CN104502011B - 一种多绳提升机钢丝绳张力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多绳提升机钢丝绳张力监测补偿装置，包括拉丝位移传感器、油压传感器、信号采集发射装置和上位机；拉丝位移传感器设置在液压张力平衡装置上，线轮与拉头一个固定在活塞端部另一个固定在夹板上并且保持拉丝处于垂直方向；油压传感器设置在液压油缸上用于测量油缸内的压力；拉丝位移传感器和油压传感器将检测数据通过信号采集发射装置传递给上位机，上位机判断提升过程是否正常并执行相应控制指令。本发明根据平衡油缸内油压与钢丝绳张力之间的关系，通过对平衡油缸活塞摩擦力的计算，实现对采集到的油压信号的补偿，避免了钢丝绳张力监测过程中的较大波动，提高了整体钢丝绳张力监测系统的可靠性和准确性。

Description

一种多绳提升机钢丝绳张力监测装置

技术领域

本发明涉及多绳提升机钢丝绳张力监测技术领域，具体是一种多绳提升机钢丝绳张力监测特性曲线补偿装置及方法。

背景技术

在多绳提升机钢丝绳张力监测系统中，液压张力平衡装置得到了广泛的应用。液压张力平衡装置实际工作时不宜采用全调压，只能半调，全调压时钢丝绳会来回窜绳。箕斗在提升过程各阶段，钢丝绳的受力是不同的，钢丝绳不可避免地会出现蠕动、相对滑动和伸长不均等现象，致使调绳装置偏串，出现一端悬挂平衡油缸活塞杆伸出到极限另一端油缸活塞杆缩回到极限的现象。此时，上升箕斗悬挂平衡油缸活塞杆缩回到极限的钢丝绳张力大于其它钢丝绳，出现不平衡现象。如果行程较大，钢丝绳长度差也较大时就会造成单根钢丝绳受力的可能性程度加大，不能保证各钢丝绳张力不平衡不得超过10％的要求，钢丝绳张力就会处于极度不平衡状态，对提升安全和钢丝绳使用寿命造成了严重威胁。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种多绳提升机钢丝绳张力监测补偿装置及方法，用于解决利用油缸压力监测钢丝绳张力中存在的震荡和波动的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种多绳提升机钢丝绳张力监测装置，包括拉丝位移传感器、油压传感器、信号采集发射装置和上位机；

每个液压张力平衡装置上均设置有所述拉丝位移传感器，所述液压张力平衡装置包括中间板、夹板和液压油缸，所述中间板与液压油缸的活塞连接，夹板与液压油缸的油缸连接；所述拉丝位移传感器包括拉头、拉丝和线轮，所述拉丝一端缠绕在线轮上、拉丝另一端与拉头连接，所述线轮与拉头一个固定在活塞端部另一个固定在夹板上并且保持拉丝处于垂直方向；

每个液压油缸的无杆腔上均设置有外接液压管路，并且液压管路用连通器相互连通，每个液压管路上均设置有所述油压传感器；

所述拉丝位移传感器检测油缸与活塞的相对位移和时间，所述油压传感器检测到油缸油压压力p₁，将拉丝位移传感器和油压传感器检测到的数据通过信号采集发射装置传递给上位机，所述上位机内嵌有钢丝绳张力检测模块，钢丝绳张力检测模块处理接收到的数据计算出钢丝绳上的张力；具体计算方法如下：

第一步、根据油缸与活塞的相对位移和时间计算出油缸与活塞之间的相对运动速度v；

第二步、联立下列3式并结合步骤一中的结果计算出油缸内壁与活塞密封垫之间的摩擦力F_f

$\frac{dz}{dt}=v-\frac{\left|v\right|}{g\left(v\right)}z$

$F_f={\mathrm{\σ}}_{0}z+{\mathrm{\σ}}_1\frac{dz}{dt}+{\mathrm{\σ}}_{2}v$

${\mathrm{\σ}}_{0}g\left(v\right)=F_c+(F_s-F_c)\exp \[-{\left(\frac{v}{v_s}\right)}^2\]$

式中各个参数的含义如下，并且各个参数均通过实验测得：

状态变量z为活塞密封垫与油缸内壁之间接触面的相对变形量；

v为油缸与活塞之间的相对运动速度；

g(v)为大于0的函数；

σ₀为活塞密封垫与油缸内壁之间的摩擦刚性系数；

σ₁为活塞密封垫与油缸内壁之间的摩擦阻尼系数；

σ₂为液压油缸系统的黏性摩擦系数；

F_c为活塞密封垫与油缸内壁之间的库伦摩擦力；

F_s为活塞密封垫与油缸内壁之间的静摩擦力；

v_s为活塞的斯特贝克速度，即活塞2在受到的动摩擦力过程中由滑动摩擦力向粘性摩擦力转变的临界速度；

第三步、根据下矢量式计算钢丝绳上的张力F_L

F_L＝pA-F_f

式中：

p为液压油缸的油压压强；

A为活塞的受压面积。

对于多绳摩擦式提升机，每根钢丝绳均配有一个液压油缸用于平衡，由于钢丝绳连接到中间板，中间板再与活塞连接，两侧夹板与油缸连接，液压油缸的无杆腔之间通过液压管路和连通器连接在一起，连通器可以为一根钢管，使得所有的液压油缸内的油压都相通。当钢丝绳张力处于平衡状态时，油缸与活塞之间无相对运动，钢丝绳上的拉力等于油缸内的油压压强作用到活塞上的力即油缸压力；当钢丝绳张力不平衡引起活塞与油缸相对运动，张力大的钢丝绳连通的油缸中油压压强亦大，该油缸的无杆腔中的液压油会通过液压管路和连通器流到压力小的油缸中，此时引起油缸内的活塞运功，由于活塞上的活塞密封圈受到油压作用紧紧地压在油缸内壁上，活塞运动必然会导致活塞密封圈与油缸内壁之间有摩擦力产生。此时油缸压力与摩擦力的合力等于钢丝绳上的拉力，因此需要计算出摩擦力才能准确推算出钢丝绳上的拉力。

需要计算摩擦力，从力学和动力学入手，稳定状态时油缸与活塞之间无相对运动，油缸与活塞之间的相对速度为0，当油缸与活塞之间产生相对运动，则夹板与活塞之间也产生相对运动，即拉头与线轮之间产生相对运动，拉丝位移传感器记录下发生的位移和时间即可得知相对运动的速度，该速度即为密封圈与油缸内壁之间的相对运动速度，根据钢丝绳张力检测模块中的相关公式即可计算得出摩擦力的大小。

接着根据拉丝位移传感器的位移判断活塞运动方向，由于活塞所受摩擦力方向与活塞运动方向相反，若活塞伸长则摩擦力与油缸压力方向相反，油缸压力的大小减去摩擦力的大小等于钢丝绳上的张力的大小，若活塞缩短则摩擦力与油缸压力方向相反相同，油缸压力的大小加上摩擦力的大小等于钢丝绳上的张力的大小。

进一步的，在本发明中，所述油压传感器通过三通阀与液压油缸上无杆腔上的外接液压管路连接。为了不影响提升机钢丝绳张力自动平衡装置的正常工作，油压传感器连通到三通阀的一端，三通阀的另两端连接到两个球形截止阀上，一个球形截止阀连接液压管路，另一个球形截止阀通过管路相互连通。在设计时充分考虑了安装后对原有设备的影响，与液压管路和球形截止阀的连接沿用矿用使用的销轴密封连接方式，尺寸规格亦统一，以免破坏液压管路的密封性，并且在使用过程中如果油缸传感器发生异常，便于更换。

进一步的，在本发明中，所述信号采集发射装置包括信号采集发射箱和信号采集接收箱，所述信号采集发射箱接收到拉丝位移传感器和油压传感器的数据后通过无线信号传递给信号采集接收箱，所述信号采集接收箱通过RS485传递给上位机。

进一步的，在本发明中，所述中间板上固定有滑块，所述夹板上设置有与滑块匹配的导轨，导轨方向与活塞同轴，所述活塞端部与滑块固连，所述线轮固定在夹板上，拉头固定在活塞端部。通过导轨滑块机构实现中间板与夹板之间滑动的导向功能。

有益效果：

该发明从实际液压张力平衡装置的作用机理出发，巧妙地利用传感器检测运动过程中的相关参数，结合力学原理将活塞密封圈与油缸内壁之间的摩擦力考虑进来计算出钢丝绳张力，可以起到准确监测钢丝绳张力的目的；

同时传感器的检测数据还能对装置运行过程中的状态进行监控，及时提醒相关人员进行调整以防出现重大事故。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是本发明的油压传感器的安装示意图；

图4是本发明信号采集处理示意图；

图5是液压油缸压力补偿时受力模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，提升机的滚筒上均匀安装一圈磁钢，通过双霍尔传感器和磁钢检测提升机运行高度，在井筒中箕斗上、下停止位置均安装有本安型位置传感器安装，检测箕斗是否到达指定位置。

每个钢丝绳上配备有一个液压平衡装置，在每个钢丝绳上还配备张力监测装置，包括拉丝位移传感器、油压传感器11，另外还设置有信号采集发射装置12和上位机；

所述拉丝位移传感器设置在液压张力平衡装置上，所述液压张力平衡装置包括中间板7、夹板6和液压油缸，所述中间板7与液压油缸的活塞2连接，夹板6与液压油缸的油缸5连接；所述中间板7上固定有滑块8，所述夹板6上设置有与滑块8匹配的导轨，导轨方向与活塞2同轴，所述活塞2端部与滑块固连；

所述拉丝位移传感器包括拉头1、拉丝3和线轮4，所述拉丝3一端缠绕在线轮4上、拉丝3另一端与拉头1连接，所述线轮4固定在夹板6上，拉头1固定在活塞2端部并且保持拉丝3处于垂直方向；

如图3所示，每个液压油缸的无杆腔上均设置有外接液压管路，并且4个液压管路用钢管作为连通器相互连通，所述油压传感器11通过三通阀与液压油缸上无杆腔上的外接液压管路连接。

所述信号采集发射装置12包括信号采集发射箱和信号采集接收箱，所述信号采集发射箱有2个且分别安装在A、B两个箕斗上，所述信号采集接收箱也有2个且一个安装在井筒的中间高度另一个安装在进口处。所述拉丝位移传感器检测油缸5与活塞2的相对位移和时间，所述油压传感器11检测到油缸油压压强p₁，信号采集发射箱接收到拉丝位移传感器和油压传感器11的数据后，根据提升机运行高度来判断箕斗距离哪个信号采集接收箱近，并由这个信号采集接收箱通过无线信号传递接收数据，之后信号采集接收箱通过RS485再传递给上位机，上位机一般设置是绞车房内，并且上位机中预置有LabView软件开发的监测系统，监测系统中包含有钢丝绳张力检测模块可以实时测算钢丝绳张力，具体计算方法如下：

第一步、根据油缸5与活塞2的相对位移和时间计算出油缸5与活塞2之间的相对运动速度v；

第二步、联立下列3式并结合步骤一中的结果计算出油缸5内壁与活塞密封垫之间的摩擦力F_f

$\frac{dz}{dt}=v-\frac{\left|v\right|}{g\left(v\right)}z$

$F_f={\mathrm{\σ}}_{0}z+{\mathrm{\σ}}_1\frac{dz}{dt}+{\mathrm{\σ}}_{2}v$

${\mathrm{\σ}}_{0}g\left(v\right)=F_c+(F_s-F_c)\exp \[-{\left(\frac{v}{v_s}\right)}^2\]$

式中各个参数的含义如下，并且各个参数均通过实验测得：

状态变量z为活塞密封垫与油缸5内壁之间接触面的相对变形量；

v为油缸5与活塞2之间的相对运动速度；

g(v)为大于0的函数且有届；

σ₀为活塞密封垫与油缸5内壁之间的摩擦刚性系数；

σ₁为活塞密封垫与油缸5内壁之间的摩擦阻尼系数；

σ₂为液压油缸系统的黏性摩擦系数；

F_c为活塞密封垫与油缸5内壁之间的库伦摩擦力；

F_s为活塞密封垫与油缸5内壁之间的静摩擦力；

v_s为活塞2的斯特贝克速度；

第三步、根据图5所示的活塞2的受力模型，列出活塞2的运动方程如下

$m\stackrel{\·\·}{x}=pA-F_L-F_f$

式中:

m为活塞质量，为活塞2运动的加速度，p为液压油缸的油压压力，A₁活塞2的受压面积；

由于活塞2质量很小可以忽略不计，故上式可以简化为

F_L≈pA-F_f

上式中，若活塞2伸长则摩擦力F_f取正值带入计算，若活塞2缩短则摩擦力F_f取负值带入计算。

由此计算得到的钢丝绳的张力，是考虑液压油缸调节钢丝绳张力过程中活塞2运动引起的摩擦误差，提高了测算的可靠性和准确性。

根据监测系统还可以实现判断提升状态是否发生故障：如可以根据拉丝传感器传递的位移数据判断液压油缸是否到达伸缩的极限位置，以及及时报警提醒调节液压油缸平衡；根据钢丝绳张力该监测系统可以实现判断提升状态是否发生故障并及时报警，如可以根据测算得到的钢丝绳张力过大时提示提升系统发生严重故障，此时监测系统通过安全回路继电器控制提升机停止运行，当故障解除后，才能重新正常工作。

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。

Claims (4)

1.一种多绳提升机钢丝绳张力监测装置，其特征在于：包括拉丝位移传感器、油压传感器(11)、信号采集发射装置(12)和上位机；

每个液压张力平衡装置上均设置有所述拉丝位移传感器，所述液压张力平衡装置包括中间板(7)、夹板(6)和液压油缸，所述中间板(7)与液压油缸的活塞(2)连接，夹板(6)与液压油缸的油缸(5)连接；所述拉丝位移传感器包括拉头(1)、拉丝(3)和线轮(4)，所述拉丝(3)一端缠绕在线轮(4)上、拉丝(3)另一端与拉头(1)连接，所述线轮(4)与拉头(1)一个固定在活塞(2)端部另一个固定在夹板(6)上并且保持拉丝(3)处于垂直方向；

每个液压油缸的无杆腔上均设置有外接液压管路，并且液压管路用连通器相互连通，每个液压管路上均设置有所述油压传感器(11)；

所述拉丝位移传感器检测油缸(5)与活塞(2)的相对位移和时间，所述油压传感器(11)检测到油缸油压压强p₁，将拉丝位移传感器和油压传感器(11)检测到的数据通过信号采集发射装置(12)传递给上位机，所述上位机内嵌有钢丝绳张力检测模块，钢丝绳张力检测模块处理接收到的数据计算出钢丝绳上的张力；具体计算方法如下：

第一步、根据油缸(5)与活塞(2)的相对位移和时间计算出油缸(5)与活塞(2)之间的相对运动速度v；

第二步、联立下列3式并结合步骤一中的结果计算出油缸(5)内壁与活塞密封垫之间的摩擦力F_f

$\frac{dz}{dt}=v-\frac{\left|v\right|}{g\left(v\right)}z$

$F_f={\mathrm{\σ}}_{0}z+{\mathrm{\σ}}_1\frac{dz}{dt}+{\mathrm{\σ}}_{2}v$

${\mathrm{\σ}}_{0}g\left(v\right)=F_c+(F_s-F_c)\exp \[-{\left(\frac{v}{v_s}\right)}^2\]$

式中各个参数的含义如下，并且各个参数均通过实验测得：

状态变量z为活塞密封垫与油缸(5)内壁之间接触面的相对变形量；

v为油缸(5)与活塞(2)之间的相对运动速度；

g(v)为大于0的函数；

σ₀为活塞密封垫与油缸(5)内壁之间的摩擦刚性系数；

σ₁为活塞密封垫与油缸(5)内壁之间的摩擦阻尼系数；

σ₂为液压油缸系统的黏性摩擦系数；

F_c为活塞密封垫与油缸(5)内壁之间的库伦摩擦力；

F_s为活塞密封垫与油缸(5)内壁之间的静摩擦力；

v_s为活塞(2)斯特贝克速度；

第三步、根据下列矢量式计算钢丝绳上的张力F_L

F_L＝pA-F_f

式中：

p为液压油缸的油压压强；

A为活塞(2)的受压面积。

2.根据权利要求1所述的多绳提升机钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述油压传感器(11)通过三通阀与液压油缸上无杆腔上的外接液压管路连接。

3.根据权利要求1所述的多绳提升机钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述信号采集发射装置(12)包括信号采集发射箱和信号采集接收箱，所述信号采集发射箱接收到拉丝位移传感器和油压传感器(11)的数据后通过无线信号传递给信号采集接收箱，所述信号采集接收箱通过RS485传递给上位机。

4.根据权利要求1所述的多绳提升机钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述中间板(7)上固定有滑块(8)，所述夹板(6)上设置有与滑块(8)匹配的导轨，导轨方向与活塞(2)同轴，所述活塞(2)端部与滑块固连，所述线轮(4)固定在夹板(6)上，拉头(1)固定在活塞(2)端部。