服液压缸，8-钢丝绳，9-滑轮，10-变频电机控制器，11-钢丝绳断丝断股检测装置，12-伺服液压缸控制器，13-位姿监测装置，14-张紧轮，15-张紧弹簧，16-万向轮，17-比例伺服阀，18-蓄能器，19-油箱，20-截止阀，21-电动机，22-双向定量液压泵，23-单向阀，24-溢流阀。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1和图2所示，一种超深矿井提升系统试验台，包括四个变频电机(1)以及与其对应的四个提升机卷筒(2)、水平导轨(3)、提升容器(4)、位姿角传感器(5)、拉力传感器(6)、伺服液压缸(7)、钢丝绳(8)、滑轮(9)、变频电机控制器(10)、钢丝绳断丝断股检测装置(11)、伺服液压缸控制器(12)、位姿监测装置(13)、张紧轮(14)、张紧弹簧(15)、万向轮(16)；提升容器(4)通过其底部的万向轮(16)放置在水平面上，水平导轨(3)沿试验台中心线分布在提升容器(4)的两侧，用于限制提升容器4在横向(即垂直于中心线的方向)上的摆动，在水平导轨(3)的两端各设置一对变频电机(1)和一对提升机卷筒(2)，各个变频电机(1)的输出轴与对应的提升机卷筒(2)连接；在试验台中心线的一侧，提升机卷筒(2)连接一根钢丝绳(8)，钢丝绳8一端依次通过滑轮、张紧轮14、滑轮连接到提升容器4一端，另一根钢丝绳8一端连接在提升机卷筒上，通过滑轮、伺服液压缸(7)连接到提升容器的另一端，伺服液压缸(7)和提升容器4之间的钢丝绳上设置有拉力传感器6，提升机卷筒和滑轮9之间的钢丝绳上设置钢丝绳断丝断股检测装置(11)；中心线另一侧设置与此相同；位姿角传感器(5)固定连接在提升容器4上。
所述变频电机控制器(10)分别与各个变频电机、钢丝绳断丝断股检测装置(11)连接；伺服液压缸控制器(12)与伺服液压缸(7)连接；伺服液压缸(7)与比例伺服阀连接，比例伺服阀的输入口同时与蓄能器、溢流阀、单向阀和截止阀连接；位姿监测装置13和伺服液压缸控制器(12)有无线接收器，位姿角传感器(5)和拉力传感器(6)有无线发射器。安装在容器上的位姿角传感器(5)可以测出因容器倾斜与各平面形成的夹角，位姿角传感器5获取的夹角大小信息经AD转换信号后，通过无线传输给位姿监测装置(13)，进而实现实时监测提升容器姿态。拉力传感器(6)获得的钢丝绳张力信号反馈给伺服液压缸控制器12，伺服液压缸控制器(12)通过计算得到每根钢丝绳长度与其平均长度的长度差值，通过调节各个伺服液压缸(7)的伸缩来改变钢丝绳的张力，避免钢丝绳间运动不同步引起的提升容器倾斜。钢丝绳断丝断股检测装置(11)检测钢丝绳是否断丝断股并通过变频电机控制器10控制变频电机的停止与启动。
该试验台为双绳拖拽，故在水平导轨(3)两端设置了两对(左右各一对，共四个)变频电机(1)，变频电机转向的不同对应着提升容器的提升与下放，具体来说，图1中左侧一对电机卷绳、右侧一对电机放绳时，模拟提升容器的下放，反之，模拟提升容器的提升。提升容器(4)两旁设置水平导轨(3)，水平导轨可以固定在挡墙或地面上。水平导轨是提升容器的导向和约束限位装置，作用是消除提升容器在运动过程中的横向摆动，使容器高速、安全、平稳的运行，与实际立井中的竖直罐道功能一样，提升容器(4)下安装4个万向轮(16)用来模拟提升容器实际的运行工况。张紧轮(14)下安装有张紧弹簧(15)，可以通过调节张紧弹簧的预伸长长度或更换不同弹性系数的弹簧来改变钢丝绳所受拉力，即模拟提升系统提升负载的不同。
参考图3所示，伺服液压缸控制器包括AD板卡PCI1716、张力控制器、DA板卡ACL6126和伺服放大器，AD板卡PCI1716接收钢丝绳张力信号、提升容器的位姿角信号以及液压缸的位移信号，液压缸位移反馈信号、两根钢丝绳的张力差值及两根钢丝绳张力信号反馈给张力控制器，张力控制器将信号用算法进行处理后传输给DA板卡ACL6126，信号进入伺服放大器，进而传递给比例伺服阀，对伺服液压缸进行控制，进行钢丝绳拉力的平衡。
参考图4所示，一种超深矿井提升系统试验台的液压系统包括比例伺服阀17、蓄能器18、油箱19、截止阀20、电动机21、双向定量液压泵22、单向阀23、溢流阀24及液压缸7。所述双向定量液压泵22作为该液压系统的动力源；所述单向阀23进油口接在泵22的出口处，并在出油口处接比例伺服阀17及溢流阀24，防止工作时油液倒流；所述溢流阀24旁接在单向阀23的出口，调定系统的最高压力，即可调整所测钢丝绳的最大拉力；所述截止阀20进油口接单向阀23的出口，出油口接油箱，起到节流作用；所述比例伺服阀17采用0型，两端分别接在单向阀23的出口和液压缸7的入口，置于中位时，液压缸活塞锁住不动。通过比例伺服阀17的换向，实现液压缸的伸缩，进而达到平衡钢丝绳张力的目的。
当本试验台进行试验时，首先给定速度信号和位姿信号，使两对变频电机同速运转，一对卷筒缠绕钢丝绳，一对卷筒松放钢丝绳。速度信号通过变频电机控制器控制提升机卷筒速度，进而控制钢丝绳缠绕速度，调节提升容器速度；提升容器的位姿经位姿角传感器传输给AD板卡PCI1716，信号进入位姿监测装置13，实现提升容器姿态的实时监测。拉力传感器6获得的钢丝绳张力信号反馈给伺服液压缸控制器12，进而通过调节伺服液压缸7来平衡钢丝绳张力。
钢丝绳在运动过程中，一旦钢丝绳发生断丝断股，钢丝绳断丝断股检测装置11发出的信号反馈到变频电机控制器10，进而通过变频器对变频电机进行制动。当进行固定模拟测试钢丝绳时，两对变频电机停止运转，通过调节张紧弹簧15的预伸长长度或更换不同弹性系数的张紧弹簧15来改变钢丝绳所受拉力，来模拟不同负重时对钢丝绳性能的影响；当模拟强扰动下的提升工况时，可以采用不同角度木楔块贴装在水平导轨3表面来模拟。当模拟罐道弯曲和倾斜时，可以采用不同直径万向轮16或者在万向轮16上附加额外激励来模拟。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超深矿井提升系统试验台，其特征在于，包括四个变频电机(1)以及与其对应的四个提升机卷筒(2)、水平导轨(3)、提升容器(4)、位姿角传感器(5)、拉力传感器(6)、伺服液压缸(7)、钢丝绳(8)、滑轮(9)、变频电机控制器(10)、钢丝绳断丝断股检测装置(11)、伺服液压缸控制器(12)、位姿监测装置(13)、张紧轮(14)、张紧弹簧(15)、万向轮(16)；位姿角传感器(5)固定连接在提升容器(4)上；所述变频电机控制器(10)分别与各个变频电机、钢丝绳断丝断股检测装置(11)连接；伺服液压缸控制器(12)与伺服液压缸(7)连接；安装在容器上的位姿角传感器(5)用于测出因容器倾斜与各平面形成的夹角，位姿角传感器(5)获取的夹角大小信息经AD转换信号后传输给位姿监测装置(13)，进而实现实时监测提升容器的姿态；拉力传感器(6)获得的钢丝绳张力信号反馈给伺服液压缸控制器(12)，伺服液压缸控制器(12)通过计算得到每根钢丝绳长度与其平均长度的长度差值，通过调节各个伺服液压缸(7)的伸缩来改变钢丝绳的张力，避免钢丝绳间运动不同步引起的提升容器倾斜；钢丝绳断丝断股检测装置(11)检测钢丝绳是否断丝断股并通过变频电机控制器(10)控制变频电机的停止与启动。 
2.根据权利要求1所述的超深矿井提升系统试验台，其特征在于，所述位姿监测装置(13)和伺服液压缸控制器(12)有无线接收器，位姿角传感器(5)和拉力传感器(6)有无线发射器。 
3.根据权利要求1所述的超深矿井提升系统试验台，其特征在于，所述提升容器(4)通过其底部的万向轮(16)放置在水平面上，水平导轨(3)沿试验台中心线分布在提升容器(4)的两侧，用于限制提升容器(4)在横向上的摆动，在水平导轨(3)的两端各设置一对变频电机(1)和一对提升机卷筒(2)，各个变频电机(1)的输出轴与对应的提升机卷筒(2)连接；在试验台中心线的一侧，提升机卷筒(2)连接一根钢丝绳(8)，钢丝绳(8)一端依次通过滑轮、张紧轮(14)、滑轮连接到提升容器(4)一端，另一根钢丝绳(8)一端连接在提升机卷筒上，通过滑轮、伺服液压缸(7)连接到提升容器的另一端，伺服液压缸(7)和提升容器(4)之间的钢丝绳上设置有拉力传感器(6)，提升机卷 筒和滑轮(9)之间的钢丝绳上设置钢丝绳断丝断股检测装置(11)；中心线另一侧设置与此相同。 
4.根据权利要求1所述的超深矿井提升系统试验台，其特征在于，该试验台为双绳拖拽，在水平导轨(3)两端设置了两对变频电机(1)，变频电机转向的不同对应着提升容器的提升与下放。 
5.根据权利要求1所述的超深矿井提升系统试验台，其特征在于，所述张紧轮(14)下安装有张紧弹簧(15)，通过调节张紧弹簧的预伸长长度或更换不同弹性系数的弹簧来改变钢丝绳所受拉力，即模拟提升系统提升负载的不同。 
6.根据权利要求1所述的超深矿井提升系统试验台，其特征在于，所述伺服液压缸控制器包括AD板卡PCI1716、张力控制器、DA板卡ACL6126和伺服放大器，AD板卡PCI1716接收钢丝绳张力信号、提升容器的位姿角信号以及液压缸的位移信号，液压缸位移反馈信号、两根钢丝绳的张力差值及两根钢丝绳张力信号反馈给张力控制器，张力控制器将信号用算法进行处理后传输给DA板卡ACL6126，信号进入伺服放大器，进而传递给比例伺服阀，对伺服液压缸进行控制，进行钢丝绳拉力的平衡。 
7.应用权利要求1-6任一所述的超深矿井提升系统试验台的试验方法，其特征在于，当进行试验时，首先给定速度信号和位姿信号，使两对变频电机同速运转，一对卷筒缠绕钢丝绳，一对卷筒松放钢丝绳；速度信号通过变频电机控制器控制提升机卷筒速度，进而控制钢丝绳缠绕速度，调节提升容器速度；通过位姿监测装置(13)实现提升容器姿态的实时监测；拉力传感器(6)获得的钢丝绳张力信号反馈给伺服液压缸控制器(12)，进而通过调节伺服液压缸(7)来平衡钢丝绳张力；钢丝绳在运动过程中，一旦钢丝绳发生断丝断股，钢丝绳断丝断股检测装置(11)发出的信号反馈到变频电机控制器(10)，进而通过变频器对变频电机进行制动。 
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，当进行固定模拟测试钢丝绳时，两对变频电机停止运转，通过调节张紧弹簧(15)的预伸长长度或更换不同弹性系数的张紧弹簧(15)来改变钢丝绳所受拉力，来模拟不同负重时对钢丝绳性能的影响。
9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，当模拟强扰动下的提升工况 时，采用不同角度木楔块贴装在水平导轨(3)表面来模拟；当模拟罐道弯曲和倾斜时，采用不同直径万向轮(16)或者在万向轮(16)上附加额外激励来模拟。 
10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，还可以通过外部对提升容器进行加载来模拟提升容器在实际工况中的冲击震动；还可以在卷筒上贴上应变片进行卷筒扭矩变形切应力应变的测量；还可以在卷筒主轴上安装编码器进行提升深度的测量。 
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